《过程装备控制技术及应用》课程教学资源（教案讲义）第二章 过程装备控制基础

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 1页共15页 第二章过程装备控制基础 21被控对象的特性 被控对象的特性就是当被控对象的输入变量发生变化时,其输出量随时间变化规律,对 个控对象来说,其输出变量就是控制系统的被控变量,而输入变量则是控制系统的操纵变量和 干扰作用。 通道:被控对象输入变量和输出变量之间的联系称为通道 控制通道:操纵变量与被控变量之间的联系称为控制通道。 干扰通道:干扰作用与被控变量之间的联系称为干扰通道 211被控对象的数学描述 根据被控对象的特点,利用有关的定理、定律建立相应的微分方程,得到被控变量的 数学表示式。 下面以水槽液位对象为例,分析被控对象的数学描述式 (1)单容液位对象 有自衡特性的单容对象 输出变量为液位H,水槽流入量qn,水槽流出量 q,均为体积流量 =A·H,A为水槽的横截面积。 所以 dv. dh A 静态情况,=0,q1-qn2=0;qn变化、液位H将随之变化,水槽出口的静压 dt 随之变化,流出量亦发生变化,认为流出量q,与液位H成正比关系,而与出水阀的水阻R 成反比关系:即 R 在讨论被控对象的特性时,所研究的是未受任何人为控制的被控对象,所以出水阀开度 不变,阻力R,为常数 H dH A R 由此可得 dH AR,+h=Rq 令T=AR3,K=R3,得 dh dt 该微分方程是一个一阶常系数微分方程式。 通常将这样的被控对象叫做一阶被控对象,T称为时间常数,K称为被控对象的放大系

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 1 页 共 15 页 第二章 过程装备控制基础 2.1 被控对象的特性 被控对象的特性就是当被控对象的输入变量发生变化时,其输出量随时间变化规律,对一 个控对象来说,其输出变量就是控制系统的被控变量,而输入变量则是控制系统的操纵变量和 干扰作用。 通道：被控对象输入变量和输出变量之间的联系称为通道。 控制通道：操纵变量与被控变量之间的联系称为控制通道。 干扰通道：干扰作用与被控变量之间的联系称为干扰通道。 2.1.1 被控对象的数学描述 根据被控对象的特点，利用有关的定理、定律建立相应的微分方程，得到被控变量的 数学表示式。 下面以水槽液位对象为例，分析被控对象的数学描述式。 （1）单容液位对象 有自衡特性的单容对象 输出变量为液位 H，水槽流入量 1 v q ，水槽流出量 2 v q 。 1 v q 、 2 v q 均为体积流量。 dt dV qv − qv = 1 2 V = AH ，A 为水槽的横截面积。 所以 dt dH A dt dV = 静态情况， = 0 dt dV ， 0 1 2 qv − qv = ； 1 v q 变化、液位 H 将随之变化，水槽出口的静压 随之变化，流出量亦发生变化，认为流出量 2 v q 与液位 H 成正比关系，而与出水阀的水阻 Rs 成反比关系：即 s v R H q = 2 。 在讨论被控对象的特性时，所研究的是未受任何人为控制的被控对象，所以出水阀开度 不变，阻力 Rs 为常数。 dt dH A R H q s v − = 1 由此可得 1 s H Rsqv dt dH AR + = 令 T = ARs， K = Rs ，得 1 H Kqv dt dH T + = 该微分方程是一个一阶常系数微分方程式。 通常将这样的被控对象叫做一阶被控对象，T 称为时间常数，K 称为被控对象的放大系 数

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 2页共15页 当输入流量为qn时,液位高度保持不变,H=H0=Kq 当输入流量为qn+△qn时,液位高度随时间变化,符合以上微分方程。因为 H=H。+△H,所以 dHd(△H 由此可得 d(△E d+H1+M=K(n+△ 所以 d(△H d+△H=K△q 解得 △M=KM(-eb 当t→>∞时,△H=K△gn 无自衡特性的单容对象 其流量由泵控制,则该控制系统具有无自衡特性,泵的出口流量不随液位变化而变化 这类被控对象除必须施加控制外,还常常高有自动报警系统 (2)双容液位对象 双容水槽是两个串联在一起的水槽,它们之间的连接管具有阻力,因此两者液位不同,图 见P18 水槽1的动态平衡关系 水槽2 变化量极小时,水流出量与液位的关系近似为: 将上两式代入2并求微分后,经整理得到 将上式代入3整理得 这样的控制对象叫做二阶被控对象 2.1.2被控制地象的特性参数 描绘被控对象特性的参数有放大系数K,时间常数T和滞后时间T (1)放大系数K 放大系数又称静态增益是被控重新达到平衡状态的办输出变化量与输入变化量之比。 放大系数的几个一般性结论: 1放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡的性能,是不随时间变化的参数 K是被控对象的静态特性参数

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 2 页 共 15 页 当输入流量为 1 v q 时，液位高度保持不变， 0 1 H = H = Kqv 。 当输入流量为 1 1 qv + qv 时，液位高度随时间变化，符合以上微分方程。因为 H = H0 + H ，所以 ( ) dt d H dt dH  = 由此可得 ( ) ( ) 0 1 1 H H K qv qv dt d H T + +  = +   所以 ( ) 1 H K qv dt d H T +  =   解得 ( ) ( ) t t T v H K q e / 0 1 1 − −  =  − 当 t → 时， 1 H = Kqv 无自衡特性的单容对象 其流量由泵控制，则该控制系统具有无自衡特性，泵的出口流量不随液位变化而变化。 这类被控对象除必须施加控制外，还常常高有自动报警系统。 （2）双容液位对象 双容水槽是两个串联在一起的水槽，它们之间的连接管具有阻力，因此两者液位不同，图 见 P18 水槽 1 的动态平衡关系： 水槽 2 变化量极小时，水流出量与液位的关系近似为： 将上两式代入 2 并求微分后，经整理得到： 将上式代入 3 整理得 这样的控制对象叫做二阶被控对象 2.1.2 被控制地象的特性参数 描绘被控对象特性的参数有放大系数 K，时间常数 T 和滞后时间 T （1）放大系数 K 放大系数又称静态增益是被控重新达到平衡状态的办输出变化量与输入 变化量之比。 放大系数的几个一般性结论： 1 放大系数 K 表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡的性能，是不随时间变化的参数， K 是被控对象的静态特性参数

