1、第五章第五章 單回路控制系統設計單回路控制系統設計第一節第一節 控制系統設計概述控制系統設計概述第二節第二節 單回路控制系統方案設計單回路控制系統方案設計 第一節第一節 過程控制系統設計概述過程控制系統設計概述單回路控制系統是指只有一個測量變送器、一個調節器、一單回路控制系統是指只有一個測量變送器、一個調節器、一個調節閥連同被控過程，對一個被控參數進行控制的反饋閉個調節閥連同被控過程，對一個被控參數進行控制的反饋閉環控制系統，如圖環控制系統，如圖51所示。所示。W(s)Wv(s)W0(s)Wm(s)F(s)Y(s)Z(s)X(s) W(s)調節器的傳遞函數調節器的傳遞函數 WV(s)調節閥的傳

2、遞函數調節閥的傳遞函數 Wo(s)被控過程的傳遞函數被控過程的傳遞函數 Wm(s)測量變送器的傳遞函數測量變送器的傳遞函數一、對過程控制系統設計的一般要求一、對過程控制系統設計的一般要求基本要求：過程控制系統必須是穩定的。系統還必須具有適基本要求：過程控制系統必須是穩定的。系統還必須具有適當的穩定裕量。當的穩定裕量。其次：系統應是一個衰減振蕩過程（特殊生產要求例外），其次：系統應是一個衰減振蕩過程（特殊生產要求例外），但過渡過程時間要短，余差（穩態誤差）要小等。但過渡過程時間要短，余差（穩態誤差）要小等。 二、總體設計與系統布局的關系二、總體設計與系統布局的關系從整個生產工藝過程的自動化考慮，

3、所設置的過程控制系統從整個生產工藝過程的自動化考慮，所設置的過程控制系統應該包含產品質量控制，物料或能量控制，限制條件控制等，應該包含產品質量控制，物料或能量控制，限制條件控制等，以全局的設計方法來正確處理整個系統的布局，統籌兼顧。以全局的設計方法來正確處理整個系統的布局，統籌兼顧。過程控制系統設計和應用的兩個重要內容：過程控制系統設計和應用的兩個重要內容： 控制方案的設計和調節器整定參數值的確定。控制方案的設計和調節器整定參數值的確定。三、過程特性，工藝要求與控制方案三、過程特性，工藝要求與控制方案 過程控制系統的品質是由組成系統的結構和各個環過程控制系統的品質是由組成系統的結構和各個環節的

4、特性所決定的。其中過程檢測控制儀表的特性在其節的特性所決定的。其中過程檢測控制儀表的特性在其設計制造時就已人為確定，調節器的特性可隨意調整，設計制造時就已人為確定，調節器的特性可隨意調整，以滿足不同被控過程和控制的要求，而以滿足不同被控過程和控制的要求，而比較復雜，在設計過程控制系統時必須加以深比較復雜，在設計過程控制系統時必須加以深入研究。入研究。 由于過程特性不同，過程控制系統設計在于適應這由于過程特性不同，過程控制系統設計在于適應這些不同特點，以確定控制方案與調節器的設計或選型，些不同特點，以確定控制方案與調節器的設計或選型，以及調節器整定參數的計算確定，這些都是以過程特性以及調節器整定

5、參數的計算確定，這些都是以過程特性為依據的。根據過程特性、擾動情況以及限制條件等運為依據的。根據過程特性、擾動情況以及限制條件等運用控制理論和控制技術才能設計一個工藝上合理的正確用控制理論和控制技術才能設計一個工藝上合理的正確控制方案。控制方案。四、過程控制系統設計的基本方法四、過程控制系統設計的基本方法過程控制系統是由被控過程和過程檢測控制儀表組成。過程控制系統是由被控過程和過程檢測控制儀表組成。1）在很多場合，先給定被控過程，然后再進行系統設）在很多場合，先給定被控過程，然后再進行系統設計。即過程模型是已知的，要求設計系統的其他部分。計。即過程模型是已知的，要求設計系統的其他部分。2）正確

6、選擇過程檢測控制儀表，保證過程控制系統的）正確選擇過程檢測控制儀表，保證過程控制系統的品質指標。品質指標。3）由用戶或被控過程的設計制造單位提出系統的性能）由用戶或被控過程的設計制造單位提出系統的性能指標。性能指標的提出要有根據，決不能脫離實際。指標。性能指標的提出要有根據，決不能脫離實際。4）系統控制方案的設計和調節參數的整定是過程控制）系統控制方案的設計和調節參數的整定是過程控制系統設計的兩個最重要內容。通常采用反饋控制和復合系統設計的兩個最重要內容。通常采用反饋控制和復合控制。控制。5）組成上述控制系統后，還需進行綜合校正，即參數）組成上述控制系統后，還需進行綜合校正，即參數整定。整定。

7、五、過程控制系統設計步驟五、過程控制系統設計步驟大體需要經過以下幾個步驟：大體需要經過以下幾個步驟： 1建立被控過程的數學模型建立被控過程的數學模型 2 選擇控制方案選擇控制方案 3 建立系統方框圖建立系統方框圖 4進行系統靜態、動態特性分析計算進行系統靜態、動態特性分析計算 5實驗和仿真實驗和仿真六、過程控制系統設計的主要內容六、過程控制系統設計的主要內容1.1.系統的方案設計：如反饋控制、復合控制等系統的方案設計：如反饋控制、復合控制等2.2.工程設計：儀表選型、控制室和儀表盤設計、儀表供電供工程設計：儀表選型、控制室和儀表盤設計、儀表供電供氣系統設計、信號及聯鎖保護系統設計等。氣系統設計

