过程控制第六章 简单(单回路)控

控制变量的选择
Pg
载热介质 TC u TT Q, Ti 冷物料 热交换器 被加热物 料 干扰通道 干 扰 变 量 Q Ti
扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参 数产生影响，力图使被控参 数偏离给定性 控制作用-----由控制通道对过程的被控参 数起主导影响，抵消扰动影 响，以使被控参数尽力维持 在给定值。
s 0 s 0
e() lim e(t ) lim sE f (s) lim s
t
Kf 1 (T0 s 1)(T f s 1) K 0 K c (T f s 1) s 1 K0 Kc
K f (T0 s 1)
结论


控制通道的静态放大系数Ko越大，系统的静态偏差越小， 表明控制作用越灵敏，控制效果越好。 扰动通道的静态放大系数Kf越大，外部扰动对被控参数 的影响程度越大。
简单（单回路）控制系统设计
x
－
Gc(s)
u
Gv(s)
Go(s)
y
简单控制系统的结构与组成
Gm(s)

单回路反馈控制系统---由一个被控过程、一个检测变送器、一 个控制器和一个执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的 单回路反馈闭环控制系统。
载热介质 TC LT LC TT 冷物料 热交换器 被加热物 料
Ko To s 1
Gc (s) K c
G f ( s) Kf Tf s 1
G f ( s) 1 E ( s) X ( s) F ( s) E x ( s) E f ( s) 1 Gc (s)Go (s) 1 Gc (s)Go (s)
T0 s 1 X ( s) (T0 s 1) K 0 K c

G f ( s) 1 Gc ( s)Go ( s)

Kf
1 1 1 Gc ( s)Go ( s) Tf s Tf
1
干扰通道时间常数Tf使干扰f（t）对y（t）影响的动态分量减小， 由f（t）产生的最大动态偏差随着Tf的增大而减小，系统控制品 质提高。所以干扰通道的容积或惯性环节越多，时间常数Tf越大， 外部干扰f（t）对y（t）影响越小，系统的控制品质越好。
调节规律对控制品质的影响与 调节规律选择
fi x －
Gc(s)
u
Gv(s)
Go(s)
y
Gm(s)
y

双位控制 M u(t ) M PID控制
e0 e0
t
M u(t ) M
e0 e0

de (t ) u (t ) K p e(t ) K I e(t ) K d 0 dt 1 1 t de(t ) u (t ) e(t ) e(t ) Td 0 P TI dt
时，它们对被控参数的影响不同。
1.控制通道动态特性对控制品质的影响
控制系统性能评价
开环比例系数=控制器增益Kc×控制通道增益Ko
控制系统的临界放大系数为KMAX临界震荡频率为ωM KMAX· ωM在一定程度上代表令被控过程的控制性能 KMAX越大，控制器静态放大系数KC可选范围的上限越 大，控制系统的稳态误差越小 ωM越大，控制系统可选的工作频率ωC越大，过渡过 程越快。
F1 (s)
Gc (s)Gof 2 (s) 1 Gc (s)Go (s)
F2 (s)
Gc (s)Gof 3 (s) 1 Gc (s)Go (s)
F3 (s)
各干扰通道分母相同：不管干扰从何位置进入，系统的稳定程度、过渡过程的衰减系数、振荡周期都相同。 各干扰通道分子不同：当干扰量
f1 (t ) f 2 (t ) f 3 (t )
真验证系统的性能）
被控参数与控制变量的选择
被控参数的选择


选择对产品的产量和质量、安全生产、 经济运行和环境保护具有决定性作用的， 可直接测量的工艺参数为被控参数。直 接法 当不能用直接参数作为被控参数时，应 该选择一个与直接参数有单值函数关系 的间接参数作为被控参数。间接法
冷却介质
120 110 100 90 80 70 0.125 0.100 0.075 0.050 0.025
Y f ( s) F ( s)

G 'f ( s)
1 Gc ( s)Go ( s)
f s

G f ( s) 1 Gc ( s)Go ( s)
e
f s

Y f ( s) F ( s)
e
f s
Y f (s) Y f (s)e
y f (t ) y f (t f )
可见干扰通道存在纯滞后不影响系统的控制品质
过程动态特性对控制品质的影响
1.干扰通道动态特性对控制品质的影响 扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响
x － F3(s) F2(s) F1(s)
Gc(s)
Go3(s)
Go2(s)
Go1(s)
Y ( s)
Gc (s)Gof 1 (s) Gc (s)Gof 2 (s) Gc (s)Gof 3 (s) Gc (s)Go (s) X ( s) F1 (s) F2 (s) F3 (s) 1 Gc (s)Go (s) 1 Gc (s)Go (s) 1 Gc (s)Go (s) 1 Gc (s)Go (s)
Y f ( s) Gc (s)Gof 1 (s) 1 Gc (s)Go (s) F1 (s) Gc (s)Gof 2 (s) 1 Gc (s)Go (s) F2 (s) Gc (s)Gof 3 (s) 1 Gc (s)Go (s) F3 (s)
Gc ( s)Go ( s) Yx ( s ) X ( s) 1 Gc ( s)Go ( s)
过程动态特性对控制品质的影响
F(s) Gf(s) Go(s) y
1.干扰通道动态特性对控制品质的影响 干扰通道时间常数Tf对控制品质的影响
X(s) －
Gc(s) u
Gc (s) K c
Ko Go ( s ) T来自百度文库 s 1
G f ( s)
Kf Tf s 1
Y f ( s) F ( s)
F(s) X(s) Gc(s) u －
Gf(s) Go(s) y
Pg 控制变量 u 被控过程 控制通道
Go ( s )
Ko To s 1
G f ( s)
Kf Tf s 1
Gc (s) K c
F(s)
Gf(s) Go(s) y
X(s)
－
Gc(s) u
正确选择控制参数就是正确选择控 制通道的问题！ 希望控制通道克服扰动的校正能力 要强，动态响应要比扰动通道快。
图6-1 液位控制系统
图6-2 温度控制系统
过程控制方案设计的基本要求