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 3页共15页 2在相输入变化量作用下,被控对象的K越大,输出变化量就越大,即输入地输出的影响 越大,被控对象的自身稳定性就越差;反之,K越小,被控对象的稳定性就越好。 线性对象:K在任何输入变化情况下都有是常灵敏的被控对象称为线性对象。 非线性对象:输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象称为非线性对象。] (2)时间常数 时间常数反映了被控对象受到输入作用后,输出变量达到新稳态值的快慢,它决定了整个动 态过程长短。它是被对象的动态特性参数。 处于不同通道的时间常数的对控制系统的影响是不一样的。加以分析理解 (3)滞后时间 滞后现象:被控对象受到输入变量作用后,其被控变量并不立即发生变化,而是过一段时 间方发生变化,这种现象叫滞后现象。 滞后时间性是描绘滞后现象的动态参数。根据滞后性质的不同可分为传递滞后和容光焕发量 滞后两种 传递滞后T:又叫纯滞后,是由于信号的传输,介质的输送或热的传递要经过一段时间而且 产生的常用T表示。 容量滞后T:一般是由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而且引起的,或者说是由 于容量数目多而产生的。一般用容量滞后时间T来表征其滞后的程度,其主要特征是当输 入阶跃作用后,被控对象的输出就是开始变化很慢,然后逐渐加快,接着又慢,直至逐渐接 近稳定值 容量滞后时间T就是在响应曲线的拐点处切线,切线与时间轴的交点。与被控变量开始变 化的起点之间的时间的隔就是容量滞后时间T 传递滞后和容量滞后的本质是不同的,但实际上很维区分,当两者同时存在时,通常反这 两种滞后时间加在一起,统称为滞后时间性,用T表示,即T=TT。分析并理解滞后时间 对窑通道,干扰通道的影响作用 2.1.3对象特性的实验测定 对象特性的两种求取方法:一种是从工艺过程的弯机理出发,写出各有关的平衡议程,进而 且领导出被控数学模型,得出其特性参数,再结合实际进行理论分析,就是所谓数学方法; 另一种是通过对被控对象实验测试求出其特性参数,即所谓的实验测定法。 在工程上常用实验方法测定对象的动态特性,原因如下:(3点) 1对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、化学反应、传热、吸引等特理化学基础理论来推导 求解,但由于具体对象的物理化学过程是复杂的,在数学推导过和中必须作许多假设和简化 推导的结果尚需实验测试来验证 2实际工业对象的机理很复杂,有时甚至很难用数学方法推导,这时只能用实验方法来测定 3有许多被控对象的特性在运行过程中会随工沉变化而且改变,或随其他因素而改变,为了 提高控制系统的品质,有时需采用直整定控制或直适应控制,这种系统就非得在这运行过程 中用实验主法测定对象的动态特性不可。 被控对象的实验测定法,就是给所要硏究的对象人为地输入一个扰动信号,然后测取被控 对象输出变量随时间的变化规律,得出一系列的实验数据或曲线,这些数数据和曲线就表征 不一定的被控对象特性 介绍两种常用的实验测定方法: (1)响应曲线法(阶跃响应曲线法) 响应曲线法就是用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下,其输出量随时间的变化规律 将测得的反应曲线转化成近似的数学表达式有三个步骤 1求纯滞后时间:从T时刻起到输出开始变化的这段时间,即输入变化而且输出不变的这段

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 3 页 共 15 页 2 在相输入变化量作用下，被控对象的 K 越大，输出变化量就越大，即输入 地输出 的影响 越大，被控对象的自身稳定性就越差；反之，K 越小，被控对象的稳定性就越好。 线性对象：K 在任何输入变化情况下都有是常灵敏的被控对象称为线性对象。 非线性对象：输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象称为非线性对象。] （2）时间常数 时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输出变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动 态过程长短。它是被对象的动态特性参数。 处于不同通道的时间常数的对控制系统的影响是不一样的。加以分析理解。 （3）滞后时间 滞后现象：被控对象受到输入变量作用后，其被控变量并不立即发生变化，而是过一段时 间方发生变化，这种现象叫滞后现象。 滞后时间性是描绘滞后现象的动态参数。根据滞后性质的不同可分为传递滞后和容光焕发量 滞后两种 传递滞后 T：又叫纯滞后，是由于信号的传输，介质的输送或热的传递要经过一段时间而且 产生的常用 T 表示。 容量滞后 T：一般是由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而且引起的，或者说是由 于容量数目多而产生的。 一般用容量滞后时间 T 来表征其滞后的程度，其主要特征是当输 入阶跃作用后，被控对象的输出就是开始变化很慢，然后逐渐加快，接着又慢，直至逐渐接 近稳定值。 容量滞后时间 T 就是在响应曲线的拐点处切线，切线与时间轴的交点。与被控变量开始变 化的起点之间的时间的隔就是容量滞后时间 T 传递滞后和容量滞后的本质是不同的，但实际上很维区分，当两者同时存在时，通常反这 两种滞后时间加在一起，统称为滞后时间性，用 T 表示，即 T=T+T。分析并理解滞后时间 对窑通道，干扰通道的影响作用。 2.1.3 对象特性的实验测定 对象特性的两种求取方法：一种是从工艺过程的弯机理出发，写出各有关的平衡议程，进而 且领导出被控数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理论分析，就是所谓数学方法； 另一种是通过对被控对象实验测试求出其特性参数，即所谓的实验测定法。 在工程上常用实验方法测定对象的动态特性，原因如下：（3 点） 1 对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、化学反应、传热、吸引等特理化学基础理论来推导 求解，但由于具体对象的物理化学过程是复杂的，在数学推导过和中必须作许多假设和简化， 推导的结果尚需实验测试来验证； 2 实际工业对象的机理很复杂，有时甚至很难用数学方法推导，这时只能用实验方法来测定； 3 有许多被控对象的特性在运行过程中会随工沉变化而且改变，或随其他因素而改变，为了 提高控制系统的品质，有时需采用直整定控制或直适应控制，这种系统就非得在这运行过程 中用实验主法测定对象的动态特性不可。 被控对象的实验测定法，就是给所要研究的对象人为地输入 一个扰动信号，然后测取被控 对象输出变量随时间的变化规律，得出一系列的实验数据或曲线，这些数数据和曲线就表征 不一定的被控对象特性。 介绍两种常用的实验测定方法： （1）响应曲线法（阶跃响应曲线法） 响应曲线法就是用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下，其输出量随时间的变化规律。 将测得的反应曲线转化成近似的数学表达式有三个步骤： 1 求纯滞后时间：从 T 时刻起到输出开始变化的这段时间，即输入变化而且输出不变的这段

