第二章過程裝備控制基礎設計一個控制系統，首先應對被控對象作全面的了解，下一步則是解決控制方案和調節器參數的整定，最后是系統的調試和運行。本章主要講述一些工業常用控制系統的結構、特點及應用。被控對象選硬件確定控制方案參數整定系統調試1第二章過程裝備控制基礎2.1被控對象的特性設計一個控制系統，控制質量的優劣是最關鍵的問題，它主要取決于自動控制系統的結構及其各個環節的特性。其中，被控對象的特性由生產工藝過程和工藝設備決定，在控制系統的設計中是無法改變的。因此，必須深刻了解被控對象的特性，才能設計出合適的控制方案，取得良好的效果。

所謂被控對象的特性，就是當被控對象的輸入變量發生變化時，其輸出變量隨時間的變化規律（包括變化的大小、速度等）。1被控對象的特性2第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性對一個被控對象來說，其輸出變量就是控制系統的被控變量，而其輸入變量則是控制系統的操縱變量和干擾作用。被控對象輸入變量與輸出變量之間的聯系稱為通道。通常所講的對象特性是指控制通道（調節通道）的對象特性。3第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性2.1.1被控對象的數學描述在不同的生產部門中被控對象千差萬別。在連續生產過程中，最基本的關系是物料平衡和能量平衡。

在靜態條件下，單位時間流入對象的物料（或能量）等于從系統中流出的物料(或能量);4第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性在動態條件下，單位時間流入對象的物料(或能量)與單位時間從系統中流出的物料(或能量)之差等于系統內物料(或能量)貯存量的變化率。被控對象的數學描述就是由這兩種關系推導出來的微分方程式。5第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性

（1）單容液位對象

有自衡特性的單容對象被控對象：水槽被控變量：液位H令V=A×H6第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性令qv2=H/Rs得到：T——時間常數K——放大系數令T=ARs、K＝Rs得到：7第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性在初始平衡狀態時，流入水槽的流量qv1等于流出水槽的流量qv2。因此，液位穩定在某一數值H0上，處于平衡狀態。在t0時刻，若流入量qv1突然有一階躍變化量Δqv1，則液位變化量ΔH=K×Δqv1（1－e-(t-t0)T）當t→∞時，ΔH=K×Δqv1qv1＝qv2，達到了新的平衡。8第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性無自衡特性的單容對象由于泵的出口流量不受入口處壓力的影響，所以：ΔH=———（t－t0）Δqv1A當流入量突然增加Δqv1時。液位H將隨時間t的推移恒速上升，直至水槽頂部滋出。無自衡特性的被控對象在受到擾動作用后不能重新恢復平衡，因此控制要求較高。通常需要設自動報警裝置。9第二章過程裝備控制基礎（2）雙容液位對象1被控對象的特性10第二章過程裝備控制基礎令T1＝A1×Rs1、T2＝A2×Rs2、K=Rs2得1被控對象的特性11第二章過程裝備控制基礎以上介紹了液位被控對象的數學模型的建立。對于其他比較簡單的被控對象，如壓力容器的壓力被控對象、熱交換器的溫度被控對象等等，都可以用這種方法建立其數學模型。數學模型除了用方程式表示外，還可以用圖形、表格等形式來表示。

對于復雜的被控對象，直接用數學方法來建立模型是比較困難的。常常采用實驗測試法。1被控對象的特性12第二章過程裝備控制基礎2.1.2被控對象的特性參數：被控對象特性主要參數有：放大系數K時間常數T滯后時間τ例1例21被控對象的特性13第二章過程裝備控制基礎（1）放大系數K：是被控對象受擾動后重新達到平衡狀態時的輸出變化量與輸入變化量之比。①放大系數K表達了被控對象在干擾作用下重新達到平衡狀態的性能，是不隨時間變化的參數。所以K是被控對象的靜態特性參數。②在相同的輸入變化量作用下，被控對象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對輸出的影響越大，被控對象的自身穩定性越差。