安全性 稳定性 经济性
过程控制方案设计的主要内容

方案设计 工程设计 工程安装和仪表调校 调节器参数整定
过程控制方案设计的步骤



熟悉理解生产对控制系统的技术要求与 性能指标 建立被控过程的数学模型 选择控制方案(控制方式的选择和系统组成结构的确定) 控制设备选型（选择适合的传感器变送器与执行器） 实验和仿真（对于系统设计中难以考虑的因素，用实验仿
F ( s)
f (t ) 0
x(t ) 1(t )
x(t ) 0
T0 s 1 1 1 e() lim e(t ) lim sE x (s) lim s t s 0 s 0 (T s 1) K K s 1 K0 Kc 0 0 c f (t ) 1(t )
调节规律的选择



比例调节：适合对象调节通道滞后/时间常数小、负荷 扰动小、工艺要求不高允许有静差的系统。 积分调节：动态偏差大、调节时间长。只能用于自衡 对象，很少单独使用。 比例积分调节：适合调节通道容量滞后小，负荷变化 不大的调节系统，如流量调节压力调节系统和要求比 较严格的液位调节系统（使用较多） 比例微分调节：由于对系统干扰敏感，Td不能太大， 否则影响系统的正常工作，不适合高频干扰或存在周 期干扰的场合。
过程动态特性对控制品质的影响
F(s) Gf(s) Go(s) y
1.干扰通道动态特性对控制品质的影响 干扰通道纯滞后时间τf对控制品质的影响
X(s) －
Gc(s) u
Gc (s) K c
Ko Go ( s ) To s 1
G f ( s)
Kf Tf s 1
Y f ( s) G ( s) Kf 1 1 Kf f s f s ' Y f (s) G ff ( s ) G ( s ) e G ( s ) e f 1 1 Gcf ( s)Go T F ( s) 1 Gc ( s)Go ( s) T f ( sf )s 1 s F ( s) 1 Gc ( s )Go ( s ) Tf
进料
温度/℃
压力/MPa
精 馏 塔
回流
塔顶产品 （组分浓度xd）
加热蒸汽 蒸汽 加热器
0 20 40 60 80 100 苯含量（％） 0 20 40 60 80 100 苯含量（％）
塔底产品 （ 组 分 浓 度 xw ）
冷凝水
被控参数必须具有足够大的灵敏度。（检测信号不能很微 弱或滞后很大） 被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的 性能。
K f (T0 s 1) (T0 s 1)(T f s 1) K 0 K c (T f s 1)
Ex ( s)
E f ( s)
F ( s)
Ex ( s)
T0 s 1 X ( s) (T0 s 1) K 0 K c
E f ( s)
K f (T0 s 1) (T0 s 1)(T f s 1) K 0 K c (T f s 1)
F1(s) Go1(s)
yk(t) y(t) f1(t) yb t1 t1+△t y’(t) f2(t) yb
yk(t)
yk(t) y’(t)
y(t)
y’(t) f3(t) yb y(t) t1 t1+△t
t1
t1+△t
Y f ( s)
Gc (s)Gof 1 (s) 1 Gc (s)Go (s)
控制通道打开环传递函数（包括控制器、调节阀、被控过程以及测量变送 器）通常可表示为一阶惯性环节的串联。
K3 K1 K2 To1 s 1 To 2 s 1 To3 s 1
Gk ( s) Go1 ( s)Go 2 (s)Go3 (s)
开环传递函数中几个时间常数值错开，可提高系统的工作频率，减小过 渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。
控制通道滞后τ对控制品质的影响
y yk(t)
y2(t)
y1(t) t0 t0+τ
1 t0+τ 2
y’1(t)
y’2(t) t
根据过程特性选择控 制参数的一般原则
控制通道参数选择：选择过程控制通道的放大系数Ko要适当大一些， 时间常数To要适当小一些。纯时延τ0愈小愈好，在有纯时延τ0的情况 下，τ0与To之比应小—些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。 扰动通道参数选择：选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小。 时间常数Tf要大。扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节 阀）。容量时延τc愈大则有利于控制。 时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环 节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其 中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个 时间常数。 注意工艺操作的合理性、经济性。
各干扰通道分母相同：不管干扰从何位置进入，系统的稳定程度、过渡过程的衰减系数、振荡周期都相同。 各干扰通道分子不同：当干扰量
f1 (t ) f 2 (t ) f 3 (t )
时，它们对被控参数的影响不同。
过程动态特性对控制品质的影响
x
F3(s) －
Gc(s) Go3(s)
F2(s) Go2(s)
过程通道对静态特性的影响 （扰动通道静态放大倍数Kf、控制通 道静态放大倍数Ko） 过程通道对动态特性的影响 扰动通道（时间常数Tf、时延τf、扰 动作用点位置） 控制通道（时间常数To、τ0）
过程静态特性对控制品质的影响
F(s) X(s) － Gc(s) u Gf(s) Go(s) y
Go ( s )
控制通道时间T0对控制品质的影响
控制通道的时间常数大小反映了控制变量克服干扰对被控参数 影响的快慢程度。 T0太大：控制变量的控制影响缓慢，对被控参数的偏差校正不 及时，动态偏差大，过渡过程时间长控制品质差 T0小一些：被控参数对控制变量的反应灵敏，控制及时，从而
获得良好的控制品质。
控制通道多个时间常数Toi之间关系对控制品质的影响