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 4页共15页 时间为纯滞后时间 求静态放大倍数: 求时间常数T:在反应曲线上按到输出量变化在终值时的坐标点,它所对应的时刻与输出 量开始变化时刻之差就是时间常数T。 (2)脉冲的应法。(脉冲响应曲线法) 脉冲响应法就是用实验的方法测取对象在矩形脉搏冲办入信号作用下,其办出量随旱的变化 规律, 矩形脉冲响应曲线与阶跃响应曲线有着密切关系,可得矩形脉冲看作是T时刻的正向阶跃 信号懒惰T时刻的后向阶跃进信号-Ⅹ的组合信号,那么其响应曲线也就是这两条阶跃响应 曲线的合成曲线,即 根据这个关系,可轻易得到完整的脉冲响应曲线,从而求得对象的特性参数 理解矩形脉搏冲响应曲线法精度高,不影响正常和产的原因 此外,还有频域方法,即采用不同频率的正弦波和矩形波信号作为对象的输入信号束测取对 象的动态特性:统计方法,即直接利用对象正常运行状态到此为止的数据或对象在特殊信号 作用下的响应数据进行分析统计获得对象的动态特性。 22单回路控制系统 单回路控制系统又称简单控制系统,是指由一个被控对象,一个检测元件及变送器,一个调 节器和一个招待器所构成的闭合系统,优点包括:结构简单、易于分析设计,投资少、便于 施工,并能满足一般生产过程的控制要求 221单回路控制系统的设计 如何设计一个控制系统 设计一个控制系统,首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动态特性外,对于工艺 过程、设备等也需要比较深入的了解;在此基础上,确定正确的控制方案,包括合理地选择 被控变量和操纵变量,选择合适的检测变送元件及检测位置,迁用恰当的执行器,调节器以 及控制规律等;最后将调节器的参数整定到最佳值 (1)被控变量的选择 被控变量是对提高产品质量和产量、促进安全生产、提高劳动生产率、节能等到具有决定 作用的工艺变量。 选择的基本原则 作为被控变量,其信号最好是能够直接测量获得,并且测量和变送环节的滞后也要比较小 若被控变量信号无法直接获取,可选择与之有单值函数关系的间接奇数作为被控变量: 作为被控变量,必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定 作为被控变量,必须考虑工艺合理性,以及目前仪表的现状能否满足要求。 (2)操纵变量的选择 在控制系统中,用来克服干扰对被控变量的影响,实现控制作用的变量就是操纵变量。 操纵变量的选择主要应从工艺合理性及被控对象的特性方面考虑。 操纵变量的选择原则: 使被控对象控制通道的放大系数较大,时间常驻数较小,纯滞后时间越小越好;使被控对象 干扰通道的放大系数尽可能小,时间常数越大越好 (3)检测变送环节的影响 检测变送环节在控制系统中起着获取信息和传送信息的作用。一个控制系统如果不能正确及 时地获取被控变量变化信息,并把一信息及进地传送给予调节器,就不可能及时有效地克服 干扰对被控变量的影响,甚至会产生误、失调等危及生产安全的问题。 纯滞后,在过程控制中,由于检测元件安装位置的不适当将会产生纯滞后。纯滞后使测量信

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 4 页 共 15 页 时间为纯滞后时间。 求静态放大倍数： 求时间常数 T：在反应曲线上按到输出量变化在终值 时的坐标点，它所对应的时刻与输出 量开始变化时刻之差就是时间常数 T。 （2）脉冲的应法。（脉冲响应曲线法） 脉冲响应法就是用实验的方法测取对象在矩形脉搏冲办入信号作用下，其办出量随旱的变化 规律。 矩形脉冲响应曲线与阶跃响应曲线有着密切关系，可得矩形脉冲看作是 T 时刻的正向阶跃 信号懒惰 T 时刻的后向阶跃进信号-X 的组合信号，那么其响应曲线也就是这两条阶跃响应 曲线的合成曲线，即 。根据这个关系，可轻易得到完整的脉冲响应曲线，从而求得对象的特性参数。 理解矩形脉搏冲响应曲线法精度高，不影响正常和产的原因。 此外，还有频域方法，即采用不同频率的正弦波和矩形波信号作为对象的输入信号束测取对 象的动态特性；统计方法，即直接利用对象正常运行状态到此为止的数据或对象在特殊信号 作用下的响应数据进行分析统计获得对象的动态特性。 2.2 单回路控制系统 单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象，一个检测元件及变送器，一个调 节器和一个招待器所构成的闭合系统，优点包括：结构简单、易于分析设计，投资少、便于 施工，并能满足一般生产过程的控制要求。 2.2.1 单回路控制系统的设计 如何设计一个控制系统 设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动态特性外，对于工艺 过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择 被控变量和操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，迁用恰当的执行器，调节器以 及控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。 （1）被控变量的选择 被控变量是对提高产品质量和产量、促进安全生产、提高劳动生产率、节能等到具有决定 作用的工艺变量。 选择的基本原则： 作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小； 若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接奇数作为被控变量； 作为被控变量，必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定； 作为被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。 （2）操纵变量的选择 在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。 操纵变量的选择主要应从工艺合理性及被控对象的特性方面考虑。 操纵变量的选择原则： 使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常驻数较小，纯滞后时间越小越好；使被控对象 干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。 （3）检测变送环节的影响 检测变送环节在控制系统中起着获取信息和传送信息的作用。一个控制系统如果不能正确及 时地获取被控变量变化信息，并把一信息及进地传送给予调节器，就不可能及时有效地克服 干扰对被控变量的影响，甚至会产生误、失调等危及生产安全的问题。 纯滞后，在过程控制中，由于检测元件安装位置的不适当将会产生纯滞后。纯滞后使测量信

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 5页共15页 号不能及时地反映被控变量的实际值,从而降低了控制系统的控制质量 测量滞后勤是指由测量元件本身特性所引起的动态误差。当测量元件感受被控变量的变化 时,要经过一个过程,才能反映被控变量的实际值,这时测量元件本身就构成了一个具有 个时间常数的惯性环节。 克服测量滞后的两种方法:一是尽量选用快速测量元件,以测量元件的时间常数为被控对象 的时间常数的十分之一以下为宜;二是在测量元件之后引入微分作用,在调节器中加入微分 控制作用,使调节器在偏差产生的初期,根据偏差的变化趋势发生相应的控制信号。 传递滞后,即信号传输滞后,主要是由于气压信号在管路传送过程中引起的滞后 传递滞后总是存在的,克服减小信号传递滞后的方法有:尽量缩短气压信号管线的长度 般不超过300M:改用电信号传递,即先用气电转换器把调节器输出的气压信号变成电信 号,送到现场后,再用电气转换成气压信号送到执行器上:在气压管线上加气动继动器,或 在执行器上加气动阀门定位器,以增大输出功率,减少传递滞后的影响;等 (4)执行器的影响 执行器的作用是接受调节器送来的控制信号,改变操纵变量,从而实现生产过程的自动控制 执行器通常为调节阀,包括执行机构和阀两个部分 从广义对象的角度考虑,执行器可看作是被控对象的一部分,其动态特殊性相当于在被控对 象中增加了一个容量滞后环节。 222调节器的调节规律 调节器是控制系统的心脏。它的作是将测量变送信号与给予定值相比较产生偏差信号,然后 按一定运算规律产生输出信号,推动执行器,实现对生产过程的自动控制。调节规律是指调 节器的输出信号随输入信号变的规律。 四种基本调节规律:位式、比例、积分、微分。其中位式是断续调节,另三种均是连续调节 规律 (1)位式调节规律 双位调节是位式高节规律中最简单的形式。 理想的双位调节规律的数字表达式 双位调节器规律是一促典型的非线性调节规律,当测量值大于或小于给定值时,调节器的输 出达到最大或最小两个极限位置。 优点:位式调节结构简单,成本较低、使用方便,对配用的调节阀无任何特殊的要求 缺点:被控变量总在波动,控制量不髙,当被控对象纯滞后较大时,被控变量波动幅度较大 不宜用于控制要求稍高的场合 实际应用的双位调节器都有一个中间区域。只有当偏差达到一定数值时,调节器的输出才会 变,而在中间区内调节器的输出将取决于它原来的状态 中间区的出现还有另外两个原因:一个是婢机构都有不灵敏区,这时理想双位调节实际上具 有中间区的双位调节:二是采用双位调节的系统本身要求就不高,只要求被控变量在两个极 限值之间,这就是可用中间区的双位调节方案。 (2)比例调节规律(P) 比例放大系数在比例调节中,调节器的输出信号变化量与输入信号成比例关系 式中KP称为比例增益或比例放大倍数,在调节器中是可以改变的。 特点:比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例关系,因此比例控制具有控 制及时、克服偏差有力的特点。 在系统的平衡遭到破坏后,要建立新的平衡,这就要求调节器有输出作用。而要使调节器有 输出,就必须要有偏差存在,因此,比例控制必然有余差存在