K在任何輸入變化情況下都是常數的被控對象稱為線性對象。輸入不同的變化量其放大系數不為常數的被控對象，稱為非線性對象。舉例：1被控對象的特性14第二章過程裝備控制基礎放大系數K對控制質量的影響分析：（1）對控制通道：如果K值大，操縱變量對被控變量的影響會很大，控制系統對擾動的控制很靈敏。但缺點是容易造成被控變量波動較大，不易穩定。反之，K小，控制系統對擾動的控制作用不夠顯著，會使被控變量變化遲緩。（2）對干擾通道：如果K較小，即使干擾幅度很大，也不會對被控變量產生很大的影響。若K很大，則當干擾幅度較大而又頻繁出現時，系統就很難穩定，除非設法排除干擾或者采用較為復雜的控制系統，否則很難保證控制質量。1被控對象的特性15第二章過程裝備控制基礎（2）時間常數T：它反映了被控對象的輸入變量改變以后，輸出變量達到新穩態值的快慢，它決定了整個動態過程的長短。因此，它是被控對象的動態特性參數。

時間常數對控制系統的影響分析：若時間常數T大，則被控變量的變化比較緩和，一般來講，這種對象比較穩定，容易控制，但缺點是控制過于緩慢；若時間常數T小，則被控變量的變化速度快，不易控制。因此，時間常數太大或太小，對過程控制都不利。舉例：氣水混合器1被控對象的特性16第二章過程裝備控制基礎

（3）滯后時間τ：有不少化工對象，在受到干擾作用后，其被控變量并不立即發生變化，而是過一段時間才發生變化，這種現象稱為滯后現象。滯后時間是描述對象滯后現象的動態參數。滯后又分為傳遞滯后和容量滯后。傳遞滯后τ0：又叫純滯后，是由于信號的傳輸、介質的輸送或熱的傳遞要經過一段時間而造成的。1被控對象的特性17第二章過程裝備控制基礎容量滯后τc：一般是由于物料或能量的傳遞過程中受到一定的阻力而造成的。它是多容過程所固有的特性。從原理上講，傳遞滯后和容量滯后的本質是不同的，但實際上很難嚴格區分。當兩者同時存在時，通常把這兩種滯后時間加在一起，統稱為滯后時間，用τ來表示，即τ=τ。+τc1被控對象的特性18第二章過程裝備控制基礎滯后時間對控制系統的影響分析：對控制通道來講：滯后的存在會使控制不夠及時，在干擾出現后不能迅速調節，嚴重影響控制質量。因此，應盡量減少滯后時間。對干擾通道來講：純滯后只是推遲了干擾作用進入系統的時間，因此對控制質量沒有影響；而容量滯后的存在則可以緩和階躍干擾對被控變量的影響，因而對控制系統是有利的。1被控對象的特性19第二章過程裝備控制基礎2.1.3對象特性的實驗測定前面所講對象特性的求取方法是從工藝過程的變化機理出發，寫出各種有關的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），進而推導出被控對象的數學模型，得出其特性參數。但現實情況是：

①對象的動態特性雖可運用流動、蒸發、反應、傳熱、吸收等物理化學基礎理論來推導求解，但由于具體對象往往非常復雜，在數學推導過程中必須作許多假設和簡化，致使推導的結果偏離實際；②許多實際工業對象的機理很復雜，有時甚至很難用數學方法推導；③有許多被控對象的特性在運行過程中會隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，為了提高控制質量，這種系統就非得在運行過程中用實驗的方法測定對象的動態特性不可。1被控對象的特性20第二章過程裝備控制基礎鑒于上述原因，許多工業被控對象難以用數學的方法求出其特性參數，必須得對具體的對象通過實驗測試，得到一系列數據和運行曲線，由此分析歸納出被控對象的動態特性——實驗測定法。

方法一：時域分析法時域分析法就是用實驗的方法測定對象在輸入突然改變后，其輸出量隨時間的變化規律。

以單容水槽液位對象在階躍輸入時的動態特性為例1被控對象的特性21第二章過程裝備控制基礎①求純滯后時間:從t0時刻起到輸出開始變化的這段時間，即輸入變化而輸出不發生變化的這段時間為純滯后時間。②求靜態放大倍數:K=——————y(∞)-y(0)x(∞)-x(0)③求時間常數T：在反應曲線上找到輸出量變化至終值63.2%時的坐標點，它所對應的時刻與輸出量開始變化時的時刻之差就是時間常數T。1被控對象的特性63.2%22第二章過程裝備控制基礎