8、、信號及聯鎖保護系統設計等。3.3.工程安裝和儀表調校：每臺儀表的單校、每個控制回路進工程安裝和儀表調校：每臺儀表的單校、每個控制回路進行聯校。行聯校。4.4.調節器參數整定：調節器參數整定： 在控制方案設計正確的前提下，保證系在控制方案設計正確的前提下，保證系統運行在最佳狀態。統運行在最佳狀態。七、系統設計中的若干問題七、系統設計中的若干問題1、測量信號校正：保證測量精度。例：發電廠過熱蒸汽流、測量信號校正：保證測量精度。例：發電廠過熱蒸汽流量測量中進行信號壓力和溫度校正（補償）。量測量中進行信號壓力和溫度校正（補償）。2、測量信號噪聲（擾動）的抑制：某些參數常具有隨機波、測量信號噪聲（擾動

9、）的抑制：某些參數常具有隨機波動特性，若測量元件變送器的阻尼較小時，其噪聲會疊加動特性，若測量元件變送器的阻尼較小時，其噪聲會疊加在測量信號中。例：測量流量要加阻尼器來抑制噪聲。在測量信號中。例：測量流量要加阻尼器來抑制噪聲。3、對測量信號進行線性化處理：通常在儀表內考慮。、對測量信號進行線性化處理：通常在儀表內考慮。4、系統安全保護對策。、系統安全保護對策。八、微機過程控制系統設計應用中的有關問題八、微機過程控制系統設計應用中的有關問題對于微機過程控制系統的設計應用，除了注意上述問題外，還需對于微機過程控制系統的設計應用，除了注意上述問題外，還需注意輸入信號的數字濾波、采樣周期的選取等問題注

10、意輸入信號的數字濾波、采樣周期的選取等問題 第二節第二節 單回路控制系統方案設計單回路控制系統方案設計基本原則：包括合理選擇被控參數和控制參數，信息的基本原則：包括合理選擇被控參數和控制參數，信息的獲取和變送、調節閥的選擇、調節器控制規律及其正、獲取和變送、調節閥的選擇、調節器控制規律及其正、反作用方式的確定等。反作用方式的確定等。 一、被控參數的選擇一、被控參數的選擇選取被控參數的一般原則為：選取被控參數的一般原則為：選擇對產品的產量和質量、安全生產、經濟運行和環境保選擇對產品的產量和質量、安全生產、經濟運行和環境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數為被控參數。護具有決定性作用的、可直

11、接測量的工藝參數為被控參數。當不能用直接參數作為被控參數時，應該選擇一個與直接當不能用直接參數作為被控參數時，應該選擇一個與直接參數有單值函數關系的間接參數作為被控參數。例：精餾塔參數有單值函數關系的間接參數作為被控參數。例：精餾塔被控參數必須具有足夠大的靈敏度。被控參數必須具有足夠大的靈敏度。被控參數的選取，必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表被控參數的選取，必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。的性能。二、控制參數的選擇二、控制參數的選擇即正確地選擇控制通道：要求控制通道克服擾動的校正能即正確地選擇控制通道：要求控制通道克服擾動的校正能力要強，動態響應比擾動通道快。力要強，動態響應比擾動

12、通道快。設單回路控制系統的框圖如圖設單回路控制系統的框圖如圖5-2所示。所示。Wf(s)W(s)Wo(s)F(s)Y(s)X(s)Wf(s)W(s)Wo(s)F(s) Y(s)圖中圖中W(s)為調節器的傳遞函數；為調節器的傳遞函數；W0(s)為控制通道的傳遞為控制通道的傳遞函數；函數；Wf(s)為擾動通道的傳遞函數。并設：為擾動通道的傳遞函數。并設： 1)(1)()(000sTKsWsTKsWKsWfffC被控量被控量Y(s)對擾動對擾動F(s)的閉環傳遞函數為的閉環傳遞函數為) 1() 1)(1() 1()()(000sTKKsTsTKsTsFsYfCff由于系統是穩定的，在階躍擾動作用下，

13、系統穩態由于系統是穩定的，在階躍擾動作用下，系統穩態值可應用終值定理求得值可應用終值定理求得CffCofofstKKKsTKKsTsTssTKstYY0001)1() 1)(1() 1(lim)(lim)(可見可見: :(1)(1)擾動通道靜態放大系數擾動通道靜態放大系數K Kf f愈大，則系統的穩態誤差也愈大；愈大，則系統的穩態誤差也愈大；(2)(2) 控制通道的靜態放大系數控制通道的靜態放大系數Ko愈大，則控制作用愈靈敏，愈大，則控制作用愈靈敏，克服擾動的能力愈強。但克服擾動的能力愈強。但Ko與與KC的乘積應為常數，的乘積應為常數， Ko的大的大小可以通過調節小可以通過調節KC來補償。總之

14、，應使來補償。總之，應使Ko Kf.)()(1)()()(0sWsWsWsFsYf設設Wf(s)為一個單容過程，其傳遞函數為為一個單容過程，其傳遞函數為 1)(sTKsWfff則上式可寫成則上式可寫成)()(1)1(1)()(0sWsWTsTKsFsYfff過程擾動通道動態特性的影響過程擾動通道動態特性的影響 時間常數時間常數Tf 的影響。圖的影響。圖5-2所示的單回路控制系所示的單回路控制系統，當統，當X(s) = 0時，則系統的閉環傳遞函數為時，則系統的閉環傳遞函數為系統的特征方程為系統的特征方程為0)()(1)1(0sWsWTsf由上式可見，系統特征方程增加了一個閉環極點由上式可見，系統

15、特征方程增加了一個閉環極點,且且Tf愈大，則該極點愈靠近虛軸，使整個過渡過愈大，則該極點愈靠近虛軸，使整個過渡過程的幅值減小程的幅值減小Tf倍，超調量隨之減小。倍，超調量隨之減小。擾動通道擾動通道的時間常數的時間常數Tf愈大，容積愈多，則擾動對被控參愈大，容積愈多，則擾動對被控參數的影響也愈小，控制質量也愈好。數的影響也愈小，控制質量也愈好。 sffesW)(W(s)W0(s)X(s)Yp(s)Y(s)時延時延f的影響的影響: :圖圖54所示所示在給定信號在給定信號X(s)作用下，系統閉環傳遞數為作用下，系統閉環傳遞數為 )()(1)()()()(00sWsWsWsWsXsY閉環系統特征方程為