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 5 页 共 15 页 号不能及时地反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。 测量滞后勤 是指由测量元件本身特性所引起的动态误差。当测量元件感受被控变量的变化 时，要经过一个过程，才能反映被控变量的实际值，这时测量元件本身就构成了一个具有一 个时间常数的惯性环节。 克服测量滞后的两种方法：一是尽量选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象 的时间常数的十分之一以下为宜；二是在测量元件之后引入微分作用，在调节器中加入微分 控制作用，使调节器在偏差产生的初期，根据偏差的变化趋势发生相应的控制信号。 传递滞后，即信号传输滞后，主要是由于气压信号在管路传送过程中引起的滞后。 传递滞后总是存在的，克服减小信号传递滞后的方法有：尽量缩短气压信号管线的长度，一 般不超过 300M；改用电信号传递，即先用气电转换器把调节器输出 的气压信号变成电信 号，送到现场后，再用电气转换成气压信号送到执行器上；在气压管线上加气动继动器，或 在执行器上加气动阀门定位器，以增大输出功率，减少传递滞后的影响；等 （4）执行器的影响 执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，改变操纵变量，从而实现生产过程的自动控制 执行器通常为调节阀，包括执行机构和阀两个部分。 从广义对象的角度考虑，执行器可看作是被控对象的一部分，其动态特殊性相当于在被控对 象中增加了一个容量滞后环节。 2.2.2 调节器的调节规律 调节器是控制系统的心脏。它的作是将测量变送信号与给予定值相比较产生偏差信号，然后 按一定运算规律产生输出信号，推动执行器，实现对生产过程的自动控制。调节规律是指调 节器的输出信号随输入信号变的规律。 四种基本调节规律：位式、比例、积分、微分。其中位式是断续调节，另三种均是连续调节 规律。 （1）位式调节规律 双位调节是位式高节规律中最简单的形式。 理想的双位调节规律的数字表达式： 双位调节器规律是一促典型的非线性调节规律，当测量值大于或小于给定值时，调节器的输 出达到最大或最小两个极限位置。 优点：位式调节结构简单，成本较低、使用方便，对配用的调节阀无任何特殊的要求 缺点：被控变量总在波动，控制量不高，当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大。 不宜用于控制要求稍高的场合。 实际应用的双位调节器都有一个中间区域。只有当偏差达到一定数值时，调节器的输出才会 变，而在中间区内调节器的输出将取决于它原来的状态。 中间区的出现还有另外两个原因：一个是婢机构都有不灵敏区，这时理想双位调节实际上具 有中间区的双位调节；二是采用双位调节的系统本身要求就不高，只要求被控变量在两个极 限值之间，这就是可用中间区的双位调节方案。 （2）比例调节规律（P） 比例放大系数 在比例调节中，调节器的输出信号变化量与输入信号成比例关系 式中 KP 称为比例增益或比例放大倍数，在调节器中是可以改变的。 特点：比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例关系，因此比例控制具有控 制及时、克服偏差有力的特点。 在系统的平衡遭到破坏后，要建立新的平衡，这就要求调节器有输出作用。而要使调节器有 输出，就必须要有偏差存在，因此，比例控制必然有余差存在

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 6页共15页 比例度:指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。用公式表示为 调节器的比例度可以理解为:要使输出信号作全范围的变化,输入信号必须改变全量程的百 分之几,即输入与输出的比例范围 比例度的数学表达式可改写为 由该式可看出:由于输入、输出信号都是统一标准信号的调节器,比例度与比例放大系数互 为倒数关系,即调节器的比例度越小,则比例放大系数越大,比例控制作用越强 比例度对过渡过程的影响 比例度对余差的影响:比例度越大,放大倍数越小,由于 要获得同样大小的 变化量所需的偏差就越大,因此在相同的干扰作用下,系统再次平衡是的余差就越大。反之 比例度越小,系统的余差也随之越小。 比例度对最大偏差、振荡周期的影响:相同大小的干扰下,调节器的比例度越小,则比例作 用越强,调节器的输出越大,使被控变量偏离给定值越小,被控变量被拉回到给定值所需的 时间越短。所以,比例度越小,最大偏差越小,振荡周期也越短,工作频率提高。 比例度对系统稳定性的影响:比例度越大,则调节器的输出变化越小,被控变量变化缓慢 过渡过程越平稳。随着比例度的减小,系统的稳定程度降低,其过渡过程逐渐从衰减振荡走 向临界振荡直至发散振荡 比例调节是最基本、最主要、应用最普遍的规律,它能较为迅速地克服干扰的影响,使系统 很快平稳下来。比例控制作用通常适用于干扰少、振动幅度小、负荷变化不大,滞后较小或 者控制精度要求不高的场合 比例积分调节规律(PD) 积分调节规律(I)}:在积分调节规律中,调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。 其数学表达式为 式中,为积分速度,为积分时间 对积分调节起来说,其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关,而且还取决于偏差 存在的时间的长短。只要有偏差,调节器的输出就不断变化,只有偏差为零,积分调节器的 输出信号才能相对稳定,积分控制作用是力图消除余差。 在幅值为A的阶跃偏差输入作用下,积分调节器的输出为 显然,该式是一条斜率为定值的直线,其斜率正比于调节器的积分速度。 纯积分控制的缺点在于它不像比例控制那样输出与输入保持同步,反应较快,而是其输出变 化总要滞后于偏差的变化。这样就不能及时有效地克服扰动的影响,其结果是加剧了被控变 量的波动,使系统难以稳定下来。 比例积分控制规律(P)是比例与积分两种控制规律的组合,其数学表述式为 PI规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起,因而在生产中得到了广 泛应用。 在幅值为A的阶跃偏差输入作用下,比例积分调节的输出可用数学表达式表示为: 在T=T时刻,因而且可将积分时间12定义为:在阶跃偏差输入作用下,调节器的输出达 到比例输出两倍的的经历的时间 积分时间表征出积分作用的强弱 积分时间对系统过渡过程的影响:在比例积分控制系统中,若保持调节的比例度不变,则积 分时间对过渡过程的影响具有双得性:随着积分时间性的减小,积分作用不断增强,在相同