討論：此法是一種比較簡單的對象特性實驗測定方法，但由于實際生產過程中的干擾因素較多，而且一般不允許輸入量變化太大，通常為額定值的5%—10%，因此這種方法的精度較差、應用受限。實際常用矩形脈沖，矩形脈沖輸入信號作用下，測其輸出量隨時間的變化規律。1被控對象的特性23第二章過程裝備控制基礎討論：用矩形脈沖干擾來測取對象特性時，由于加在對象上的干擾經過一段時間即被除去，因此干擾的幅度可取的較大，以提高實驗的精度;同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，因而對正常生產影響較小。所以，這種方法是測定對象特性常用的方法之一。1被控對象的特性24第二章過程裝備控制基礎1被控對象的特性另外，還有頻域測定法、統計分析法等。25第二章過程裝備控制基礎

對象特性時域測定注意事項：a.測試時采取一切措施防止其他干擾發生；b.必須在對象平穩后加入激勵；c.必須注意過渡過程起始階段的測量和記錄；d.每次測量應進行到被測參數足夠穩定時為止；e.階躍值不能太大、也不宜太小，通常取正常生產值的5~15%。對于更大的激勵，應采用矩形脈沖法;f.最好在同一工況下，通過重復測試，剔除偶然誤差g.一般應在對象工作范圍內，選取多個工況，進行多次測試，求取多組特性參數再進一步加以處理。1被控對象的特性26第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統2.2單回路控制系統單回路控制系統又稱簡單控制系統，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調節器和一個執行器所構成的閉合系統。單回路控制系統結構簡單，便于施工，并能滿足一般生產過程的控制要求，應用廣泛。27第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統2.2.1單回路控制系統的設計設計一個控制系統，首先應對被控對象做全面的了解。除被控對象的動靜態特性外，對于工藝過程、設備等也需要做比較深入的了解；在此基礎上，確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件及檢測位置，選用恰當的執行器、調節器以及調節器控制規律等;最后將調節器的參數整定到最佳值。28第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統

（1）被控變量的選擇被控變量是生產過程中希望保持在定值的過程參數。影響一個生產過程正常操作的因素很多，但不可能全部都加以控制。作為被控變量，它應是對提高產品質量和產量、保證安全生產、節約能源等具有決定作用的工藝參數。這就需要在了解工藝過程、控制要求的基礎上，分析各變量間的關系，合理選擇被控變量。29第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統選擇被控變量的基本原則：作為被控變量，其信號最好是能夠直接測量獲得，并且測量和變送環節的滯后也要比較小。若被控變量信號無法直接獲取，可選擇與之有單值函數關系的間接參數作為被控變量。作為被控變量，最好是獨立變量。變量的數目一般可以用物理化學中的相律關系來確定。作為被控變量，必須考慮工藝合理性，以及目前儀表的現狀能否滿足要求。30第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統（2）操縱變量的選擇在控制系統中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量就是操縱變量。在化工和煉油生產過程中，最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉速等。？？T:被控變量31第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統選擇操縱變量的基本原則：使被控對象控制通道的放大系數較大，時間常數較小，純滯后時間越小越好;（靈敏、快捷）使被控對象干擾通道的放大系數盡可能小，時間常數越大越好。（抑制效果好）綜合考慮工藝的合理性和實現的成本。32第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統控制任務——使塔底產品成分穩定。被控變量？操控變量？可選參數：進料量進料溫度回流量回流溫度蒸汽量冷凝溫度塔內溫度33第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統（3）檢測變送環節的影響檢測變送環節在控制系統中起著獲取信息和傳送信息的作用。因此要求獲取的信息及時、準確，傳遞信息快捷、完整。

①純滯后：在過程控制中，由于檢測元件安裝位置的不適當將會產生純滯后。34第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統純滯后使測量信號不能及時地反映被控變量的實際值，從而降低了控制系統的控制質量。由檢測元件安裝位置所引入的純滯后是不可避免的，因此，在設計時，要正確選擇安裝檢測點位置。另外，檢測元件不能安裝在死角或容易結焦的地方。