16、閉環系統特征方程為0)()(10sWsW當擾動通道有時延時，在擾動作用下系統的閉環傳遞當擾動通道有時延時，在擾動作用下系統的閉環傳遞函數為函數為)()(1)()()(0sWsWesWsFsYsff可見其閉環傳遞函數的分母（即特征方程）與式（可見其閉環傳遞函數的分母（即特征方程）與式（5-8） 相同。所以說擾動通道的時延不影響系統的控制質量，相同。所以說擾動通道的時延不影響系統的控制質量，僅使系統的響應曲線僅使系統的響應曲線Y（t）推遲了個時延）推遲了個時延 f。擾動作用點位置：一階慣性環節對擾動擾動作用點位置：一階慣性環節對擾動f f起著濾波作起著濾波作用，所以當擾動引入系統的位置離被控參數愈

17、近時，則用，所以當擾動引入系統的位置離被控參數愈近時，則對其影響愈大；相反，當擾動離被控參數愈遠（即離調對其影響愈大；相反，當擾動離被控參數愈遠（即離調節閥愈近）時，則對其影響愈小。節閥愈近）時，則對其影響愈小。 可控性指標。可控性指標。 衡量被控過程進行控制的難易程度的指標：最大增益衡量被控過程進行控制的難易程度的指標：最大增益Kmax和臨界頻率和臨界頻率c(即在純比例作用時，系統處于穩定邊即在純比例作用時，系統處于穩定邊界下的增益和振蕩頻率界下的增益和振蕩頻率)。由自動控制理論可知，產生臨界振蕩需要兩個條件：由自動控制理論可知，產生臨界振蕩需要兩個條件： 系統開環對數幅頻特性的振幅比為系統

18、開環對數幅頻特性的振幅比為1 系統開環對數相頻特性的相角為系統開環對數相頻特性的相角為180。 控制通道的影響控制通道的影響根據被控過程的可控性指標，只要確定過程的根據被控過程的可控性指標，只要確定過程的Kmax、c就可以判斷它對系統的影響。教材表就可以判斷它對系統的影響。教材表5 51 1結論：結論：應選擇時間常數較小、反應靈敏、純時延小的通道應選擇時間常數較小、反應靈敏、純時延小的通道為控制通道。為控制通道。控制通道的時延：純時延控制通道的時延：純時延0和容量時延和容量時延c。它們對控。它們對控制質量的影響不利。尤其是制質量的影響不利。尤其是0的影響最壞。的影響最壞。W(s)W0(s)Y(

19、s)X(s) ReIm在圖在圖5-6所示系統中，設所示系統中，設W(s) = KC ，(即被控過程時延即被控過程時延0=0時時)，則系統開環傳遞函數為，則系統開環傳遞函數為1)(000sTKsW1)()()(000sTKKsWsWsWCK 根據奈氏判據，無論系統開環放大系數根據奈氏判據，無論系統開環放大系數KCK0為多大，閉為多大，閉環系統總是穩定的，其頻率特性可由圖環系統總是穩定的，其頻率特性可由圖5-7所示。所示。若上述系統中，若上述系統中，W(s)=KC ， 則系統開環傳遞則系統開環傳遞函數為函數為sesTKsW01)(000sCKesTKKsW01)(00 過程的時間常數匹配過程的時間

20、常數匹配設廣義過程的傳遞函數為設廣義過程的傳遞函數為) 1)(1)(1(1)(321sTsTsTsWo時間常數時間常數T T1 1TT2 2TT3 3，并設，并設T T1 1=10,T=10,T2 2=5,T=5,T3 3=2=2。改變其中一個或兩個時間常數可求得一組改變其中一個或兩個時間常數可求得一組KmaxKmax、w wc c、K Kmaxmaxw wc c值，見表值，見表5 52 2。結論：結論：減小過程中最大的時間常數減小過程中最大的時間常數T T1 1，不但無益，反而，不但無益，反而使使K Kmaxmaxw wc c數值比原始數據小，引起控制質量下降。數值比原始數據小，引起控制質量

21、下降。減小減小T T2 2或或T T3 3都能提高控制性能指標，若同時減小都能提高控制性能指標，若同時減小T T2 2、T T3 3 ，則提高性能指標的效果更好，則提高性能指標的效果更好增大最大時間常數增大最大時間常數T T1 1，使，使w wc c略有下降，但略有下降，但K Kmaxmax增增大，有助于提高控制指標。大，有助于提高控制指標。在選擇控制通道時，使廣義過程特性中的幾個時在選擇控制通道時，使廣義過程特性中的幾個時間常數數值錯開，減小中間的時間常數，可提高間常數數值錯開，減小中間的時間常數，可提高系統的工作頻率；減小過渡過程時間和最大偏差系統的工作頻率；減小過渡過程時間和最大偏差等，

22、以提高可控性指標，改善控制質量。等，以提高可控性指標，改善控制質量。（1） 選擇過程控制通道的放大系數選擇過程控制通道的放大系數K0要適當大一些；時要適當大一些；時間常數間常數T0要適當小一些，純時延要適當小一些，純時延0愈小愈好，在有純時延愈小愈好，在有純時延0的情況下，的情況下，0與與T0之比應小一些（小于之比應小一些（小于1），若其比值過），若其比值過大，則不利于控制。大，則不利于控制。（2） 選擇過程擾動通道的放大系數選擇過程擾動通道的放大系數Kf應盡可能小；時間應盡可能小；時間常數常數Tf要大；擾動引入系統的位置要遠離控制過程（即靠要大；擾動引入系統的位置要遠離控制過程（即靠近調節閥