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 6 页 共 15 页 比例度:指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。用公式表示为 调节器的比例度可以理解为：要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百 分之几，即输入与输出的比例范围。 比例度的数学表达式可改写为： 由该式可看出：由于输入、输出信号都是统一标准信号的调节器，比例度与比例放大系数互 为倒数关系，即调节器的比例度越小，则比例放大系数越大，比例控制作用越强。 比例度对过渡过程的影响 比例度对余差的影响：比例度越大，放大倍数越小，由于 要获得同样大小的 变化量所需的偏差就越大，因此在相同的干扰作用下，系统再次平衡是的余差就越大。反之， 比例度越小，系统的余差也随之越小。 比例度对最大偏差、振荡周期的影响：相同大小的干扰下，调节器的比例度越小，则比例作 用越强，调节器的输出越大，使被控变量偏离给定值越小，被控变量被拉回到给定值所需的 时间越短。所以，比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率提高。 比例度对系统稳定性的影响：比例度越大，则调节器的输出变化越小，被控变量变化缓慢， 过渡过程越平稳。随着比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走 向临界振荡直至发散振荡。 比例调节是最基本、最主要、应用最普遍的规律，它能较为迅速地克服干扰的影响，使系统 很快平稳下来。比例控制作用通常适用于干扰少、振动幅度小、负荷变化不大，滞后较小或 者控制精度要求不高的场合。 比例积分调节规律(PI) 积分调节规律(I)：在积分调节规律中，调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。 其数学表达式为 式中，为积分速度， 为积分时间。 对积分调节起来说，其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，而且还取决于偏差 存在的时间的长短。只要有偏差，调节器的输出就不断变化，只有偏差为零，积分调节器的 输出信号才能相对稳定，积分控制作用是力图消除余差。 在幅值为 A 的阶跃偏差输入作用下，积分调节器的输出为 显然，该式是一条斜率为定值的直线，其斜率正比于调节器的积分速度。 纯积分控制的缺点在于它不像比例控制那样输出与输入保持同步，反应较快，而是其输出变 化总要滞后于偏差的变化。这样就不能及时有效地克服扰动的影响，其结果是加剧了被控变 量的波动，使系统难以稳定下来。 比例积分控制规律(PI)是比例与积分两种控制规律的组合,其数学表述式为: PI 规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起,因而在生产中得到了广 泛应用。 在幅值为 A 的阶跃偏差输入作用下，比例积分调节的输出可用数学表达式表示为： 在 T=T 时刻， 因而且可将积分时间 T2 定义为：在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达 到比例输出两倍的的经历的时间。 积分时间表征出积分作用的强弱 积分时间对系统过渡过程的影响：在比例积分控制系统中，若保持调节的比例度不变，则积 分时间对过渡过程的影响具有双得性：随着积分时间性的减小，积分作用不断增强，在相同

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 7页共15页 的扰动作用下,调节器的输出增大,最大偏差减小,余差消除加快,但系统的振荡加剧,稳 定性下降,过小,还可能导致系统的不稳定。 积分作用的引入,一方面消除了系统的余差,而且另一方面却降低了系统的其他品质指标。 比例积分调节规律的适用性很强,在多数场合下均可采用。只是当被控对象的滞后很大时, 可能PI调节的时间较长;或者当负荷变化特别剧烈时,P调节不免及时,在这种情况下, 可再增加微分作用 (4)比例积分微分调节规律(PID) 对于惯性较大的被控对象,如果调节器能够根据被控变量的变化趋势来采取措施,而不要 等到被控变量已经出现较大偏差后才开始动作,那么调节的效果将会更好,等到于赋予了调 节器以某一种程度的预期见性,这种调节规律就是微分调节规律 微分调节规律(D)在微分调节中,调节器的输岀信号的变化量与输入偏差的速度成正比 其数学表达式为 式中T为微分时间 基在某一时刻T=I0输入一个阶跃变化的偏差信号节=A,则在此时刻调节器的输出为无穷 大,蓁时间输出为零,显然这一特性没有实用阶值,称为理想微分作用特性。 微分调节器的输出只与偏差的变化速度有关,而且与偏差的存在与否无关,即微分作用对 恒量不变的偏差是没有在克服能力的。因此,微分调节不能单独使用。实际上,微分控制总 是与比例控制或比例积分控制组合使用。 比例微分控制规律(PD)是比例与微分两种控制规律的组合,其数学表达式为: 在阶跃偏差输入下,其开环输出特性如上图,但严格按上数学表达式动作的调节器在物理上 是不能实现的。工业上采用的PD调节规律是比例作用与近似微分作用的组合,当输入偏 差的幅值为A的阶跃信号时,比例微分的输出特性曲线如下图,其数学表达式如下: 式中,K称为微分增益。一般 实际比例微分的特性曲线 当T=时有 即在时刻表,PD调节器的输出从跃变脉冲的顶点下降到微分作用者分最大输出的 632%,令T=,则T的K倍就是微分时间T利用晕个关系,可通过实验来测定微分时间T 由于微分作用总是力图阴止被控变量的任何变化,所以适当的微分作用不着有制振荡的效 果。基微分作用选择适当,将有利于提高系统的稳定性:若微分作用过强,即微分时间T 过大,反而且不利于系统的稳定,工业用调节器的微分时间可在一定范围内进行调整。 微分时间对过渡过程的影响在比例微分控制系统中,若保持调节器的比例度不变,微分 时间对过渡过程的影响如图所示。对三条曲线加以分析、理解 比例积分微分控制规律(PID) 理想的PID调节规律的数学表达式为 上述的调节器在物理学上是无法实现的。工业上实际彩的PID调节器如DDZ调节器其传递 函数为 其中 式中带*的量为调节器参数的实际值,不带*的值勤为各参数的刻度值,F为相互干扰系数:

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 7 页 共 15 页 的扰动作用下，调节器的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但系统的振荡加剧，稳 定性下降，TI 过小，还可能导致系统的不稳定。 积分作用的引入，一方面消除了系统的余差，而且另一方面却降低了系统的其他品质指标。 比例积分调节规律的适用性很强，在多数场合下均可采用。只是当被控对象的滞后很大时， 可能 PI 调节的时间较长；或者当负荷变化特别剧烈时，PI 调节不免及时，在这种情况下， 可再增加微分作用。 （4）比例积分微分调节规律（PID） 对于惯性较大的被控对象，如果调节器能够根据被控变量的变化趋势来采取措施，而不要 等到被控变量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等到于赋予了调 节器以某一种程度的预期见性，这种调节规律就是微分调节规律。 微分调节规律（D）在微分调节中，调节器的输出信号的变化量与输入 偏差的速度成正比。 其数学表达式为： 式中 T 为微分时间 基在某一时刻 T=T0 输入一个阶跃变化的偏差信号节=A，则在此时刻调节器的输出为无穷 大，蓁时间输出为零，显然这一特性没有实用阶值，称为理想微分作用特性。 微分调节器的输出只与偏差的变化速度有关，而且与偏差的存在与否无关，即微分作用对 恒量不变的偏差是没有在克服能力的。因此，微分调节不能单独使用。实际上，微分控制总 是与比例控制或比例积分控制组合使用。 比例微分控制规律（PD）是比例与微分两种控制规律的组合，其数学表达式为： 在阶跃偏差输入下，其开环输出特性如上图，但严格按上数学表达式动作的调节器在物理上 是不能实现的。工业上采用的 PD 调节规律是比例作用与近似微分作用的组合，当输入偏 差 的幅值为 A 的阶跃信号时，比例微分的输出 特性曲线如下图，其数学表达式如下： 式中，K 称为微分增益。一般 实际比例微分的特性曲线 当 T= 时有 即在时刻表 ，PD 调节器的输出 从跃变脉冲的顶点下降到微分作用者分最大输出 的 63.2%，令 T= ，则 T 的 K 倍就是微分时间 T 利用晕个关系，可通过实验来测定微分时间 T。 由于微分作用总是力图阴止被控变量的任何变化，所以适当的微分作用不着有制振荡的效 果。基微分作用选择适当，将有利于提高系统的稳定性；若微分作用过强，即微分时间 T 过大，反而且不利于系统的稳定，工业用调节器的微分时间可在一定范围内进行调整。 微分时间对过渡过程的影响 在比例微分控制系统中，若保持调节器的比例度不变，微分 时间对过渡过程的影响如图所示。对三条曲线加以分析、理解。 比例积分微分控制规律（PID） 理想的 PID 调节规律的数学表达式为 上述的调节器在物理学上是无法实现的。工业上实际彩的 PID 调节器如 DDZ 调节器其传递 函数为： 其中 式中带*的量为调节器参数的实际值，不带*的值勤为各参数的刻度值，F 为相互干扰系数；

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 8页共15页 K为积分增益 在PID调节器中,比例、积分和微分作用取长补短。互相配合。如果比例度,积分时间、 微分时间这三个参数整定适当,就可达到较高的控制质量,因此PID调节器的适应性较强, 应用也较为普遍 (5)调节规律的的选取 胜选择调节器调节规律时应根据对象特性、负荷变化,主要扰动和控制要求等具体情况, 同时还应考虑系统的经注性及及系统投入方便等。关于控制规律的选取可归纳为如下几点 简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象,如果负荷变化较大,无论选择那种调 节规律,简单控制系统都有很难得到满意的控制质量,此时鹫在设计选取用复杂控制系统 在一般的控制系统中,比例控制是必不可少的,当广义对象控制通道时间常数较小,负荷 变化较小,而且工艺要求不高时,可选择单纯的比例调节规律,如贮罐液位,不太重要的压 力参数的控制 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时,应引入微分作用。如工艺允许有余差, 可选取比例微分调节规律,如温度成份、PH值等参数的控制。 如果被控对象传递函数用不着近似,则可根据对象的可控比选择调节器的调节规律。 当时,选择比例或比例积分规律;当时,选择比例微分或比例积分微分调节干什么;当 时,采用简单控制系统往生育不能满足控制要求,这时,应选用复杂控制系统。 22.3调节器参数的工程整定 通过改变调节器的比例度,积分时间隔和微分时间应酬可改变整个控制系统的性能,获得 较好的过渡过程和控制质量,调节器参数整定的目的就是按照已定的按制系统,求取控制系 统质量最好的调节参数。 调节器参数整定方法有很多种,通常呆分为两大类:工程整定法与理论计算整定法 根轨迹法、频率响应法、偏差积分准则(ISE,IAE或IIAE)等方法都属于理论计算整定法。 这些方法的共同特点是:必须知道被控对象的特性,然后通过理论计算求取调节器的最佳参 数 工程整定法,就是避开被控对象的特性和数学描述,在被控对象运行时,直接在控制系统中 通过改变调节器参数,观察被控变量的过渡过程,来求取调节器参数的最佳数值。 常用的工程整定方法有三种: (1)经验试凑法 经验试凑法就是根据被控变量的性质,在已知合适的参数(经验参数)范围内选择一组适当 的值作为调节器当前的参数值,然后直接在运行的系统中,人为地加上阶跃干扰,通过观察 记录仪表上的过渡过程曲线,并以比例度、积分时间、微分时间对过渡过程的影响为指导, 按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小,直到获得满意的过渡过程曲线 温度系统:其对象容量滞后较大,被控变量受干扰后变化迟缓,一般选用较小的比例度,较 大的积分时间,同时要加入微分作用,微分时间是积分时间的四分之一。 流量系统:是典型的快速系统,对象的容量值后效,被控变量有波动。对于这种过程,不用 微分作用,宜用PI调节规律,且比例度要大,积分时间可小 压力系统:通常为快速系统,对象的容量滞后一般较小,其参数的整定原则与流量系统的整 定原则相同。但在某些情况下,压力系统也会成为慢速系统,这类系统的参数整定原则按照 典型的温度系统 液位系统:其对象时间常数范围较大,对只需要实现平均液位控制的地方,宜用纯比例控制, 比例度要大,一般不用微分作用,要求较高时应加入积分作用。 经验试凑法简单可靠,容易掌握,适于各种系统。特别是对于外界干扰作用较频繁的系统, 采用这种方法更为合适。但其缺点是对于调节器参数较多的情况,不易找到最好的整定参数