23、）；容量時延愈大，則有利于控制。近調節閥）；容量時延愈大，則有利于控制。（3） 廣義過程（包括調節閥和測量變送器）由幾個一階廣義過程（包括調節閥和測量變送器）由幾個一階環節組成，在選擇控制參數時，應盡量設法把幾個時間常環節組成，在選擇控制參數時，應盡量設法把幾個時間常數錯開，使其中一個時間常數比其他時間常數大得多，同數錯開，使其中一個時間常數比其他時間常數大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數。時注意減小第二、第三個時間常數。（4） 注意工藝操作的合理性、經濟性注意工藝操作的合理性、經濟性 3根據過程特性選擇控制參數的一般原則根據過程特性選擇控制參數的一般原則三、系統設計中的測量變送問題三、

24、系統設計中的測量變送問題測量變送環節對被控參數作正確測量，并將它轉換成標準測量變送環節對被控參數作正確測量，并將它轉換成標準統一信號統一信號(0.020.1MPa或或010mADC，或，或420mADC)輸出到調節器或指示記錄儀。輸出到調節器或指示記錄儀。對于測量變送環節作線性處理后，通常可用一階加時延特對于測量變送環節作線性處理后，通常可用一階加時延特性來描述，即性來描述，即smmmmesTKsW1)(式中：式中：Km、Tm和和m分別為靜態放大系數、時間常數和分別為靜態放大系數、時間常數和時延。時延。 y zyz0t0zyy zy z0yzt(a) y階躍變化；階躍變化； (b) y等速變化

25、等速變化 (c) y作周期變化作周期變化減小減小Tm和和m對提高系統的控制質量有利。對提高系統的控制質量有利。從減小誤差考慮，應減小測量變送環節的量程，從減小誤差考慮，應減小測量變送環節的量程，即增大即增大Km，為保證系統的穩定性，為保證系統的穩定性，Km的改變可的改變可通過改變調節器的通過改變調節器的Kc來達到。來達到。儀表選擇方面：快速測量儀表，注意儀表的正確儀表選擇方面：快速測量儀表，注意儀表的正確安裝，以克服或盡量減少系統對控制質量的影響。安裝，以克服或盡量減少系統對控制質量的影響。就系統設計測量變送中的幾個主要問題作點補充說明：就系統設計測量變送中的幾個主要問題作點補充說明：1、信號

26、濾波、信號濾波一般問題一般問題 模擬濾波，如模擬濾波，如RC電路。電路。計算機控制計算機控制 數字濾波數字濾波低頻干擾信號低頻干擾信號 高通濾波器高通濾波器高頻干擾信號高頻干擾信號 低通濾波器低通濾波器跳變脈沖干擾信號跳變脈沖干擾信號 剔除跳變信號的措施剔除跳變信號的措施2、信號處理、信號處理測量信號的處理包括線性化和開平方等測量信號的處理包括線性化和開平方等 3、純時延問題、純時延問題為消除純時延對系統性能指標的可能影響，可專門設計某為消除純時延對系統性能指標的可能影響，可專門設計某種補償環節，以改善其控制品質，如圖種補償環節，以改善其控制品質，如圖59所示。所示。 W(s)W0(s)X(s

27、) P(s)Y(s)X(s) W(s)P(s)Wz(s)Y(s)sesW0)(0當控制通道出現純時延時，可設計一種補償環節當控制通道出現純時延時，可設計一種補償環節Wz(s)，使之具有如下特性，使之具有如下特性， )1)()()()()()()()(00000szzsesWsWsWsPesWsPsWsP4測量時延問題測量時延問題測量時延主要是由測量元件本身的特性所造成的。測量時延主要是由測量元件本身的特性所造成的。 如圖如圖5-10所示系統，若調節器所示系統，若調節器W(s)=KC；過程；過程 1)(000sTKsW測量變送器測量變送器 1)(sTKsWmmm則被控參數真實值則被控參數真實值Y

28、(s)對于給定值對于給定值X(s)的響應為的響應為W(s)W0(s)X(s) P(s)Y(s)Wm(s)mcmmcKKKsTsTsTKKsXsY000) 1)(1() 1()()(測量值測量值Z(s)對于給定作用對于給定作用X(s)的響應為的響應為 mcmmcKKKsTsTKKKsXsZ000) 1)(1()()(測量元件的時延將導致系統品質惡化，為克服其不良影響，在測量元件的時延將導致系統品質惡化，為克服其不良影響，在系統設計中，可選用快速測量元件，一般，選其時間常數為控系統設計中，可選用快速測量元件，一般，選其時間常數為控制通道時間常數的制通道時間常數的1/10以下為宜；也可在變送器的輸出

29、端，串以下為宜；也可在變送器的輸出端，串一微分環節，見圖一微分環節，見圖511。這時，輸出與輸入間的關系為。這時，輸出與輸入間的關系為1) 1()()(sTsTKsTsPmDm式中：式中：Km測量元件、變速器的放大系數；測量元件、變速器的放大系數； Tm、Td分別為測量元件的時間常數和微分單分別為測量元件的時間常數和微分單元的微分時間常數。元的微分時間常數。欲獲得真實的測量值，可使欲獲得真實的測量值，可使TD = Tm，則，則P(s)=KmT(s)從而，從而，P(t)=KmT(t)可見消除了動態誤差。可見消除了動態誤差。5信號傳送時延問題信號傳送時延問題 這主要是指氣動單元組合儀表中，氣壓信號

30、在管路中的傳送這主要是指氣動單元組合儀表中，氣壓信號在管路中的傳送時延。時延。氣動傳輸管道的特性可表示為氣動傳輸管道的特性可表示為seTssW011)(式中：式中：T時間常數，時間常數， 0純時延。純時延。 可采取以下改善措施：可采取以下改善措施：（1）若測量信號為電信號，可將轉換器安裝在儀表盤附近。）若測量信號為電信號，可將轉換器安裝在儀表盤附近。以縮短氣壓信號的傳送距離。以縮短氣壓信號的傳送距離。（2）若調節器輸出為氣壓信號，可在）若調節器輸出為氣壓信號，可在5060m 距離間，裝一距離間，裝一繼動器，提高氣壓信號的傳輸功率，以減小傳遞時間。繼動器，提高氣壓信號的傳輸功率，以減小傳遞時間。