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 8 页 共 15 页 K 为积分增益。 在 PID 调节器中，比例、积分和微分作用取长补短。互相配合。如果比例度，积分时间、 微分时间这三个参数整定适当，就可达到较高的控制质量，因此 PID 调节器的适应性较强， 应用也较为普遍。 （5）调节规律的的选取 胜 选择调节器调节规律时应根据对象特性、负荷变化，主要扰动和控制要求等具体情况， 同时还应考虑系统的经注性及及系统投入方便等。关于控制规律的选取可归纳为如下几点： 简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择那种调 节规律，简单控制系统都有很难得到满意的控制质量，此时鹫在设计选取用复杂控制系统。 在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的，当广义对象控制通道时间常数较小，负荷 变化较小，而且工艺要求不高时，可选择单纯的比例调节规律，如贮罐液位，不太重要的压 力参数的控制。 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。如工艺允许有余差， 可选取比例微分调节规律，如温度成份、PH 值等参数的控制。 如果被控对象传递函数用不着 近似，则可根据对象的可控比 选择调节器的调节规律。 当 时，选择比例或比例积分规律； 当 时，选择比例微分或比例积分微分调节干什么； 当 时，采用简单控制系统往生育不能满足控制要求，这时，应选用复杂控制系统。 2.2.3 调节器参数的工程整定 通过改变调节器的比例度，积分时间隔和微分时间 应酬可改变整个控制系统的性能，获得 较好的过渡过程和控制质量，调节器参数整定的目的就是按照已定的按制系统，求取控制系 统质量最好的调节参数。 调节器参数整定方法有很多种，通常呆分为两大类：工程整定法与理论计算整定法 根轨迹法、频率响应法、偏差积分准则（ISE,IAE 或 ITAE）等方法都属于理论计算整定法。 这些方法的共同特点是：必须知道被控对象的特性，然后通过理论计算求取调节器的最佳参 数。 工程整定法，就是避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，直接在控制系统中 通过改变调节器参数，观察被控变量的过渡过程，来求取调节器参数的最佳数值。 常用的工程整定方法有三种： （1）经验试凑法 经验试凑法就是根据被控变量的性质，在已知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当 的值作为调节器当前的参数值，然后直接在运行的系统中，人为地加上阶跃干扰，通过观察 记录仪表上的过渡过程曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过渡过程的影响为指导， 按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过渡过程曲线。 温度系统：其对象容量滞后较大，被控变量受干扰后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较 大的积分时间，同时要加入微分作用，微分时间是积分时间的四分之一。 流量系统：是典型的快速系统，对象的容量值后效，被控变量有波动。对于这种过程，不用 微分作用，宜用 PI 调节规律，且比例度要大，积分时间可小。 压力系统：通常为快速系统，对象的容量滞后一般较小，其参数的整定原则与流量系统的整 定原则相同。但在某些情况下，压力系统也会成为慢速系统，这类系统的参数整定原则按照 典型的温度系统。 液位系统：其对象时间常数范围较大，对只需要实现平均液位控制的地方，宜用纯比例控制， 比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时应加入积分作用。 经验试凑法简单可靠，容易掌握，适于各种系统。特别是对于外界干扰作用较频繁的系统， 采用这种方法更为合适。但其缺点是对于调节器参数较多的情况，不易找到最好的整定参数

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 9页共15页 (2)临界比例度法 临界比例度法又称为 Ziegler- Nichols方法。早在1942年就已提出,它首先求取在纯比例作 用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度和振荡周期。然后,根据经验公式计算相应的调 节器参数。通常将等幅振荡下的比例度和振荡周期称为临界比例度和临界周期。临界比例度 法便于使用,而且大多数控制中能得到较好的控制品质。 临界比例度法整定的具体步骤:首先将调节器的积分作用和微分作用全部除去,在纯比例的 情况下,按比例度从大到小的变化规律,对应于某一比例度值作小幅度的设定值阶跃干扰, 直到获得等幅振荡过程曲线 使用临界比例度法整定调节器参数有两个条件:一是工艺允许被控变量做等幅振荡:二是在 获取等幅振荡曲线时,应特别注意,不能使控制阀出现全关、全开的极限状态。否则由此获 得的等幅振荡实际上是“极限循环”,从线性系统概念上说系统早已发散了 (3)衰减曲线法 衰减曲线法与临界比例度法的唯一差异仅在于前者是在纯比例下获得4:1衰减振荡曲线为 参数整定的依据。衰减曲线法整定参数的具体操作步骤与临界比例度法相同,但只需获得4: 1衰减振荡过程曲线即可,记下此时的比例度,并在4:1曲线上求得振荡周期,然后根据 下表给出的经验公式,求出相应的比例度、积分时间和微分时间 该经验公式适用于多数系统。当调节器参数调整到计算滞后,如果过渡过程仍不够理想,则 可根据曲线振荡的情况,对调节器参数再做适当调整 优缺点:该方法简单、可靠而且整定的质量较高,目前得到了广泛的应用。但这种方法要适 用于干扰较小的系统。另外,设定值信号的干扰幅度不应超出工艺允许的范围。 2.3复杂控制系统 复杂控制系统根据其开发目的的差民,可将其分为两类 为提高响应曲线的性能指标而开发的控系统开发这类系统的目的主要是企业图茶得比单 回路PID控制更优越的过渡质量如串级控制系统前馈控制系统等 按某些特殊目的而开发的控制系编印。这是为满足不同的化工生工艺。操作方式,及至特 殊的控制性能指标而开发的控制系统,如比值控制系统,分程控制系统等。 2.3.1串级控制系统 以加热炉为例说明串级控制系统 (1)串级控制的基本原理 管式加热炉是炼汕化工生产中重要装置之一,它的任务是把原油或重油加热到一定温度,以 保证下一道工序(分解或裂解)的顺利时行 工艺流程:燃料径蒸汽雾化后在炉膛中燃烧,被加热油料流过炉膛四周的排管后,就被加热到 出口温度T燃料油管道上装设了一个调节阀用它束控制燃油量,达到控制被加热油料出口温 度的目的。 管式加热炉出口温度控系统被加热油料的流量和温度扰动D: 燃料油压力的波动,热值的变化D2,喷油用的过热蒸汽压力的波动:配风,炉膛漏风 和大气温度方面的扰动D4等 简单控制特性:控制通道容量滞后大、时间常数大、最大偏听偏信差大、过渡时间长、抗 干扰能力差,控制精度低 串级控制系统(油糕点和温度控制)的控制方法:根据炉膛温度的变化,先调节燃油量(迅 速实现“粗调”作用),然后再根据被加热油料岀口温度与给定值之间的偏差,进一步调节燃

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 9 页 共 15 页 （2）临界比例度法 临界比例度法又称为 Ziegler-Nichols 方法。早在 1942 年就已提出，它首先求取在纯比例作 用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度和振荡周期。然后，根据经验公式计算相应的调 节器参数。通常将等幅振荡下的比例度和振荡周期称为临界比例度和临界周期。临界比例度 法便于使用，而且大多数控制中能得到较好的控制品质。 临界比例度法整定的具体步骤：首先将调节器的积分作用和微分作用全部除去，在纯比例的 情况下，按比例度从大到小的变化规律，对应于某一比例度值作小幅度的设定值阶跃干扰， 直到获得等幅振荡过程曲线。 使用临界比例度法整定调节器参数有两个条件：一是工艺允许被控变量做等幅振荡；二是在 获取等幅振荡曲线时，应特别注意，不能使控制阀出现全关、全开的极限状态。否则由此获 得的等幅振荡实际上是“极限循环”，从线性系统概念上说系统早已发散了。 （3）衰减曲线法 衰减曲线法与临界比例度法的唯一差异仅在于前者是在纯比例下获得 4：1 衰减振荡曲线为 参数整定的依据。衰减曲线法整定参数的具体操作步骤与临界比例度法相同，但只需获得 4： 1 衰减振荡过程曲线即可，记下此时的比例度，并在 4：1 曲线上求得振荡周期，然后根据 下表给出的经验公式，求出相应的比例度、积分时间和微分时间。 该经验公式适用于多数系统。当调节器参数调整到计算滞后，如果过渡过程仍不够理想，则 可根据曲线振荡的情况，对调节器参数再做适当调整。 优缺点：该方法简单、可靠而且整定的质量较高，目前得到了广泛的应用。但这种方法要适 用于干扰较小的系统。另外，设定值信号的干扰幅度不应超出工艺允许的范围。 2.3 复杂控制系统 复杂控制系统根据其开发目的的差民,可将其分为两类: 为提高响应曲线的性能指标而开发的控系统. 开发这类系统的目的主要是企业图荼得比单 回路 PID 控制更优越的过渡质量,如串级控制系统,前馈控制系统等。 按某些特殊目的而开发的控制系编印。这是为满足不同的化工生工艺。操作方式，及至特 殊的控制性能指标而开发的控制系统，如比值控制系统，分程控制系统等。 2.3.1 串级控制系统 以加热炉为例说明串级控制系统 (1)串级控制的基本原理 管式加热炉是炼汕化工生产中重要装置之一,它的任务是把原油或重油加热到一定温度, 以 保证下一道工序(分解或裂解)的顺利时行. 工艺流程:燃料径蒸汽雾化后在炉膛中燃烧,被加热油料流过炉膛四周的排管后,就被加热到 出口温度 T.燃料油管道上装设了一个调节阀,用它束控制燃油量,达到控制被加热油料出口温 度的目的。 管式加热炉出口温度控系统 被加热油料的流量和温度扰动 D； 燃料油压力的波动，热值的变化 D2，喷油用的过热蒸汽压力的波动 ；配风，炉膛漏风 和大气温度方面的扰动 D4 等。 简单控制特性：控制通道容量滞后大、时间常数大、最大偏听偏信差大、过渡时间长、抗 干扰能力差，控制精度低。 串级控制系统（油糕点和温度控制）的控制方法：根据炉膛温度的变化，先调节燃油量（迅 速实现“粗调”作用），然后再根据被加热油料出口温度与给定值之间的偏差，进一步调节燃