31、（3）若調節器輸出為電信號，應將轉換器安裝在調節閥附近，）若調節器輸出為電信號，應將轉換器安裝在調節閥附近，或采用電氣閥門定位或采用電氣閥門定位器。器。四、調節閥（執行器）的選擇四、調節閥（執行器）的選擇選擇調節閥的類型，此外還應包括下面內容：選擇調節閥的類型，此外還應包括下面內容：Dg、dg內的選擇內的選擇:在正常工況下，要求調節閥開度在在正常工況下，要求調節閥開度在1585之間。之間。2. 氣開、氣關的確定：調節器輸出信號為零（或氣源中斷）氣開、氣關的確定：調節器輸出信號為零（或氣源中斷）時，生產處于安全狀態。時，生產處于安全狀態。3. 流量特性的選擇流量特性的選擇 ：可達到補償被控過程特

32、性的非線性，：可達到補償被控過程特性的非線性，從而達到系統總放大倍數不變的目的。從而達到系統總放大倍數不變的目的。五、調節器控制規律的選擇五、調節器控制規律的選擇根據被控過程特性（如自衡性、容量與時延大小、負荷變化與擾根據被控過程特性（如自衡性、容量與時延大小、負荷變化與擾動情況等）與生產工藝要求，了解調節器控制規律對控制質量的動情況等）與生產工藝要求，了解調節器控制規律對控制質量的影響，合理選擇調節器的控制規律，是過程控制方案設計的重要影響，合理選擇調節器的控制規律，是過程控制方案設計的重要內容之一。內容之一。 （1）廣義過程的時間常數較大，純時延較小時（即）廣義過程的時間常數較大，純時延較

33、小時（即0/T0很很小），引入微分作用其效果良好。此時各類調節器控制規律小），引入微分作用其效果良好。此時各類調節器控制規律對控制質量的影響為：比例積分微分（對控制質量的影響為：比例積分微分（PID）作用最好，比例）作用最好，比例微分（微分（PD）作用較好，比例（）作用較好，比例（P）作用次之，比例積分（）作用次之，比例積分（PI）作用較差。作用較差。（2）當過程制通道時間常數較小，而負荷變化很快，引入微）當過程制通道時間常數較小，而負荷變化很快，引入微分和積分作用均要引起系統振蕩，對控制質量的影響不利。分和積分作用均要引起系統振蕩，對控制質量的影響不利。（3）當過程控制通道時延很大，負荷變也

34、很大時，單回路控）當過程控制通道時延很大，負荷變也很大時，單回路控制系統已不能滿足工藝要求，需采用其他控制方案。制系統已不能滿足工藝要求，需采用其他控制方案。 2調節器控制規律的選擇調節器控制規律的選擇 （1）根據）根據 比值選擇控制規律。若過程的數學模型可近似比值選擇控制規律。若過程的數學模型可近似表示為：表示為： 00T)1()(0000sTeKsWs 1調節器調節器PID控制規律對控制質量的影響控制規律對控制質量的影響則可根據純時延與時間常數的比值來選取控制規律，即則可根據純時延與時間常數的比值來選取控制規律，即 當當 0. 2時，選用比例或比例微分控制規律；時，選用比例或比例微分控制規

35、律； 當當0.2 1.0時，單回路反饋控制系統已不能滿足控制要求，時，單回路反饋控制系統已不能滿足控制要求，應根據具體情況，采用其他控制方式，如串級、前饋等控制應根據具體情況，采用其他控制方式，如串級、前饋等控制方式。方式。00T00T00T（2）根據過程特性選擇控制規律）根據過程特性選擇控制規律 P、PI、PD、PID控制規律對控制質量的影響及其適用范圍控制規律對控制質量的影響及其適用范圍見見P170。六、調節器正、反作用的確定六、調節器正、反作用的確定首先根據生產工藝安首先根據生產工藝安全等原則確定調節閥的氣開、氣關形式；然后按被控過程特性，全等原則確定調節閥的氣開、氣關形式；然后按被控過

36、程特性，確定其正反作用；最后根據上述組成該系統的開環傳遞函數各確定其正反作用；最后根據上述組成該系統的開環傳遞函數各環節的靜態放大系數極性相乘必須為正的原則來確定調節器的環節的靜態放大系數極性相乘必須為正的原則來確定調節器的正、反作用方式。正、反作用方式。1.被控過程特性的正、反作用：當被控過程的輸入量增加被控過程特性的正、反作用：當被控過程的輸入量增加（或減小）時，其輸出（被控參數）亦增加（或減小），則（或減小）時，其輸出（被控參數）亦增加（或減小），則稱此稱此被控過程為正作用被控過程為正作用，其靜態放大系數，其靜態放大系數Ko取正；取正；2.正作用調節器：當系統的測量值增加時，調節器的輸出

37、亦正作用調節器：當系統的測量值增加時，調節器的輸出亦增加，其靜態放大系數增加，其靜態放大系數KC取負；反作用調節器：當系統的測取負；反作用調節器：當系統的測量值增加時，調節器的輸出減小，其靜態放大系數量值增加時，調節器的輸出減小，其靜態放大系數KC取正；取正；3.氣開式調節閥，其靜態放大系數氣開式調節閥，其靜態放大系數Kv取正；氣關式的取正；氣關式的Kv取負。取負。系統整定系統整定：指選擇調節器的：指選擇調節器的比例度比例度、積分時間、積分時間T TI I和微分時間和微分時間T Td d的具體數值。的具體數值。系統整定的實質系統整定的實質：就是通過改變控制參數，使：就是通過改變控制參數，使調節

38、器特性和被控過程特性配合好，來改善系調節器特性和被控過程特性配合好，來改善系統的動態和靜態特性，求得最佳的控制效果。統的動態和靜態特性，求得最佳的控制效果。n過程控制中，通常以瞬時響應的衰減率過程控制中，通常以瞬時響應的衰減率=0.750.9=0.750.9作為系統性能主要指標，以保證系作為系統性能主要指標，以保證系統具有一定的穩定儲備；統具有一定的穩定儲備；n一般在滿足一般在滿足的條件下，還要盡量減小穩態偏差、的條件下，還要盡量減小穩態偏差、最大偏差和過度時間；最大偏差和過度時間；n對大多數過程控制系統：過渡過程曲線達到對大多數過程控制系統：過渡過程曲線達到4:14:1狀態時，為最佳的過程曲

39、線狀態時，為最佳的過程曲線n調節器參數整定只有在系統設計正確、儀表經過調節器參數整定只有在系統設計正確、儀表經過校調和正確安裝之后才有意義。校調和正確安裝之后才有意義。下面討論系統中應用不同調節器時的根軌跡作圖整定方法。下面討論系統中應用不同調節器時的根軌跡作圖整定方法。基本思想基本思想：應用根軌跡作圖方法的原則來選擇調節器的：應用根軌跡作圖方法的原則來選擇調節器的參數，參數，使系統特征方程中對瞬態響應起主導作用的根滿使系統特征方程中對瞬態響應起主導作用的根滿足某一指定要求足某一指定要求，從而使系統的瞬態響應達到指定的性，從而使系統的瞬態響應達到指定的性能指標。能指標。當要求系統瞬態響應當要求

40、系統瞬態響應主導振蕩成分的衰減率為某一定值主導振蕩成分的衰減率為某一定值時，相應的一對主導復根在根平面的某一確定折線上時，相應的一對主導復根在根平面的某一確定折線上。利用根軌跡作圖方法定出利用根軌跡作圖方法定出開環增益和一個或兩個可變開開環增益和一個或兩個可變開環零點、極點的適當位置環零點、極點的適當位置，使系統特征方程的主導復根，使系統特征方程的主導復根位于根平面確定的折線上，從而求出調節器的整定參數位于根平面確定的折線上，從而求出調節器的整定參數值和主導復根。值和主導復根。1比例調節器比例調節器比例調節器只有一個待定參數，即比例調節器只有一個待定參數，即比例度比例度，其傳遞函數，其傳遞函數

41、CKsW1)(圖圖5-14所示的單回路控制系統的開環傳遞函數所示的單回路控制系統的開環傳遞函數)(1)(0sWsWK可見，可見，WK(s)的零點、極點也就是的零點、極點也就是W0(s)的零極點。的零極點。改變改變僅改僅改變系統的開環增益，并不影響根軌跡的形狀變系統的開環增益，并不影響根軌跡的形狀。所以，滿足指。所以，滿足指定衰減率定衰減率的主導復根的的主導復根的位置是唯一位置是唯一的，只要找出根軌跡與的，只要找出根軌跡與指定折線的交點，然后指定折線的交點，然后用模值條件，即可求出比例調節器的用模值條件，即可求出比例調節器的整定參數值整定參數值。【例例5 51 1】在單回路控制系統中，已知過程傳

42、遞函數為在單回路控制系統中，已知過程傳遞函數為調節器傳遞函數為調節器傳遞函數為W(s)=KW(s)=KC C。試用根軌跡法求出。試用根軌跡法求出0.750.75時時調節器的比例度調節器的比例度（1/KC）。）。解：系統的開環傳遞函數為解：系統的開環傳遞函數為其中，其中，K=1.2KC。)2 . 0)(5 . 0)(1(2 . 1)(ssssWo)2 . 0)(5 . 0)(1()2 . 0)(5 . 0)(1(2 . 1)(sssKsssKsWCKn作出作出 的斜線的斜線OAOA。2812221. 01tg26. 1,894. 0K1)2 . 0)(5 . 0)(1(sssK根軌跡漸近線與實軸

43、交點為根軌跡漸近線與實軸交點為0.5670.567，分離點為，分離點為0.3330.333根軌跡與虛軸交點根軌跡與虛軸交點所以所以K KC C=K/1.2=1.05=K/1.2=1.05在在b b點根據根軌跡的模值條件：點根據根軌跡的模值條件：0.5750.5750.6750.6751.05=0.408=K1.05=0.408=K所以所以KCKCK/1.2=0.34K/1.2=0.34，故，故1/KC2.94-0.5-0.5 0 0-0.2-0.2-1-1-0.567-0.567-0.333-0.333A AB Bb2 比例微分調節器比例微分調節器掌握結論掌握結論比例微分調節器有兩個待定參數，

44、即比例度比例微分調節器有兩個待定參數，即比例度和微分時間和微分時間Td，其傳遞函數為其傳遞函數為)()1()()1()1 (1)(0sWTsTsWTsTsTsWddKddd系統的開環傳遞函數為系統的開環傳遞函數為可見，在可見，在WK(s)中，除了被控過程中，除了被控過程W0(s)的極點、零點外，還的極點、零點外，還增增加了一個可變零點加了一個可變零點。在求調節器的整定參數時，首先要確定此在求調節器的整定參數時，首先要確定此可變零點的位置，從而求出微分時間可變零點的位置，從而求出微分時間Td值。然后，再根據模值值。然后，再根據模值條件求出比例度條件求出比例度。但是必須注意一點：。但是必須注意一點