过程装备控制技术及应用教案 第二章过程装备控制基础 第10页共15页 料油量(实现“细调”)以保持出口温度稳定 加热炉出口温度串细控制系统方框图 工艺流程:物料自顶部连续进行入槽中,经反应后从底部抻出。反应产生的热量由冷却夹套 中的冷却水带走。被控对象具有三个热容积:求套中的冷却水。槽壁和槽中的物料。 连续槽反应器的温度控制 反应器简单温度控制系统 简单控制系统由于热容积多,反应缓慢,无法满足工艺上对反应温度T的控制。 串级控级系统引起温度变化的扰动因素:在物料方面有它的流量放口温度和物料的化学组分 器:在冷却水落石出方面有它的入口温度以及调节阀前的压力 通用串级控制系统 串级控制系统由两套检测变送器、两个调节器、两个被控对象和一一个调节阀组成,其中两 个调节阀串联起来工作,前一个调节器的输出入作后一个调节器的给定值,后一个调节器 的输出才送往调节阀。 串级控制系统与简单控制系统的最著压别是它在结构上形成两个闭环。一个闭环在里面, 称为副环或副回环,在控制过程中起着“粗调”的作用。一个闭环在外面,称为主环或主回环 用来完成“细调”任务,以保证被控变量满足工艺要求。 串级控制系统中常用各同和术语: 主变量——称主变量,使它保持平衡是控制的主要目标。 副变量——称副变量,它是被控变量对象中引出的中间变量 主对象——主变量与副变量之间的通道特性 副控制器——接受副变量的偏差,其输出去操纵阀门。 主控制器——接受主变量的偏差,其输出去改变副控制器的设定值 副回路——处于串级控制系统内部的,由副变量检测变送器、副控制器、调节阀门、副对象 组成的回路 主回路——若将副回路看成一个以主控制器输出为输入,副变量为输出的等到效环 节,则串级系统转化为一个单回路,称这个单回路为主回路。 (2)串给控制系统的主要特点及其应用场合 能迅速克服进入副回路的干扰 能改善被控对象的特性,提高系统克服干扰的能力。 主回路对副对象具有棒性,提高了系统的控制精度。 凡是可利用上述特点之一来提高系统的控制品质的场合,都可以采用串给控制系统,特别 是在被子控对象的容量滞后大、干扰强、要求高的场合,采用串级控制可以获得明显的效果 2.3.2前馈控制系统 反馈控制系统优缺点 优点:针对干扰无特殊性要求 缺点:控制不及时和不稳定(加以理解) (1)前馈控制的基本原理 前馈控制又称扰动补偿,它是一种与反馈控制原理完全不同的控制方法。前馈控制的基本 概念是测量进入过程的干扰(包括外界干扰和设定值变化)并按其信号产生合适的控制作用

过程装备控制技术及应用教案 第二章 过程装备控制基础 第 10 页 共 15 页 料油量（实现“细调”）以保持出口温度稳定。 加热炉出口温度串细控制系统方框图 工艺流程：物料自顶部连续进行入槽中，经反应后从底部抻出。反应产生的热量由冷却夹套 中的冷却水带走。被控对象具有三个热容积：求套中的冷却水。槽壁和槽中的物料。 连续槽反应器的温度控制。 反应器简单温度控制系统 简单控制系统由于热容积多，反应缓慢，无法满足工艺上对反应温度 T 的控制。 串级控级系统引起温度变化的扰动因素：在物料方面有它的流量放口温度和物料的化学组分 器；在冷却水落石出方面有它的入口温度以及调节阀前的压力。 通用串级控制系统 串级控制系统由两套检测变送器、两个调节器、两个被控对象和一一个调节阀组成，其中两 个调节阀串联起来 工作，前一个调节器的输出入作后一个调节器的给定值，后一个调节器 的输出才送往调节阀。 串级控制系统与简单控制系统的最著压别是它在结构上形成两个闭环。一个闭环在里面， 称为副环或副回环，在控制过程中起着“粗调”的作用。一个闭环在外面，称为主环或主回环， 用来完成“细调”任务，以保证被控变量满足工艺要求。 串级控制系统中常用各同和术语： 主变量—— 称主变量，使它保持平衡是控制的主要目标。 副变量—— 称副变量，它是被控变量对象中引出的中间变量。 主对象——主变量与副变量之间的通道特性。 副控制器——接受副变量的偏差，其输出去操纵阀门。 主控制器——接受主变量的偏差，其输出去改变副控制器的设定值。 副回路——处于串级控制系统内部的，由副变量检测变送器、副控制器、调节阀门、副对象 组成的回路。 主回路——若将副回路看成一个以主控制器输出 为输入， 副变量 为输出的等到效环 节，，则串级系统转化为一个单回路，称这个单回路为主回路。 （2）串给控制系统的主要特点及其应用场合 能迅速克服进入副回路的干扰 能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力。 主回路对副对象具有 棒性，提高了系统的控制精度。 凡是可利用上述特点之一来提高系统的控制品质的场合，都可以采用串给控制系统，特别 是在被子控对象的容量滞后大、干扰强、要求高的场合，采用串级控制可以获得明显的效果。 2.3.2 前馈控制系统 反馈控制系统优缺点 优点：针对干扰无特殊性要求 缺点：控制不及时和不稳定（加以理解） （1）前馈控制的基本原理 前馈控制又称扰动补偿，它是一种与反馈控制原理完全不同的控制方法。前馈控制的基本 概念是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化）并按其信号产生合适的控制作用