45、：改變改變Td值不僅改變了值不僅改變了系統開環零點的位置，而且也改變了系統的開環增益系統開環零點的位置，而且也改變了系統的開環增益。 情況情況1: 對象開環傳遞函數的三個開環極點均在對象開環傳遞函數的三個開環極點均在(-1/T0,j0) 取取Td=T0 圖圖517(a)情況情況2: 對象開環傳遞函數中有一個極點在原點對象開環傳遞函數中有一個極點在原點,另外兩另外兩個極點在個極點在(-1/T0,j0) 取取Td適當地大于適當地大于T0 圖圖517(b)選擇選擇Td時應使負實根與虛軸的距離略大于主導復根與時應使負實根與虛軸的距離略大于主導復根與虛軸的距離虛軸的距離,至少應使主導復根的實數與負實根相

46、等至少應使主導復根的實數與負實根相等(其其絕對值大于絕對值大于1/2T0)。n例例5-2在單回路控制系統中，已知過程的傳遞函數為在單回路控制系統中，已知過程的傳遞函數為TO=10s，比例微分調節器的傳遞函數為，比例微分調節器的傳遞函數為求衰減率求衰減率0.750.75時比例微分調節器的整定參數值。時比例微分調節器的整定參數值。解：系統開環傳遞函數為解：系統開環傳遞函數為Wk(s)Wk(s)的極點在負實軸上（的極點在負實軸上（0.1,j00.1,j0），而在原點處無極點，），而在原點處無極點，所以取所以取Td=To=10sTd=To=10s4)1 (1)(sTsWoo)1 (1)(sTsWdd4

47、44)1()1()1 (1)1 (1)(ooddodKTsTTsTsTsTsWn作出0.750.75時的斜線時的斜線OAOA。過過P P點作直線與負實軸的點作直線與負實軸的夾角為夾角為p p180180。/3/36060。( (重根根軌跡重根根軌跡) )，交斜線，交斜線OAOA于于d d點，點，d d點就是系統整定后特征點就是系統整定后特征方程式的主導復根方程式的主導復根。/Pd=0.142,/Pd=0.142,特征方程式主導特征方程式主導復根為復根為-0.03+j0.135-0.03+j0.135根據模值條件，比例微分調根據模值條件，比例微分調節器的比例度為節器的比例度為-0.1PdA012

48、。28349. 0)142. 010(11)1()1(33344PdTTsTTsTooodd3比例積分調節器比例積分調節器單回路控制系統采用比例積分調節器時，調節器的單回路控制系統采用比例積分調節器時，調節器的傳遞函數為傳遞函數為 sTssTsWII)1(1)11 (1)(系統的開環傳遞函數為系統的開環傳遞函數為)()1(1)(0sWsTssWIK此時，在此時，在WK(s)中除了中除了W0(s)的極點和零點以外，的極點和零點以外，增加了一個根平增加了一個根平面原點處的固定極點和負實軸上的可變零點面原點處的固定極點和負實軸上的可變零點。情況情況1: 被控過程被控過程W0(s)在原點處沒有極點時在

49、原點處沒有極點時,其他極其他極點均在負實軸上點均在負實軸上,此時此時,可變零點的位置應選在極點可變零點的位置應選在極點 (-1/T0,j0)右邊右邊,即即TI應略大于應略大于T0的某一數值的某一數值. TI的具體數值的具體數值：可以根據特征方程式主導負實根：可以根據特征方程式主導負實根和主導復根的負實部相等的原則決定和主導復根的負實部相等的原則決定.情況情況2:被控過程被控過程W0(s)在原點處有一個固定極點在原點處有一個固定極點,其其余極點均在負實軸上余極點均在負實軸上,則則WK(s)在根平面的原點處就在根平面的原點處就有有雙重極點雙重極點,這時這時T1應選取比應選取比T0更大一些更大一些,

50、即使零點即使零點(-1/TI,j0)更靠近虛軸更靠近虛軸. TI的具體數值的具體數值：可以根據特征方程式主導負實根：可以根據特征方程式主導負實根和主導復根的負實部相等的原則決定和主導復根的負實部相等的原則決定.。001TIT1（a）TI=T0（b）TI=4T0)11 (1)(,)1 (1)(2sTsWsTssWIoo01T。IT10求取求取TI值的步驟值的步驟:(1)在根平面上求出在根平面上求出 時比例調節器所構成的系時比例調節器所構成的系統特征方程式的主導復根統特征方程式的主導復根(2)同樣的系統改用比例積分調節器后同樣的系統改用比例積分調節器后,經整定后的經整定后的主導振蕩成分頻率主導振蕩

51、成分頻率 低于低于 .通常通常m=0.221時時,(3)由由 和幅角條件定出和幅角條件定出(-1/TI,j0)零點零點,求出積分時求出積分時間間TI值值.零點零點(-1/TI,j0)確定后確定后,根據模值條件求出比例度根據模值條件求出比例度 值值.ITpppjmpIpppI)85. 075. 0(pI 例例5-3已知在單回路控制系統中的被控過程傳遞函數已知在單回路控制系統中的被控過程傳遞函數 300)1 (1)(sTsWT0=10s（秒）（秒）比例積分調節器的傳遞函數比例積分調節器的傳遞函數)11 (1)(sTsWI求求0.75時調節器的比例度時調節器的比例度和積分時間常數和積分時間常數TI。

52、 解：解： 系統開環傳遞函數系統開環傳遞函數 303030)1(11)1 (1)11 (1)(TssTsTsTsTsWIIK在圖在圖5-20上標出極點位置上標出極點位置(-0.1,j0)，并作出，并作出=0.75時時=1228的斜線的斜線OA。（1）當）當 T1時，根平面原點處的極點被抵消。根據幅角時，根平面原點處的極點被抵消。根據幅角條件。由點條件。由點P作與實軸成作與實軸成60的直線，并與的直線，并與OA交于交于P點，點，所以所以P=-0.029+j0.131。（2）設）設PI=0.8P=0.80.131=0.105取中間值。取中間值。從圖上量得：從圖上量得：103. 00,128. 0,

53、10520llPpIppIop-01Z0a1228jpIppzAplzlolP-1/TI（3）根據幅角條件，零點）根據幅角條件，零點Z至至PI的幅角的幅角58781801052328102ooooZ過過PI作與負實軸之夾角作與負實軸之夾角，于是得到了零點，于是得到了零點Z的位置，零點的位置，零點Z 的坐標為的坐標為(-0.04, j0)，所以積分時間為，所以積分時間為 sTI2504. 01（4）根據模值條件，調節器比例度）根據模值條件，調節器比例度485. 0128. 0103. 0101 . 01133303030301pZllTlTssTTs調節器的整定參數為調節器的整定參數為 =0.4

54、85 , TI =25s 4比例積分微分調節器比例積分微分調節器比例積分微分調節器的傳遞函數為比例積分微分調節器的傳遞函數為sTsTTsTsTsTsWIIdIdI*2*11)11 (1)(當當 0.25時，式時，式(5-24)有兩個實數零點，因此上式可表示為有兩個實數零點，因此上式可表示為*1*TTdsTsTsTsTsTsWIddId)1)(1(11)(1(1)(）式式(5-24)和式和式(5-25)中各系數之間的關系為中各系數之間的關系為IddaIITTFFTTFTTF1,*被控過程的傳遞函數為被控過程的傳遞函數為W0(s)。系統的開環傳遞函數為。系統的開環傳遞函數為 )()1)(1()(0

55、sWsTsTsTsWIddK此時，在此時，在WK(s)中除了中除了W0(s)的極點和零點外，的極點和零點外，增加了一個在根平增加了一個在根平面原點處的固定極點和兩個可以改變的零點面原點處的固定極點和兩個可以改變的零點 和和 。單回路控制系統中比例積分微分調節器的參數整定可按如下步驟單回路控制系統中比例積分微分調節器的參數整定可按如下步驟進行：進行：(1)用調節器用調節器W(s)中的一個零點中的一個零點 去抵消去抵消W0(s)中的一個極點。中的一個極點。(2)把減小一個極點后的把減小一個極點后的W0(s)作為被控過程，根據整定比例積分作為被控過程，根據整定比例積分調節器的方法，選擇調節器調節器的

56、方法，選擇調節器W(s)的另一個零點的另一個零點 ，并求出，并求出調節器調節器W(s)的比例度的比例度。(3)根據上述步驟求得的根據上述步驟求得的、TI、Td值，按式值，按式(5-26）計算調節器的）計算調節器的整定參數整定參數*、T*I、T*d值。值。)0,1(jTd)0,1(jTd)0,1(1jT)0,1(1jT 已知單回路控制系統中被控過程的傳遵函數已知單回路控制系統中被控過程的傳遵函數 sTsTsW10,)1 (1)(0400比例積分微分調節器的傳遞函數為比例積分微分調節器的傳遞函數為sTsTsTsTsTsWIdddI)1)(1()11 (1)(*求求=0.75時調節器的整定參數值時調

57、節器的整定參數值*、T*I、T*d。 系統的開環傳遞函數系統的開環傳遞函數 404040)1()1)(1()1(1)1)(1()(TssTsTsTTsTsTsTsTsWIdddIdK（1）令）令Td = T0 =10s（秒（秒)，上式即為，上式即為3030)1()1(1)(TsTsTsWIK式（式（5-27）等于被控過程）等于被控過程300)1 (1)(sTsW與調節器與調節器)11 (1)(sTsWI組成控制系統時的開環傳遞函數。組成控制系統時的開環傳遞函數。（2）已經求得了）已經求得了=0.75時比例積分調節器的整定參數值。即時比例積分調節器的整定參數值。即T1=25s，=0.485。（3

58、）運用式）運用式(5-26)，計算比例積分微分調節器的整定參數值，即，計算比例積分微分調節器的整定參數值，即20.035142.7142.74 .11035254 .1346.04 .1485.04 .1251011*IdddIIIdTTsFTTsFTTFTTF而而1動態特性參數法動態特性參數法 動態特性參數法動態特性參數法：就是根據系統開環廣義過程：就是根據系統開環廣義過程階躍響應特性進行近似計算的方法。即如階躍響應特性進行近似計算的方法。即如圖圖5-21所示在調節閥所示在調節閥WV(s)的輸入端加一階躍信號，的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器記錄測量變送器Wm(s)的輸的輸出響應曲線，根

59、據出響應曲線，根據該曲線求出代表廣義過程的動態特性參數該曲線求出代表廣義過程的動態特性參數( (過程的時延，過程的時延，T T0 0過程的時間常數，過程的時間常數， 過程響應速度過程響應速度) )，然后根據這些參數的，然后根據這些參數的數值，分別應用以下公式計算出調節器的整定數值，分別應用以下公式計算出調節器的整定參數值。參數值。W(s)WV(s)W0(s)Wm(s)X(s)Y(s)(1)廣義過程無自衡能力時其階躍響應曲線如圖廣義過程無自衡能力時其階躍響應曲線如圖5-22所示。所示。可用表可用表5-5中的整定計算公式。中的整定計算公式。X(t)0ty(t)tgt0調節規律 W(s) P PI

60、PID1)11(1sTI)11 (1sTsTII1 . 185. 0IT3 . 32dT5 . 0近似傳遞函數為近似傳遞函數為 snessWsnssW)()1 ()(00n3或或(2)在廣義過程為有自平衡能力時，也有相應的整定公式，見在廣義過程為有自平衡能力時，也有相應的整定公式，見表表56。近似傳遞函數近似傳遞函數:當有明顯純時延當有明顯純時延(包括包括 )時：時：為自平衡率, 3,)1 (1)(00nsTsWn2 . 00TsesTsW)1(1)(00n注意：表注意：表5 55 5及及5 56 6中沒有中沒有PDPD調節器的整定計調節器的整定計算公式，當算公式，當=0.75=0.75時，選