②測量滯后是指由測量元件本身特性所引起的動態誤差。當測量元件感受被控變量的變化時，要經過一定時間，才能反映出被控變量的實際值，這時測量元件本身就構成了一個具有一定時間常數的慣性環節。35第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統克服測量滯后的方法通常有兩種：一是盡量選用快速測量元件，以測量元件的時間常數為被控對象的時間常數的十分之一以下為宜；二是在測最元件之后引入微分作用進行補償，以改善控制質量。③傳遞滯后即信號傳輸滯后，主要是由于氣壓信號在管路傳送過程中引起的滯后（電信號的傳遞滯后可以忽略不計）。在采用氣動儀表實現集中控制的場合，調節器和顯示器一般均集中安裝在中心控制室，而檢測變送器和執行器安裝在現場。在由測量變送器至調節器和由調節器至執行器的信號傳遞中，由于管線過長就形成了傳遞滯后。36第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統傳遞滯后總是存在的，克服或減小信號傳遞滯后的方法：①盡量縮短氣壓信號管線的長度，一般不超過300m；②改用電信號傳遞，即先用氣電轉換器把調節器輸出的氣壓信號變成電信號，送到現場后，再用電氣轉換器變換成氣壓信號送到執行器上;③在氣壓管線上加氣動繼動器，或在執行器上加氣動閥門定位器，以增大輸出功率，減少傳遞滯后的影響;④如果變送器和調節器都是電動的，而執行器采用的是氣動執行器，則可將電氣轉換器靠近執行器或采用電氣閥門定位器;⑤如實際情況允許，采用基地式儀表，以消除信號傳遞上的滯后。37第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統（4）執行器的影響執行器是過程控制系統中的一個重要環節，其作用是接受調節器送來的控制信號，調節管道中介質的流量(改變操縱變量)，從而實現生產過程的自動控制。執行器通常為調節閥。由于調節閥直接與介質接觸，當在高溫、高壓、深冷、強腐蝕、高粘度、易結晶、閃蒸、氣蝕等各種惡劣條件下工作時，如果執行器選擇不當或維護不善，常常會使整個系統不能可靠工作，嚴重影響控制系統的質量。38第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統2.2.2調節器的調節規律調節器是控制系統的心臟。它的作用是將測量變送信號與給定值相比較產生偏差信號，然后按一定的運算規律產生輸出信號，推動執行器，實現對生產過程的自動控制。調節規律是指調節器的輸出信號隨輸入信號變化的規律。常用的基本調節規律有：位式比例積分微分——斷續調節連續調節39第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統（1）位式調節規律雙位調節是位式調節規律中最簡單的形式。Δu=umax

當e>0（或e<0）時umin

當e<0（或e>0）時40第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統理想的情況是：當被控變量的測量值低于給定值時，調節器輸出的極限狀態使加熱器供電，被控溫度上升；而當測量值一旦高于給定值時，調節器立刻輸出另一極限狀態使加熱器斷電，被控溫度下降，如此反復進行，使溫度維持在給定值附近很小的范圍內波動。位式調節結構簡單、成本較低、使用方便，一般帶有上下限發信裝置的檢測儀表，如電接點壓力表、水銀定溫計、雙金屬片溫度計、電子電位差計等都可以方便地實現位式調節。但其主要缺點是被控變量總在波動，控制質量不高。當被控對象純滯后較大時，被控變量波動幅度會很大。41第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統在理想的雙位控制系統中，調節機構(繼電器)的啟停過于頻繁，系統中的運動部件(繼電器觸頭)容易損壞，這樣就很難保證控制系統安全可靠地運行。因此，實際應用的雙位調節器都有一個中間區域。雙位調節過程實際是一種斷續作用下的等幅振蕩過程。不能用連續控制作用下的衰減振蕩過程的性能指標來衡量，而是用振幅和周期作為其品質指標。

顯然，振幅小、周期長，控制質量就好。42第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統（2）比例調節規律（P）①比例放大倍數（Kp）:可以人為設定。

Δu(t)=Kpe(t)

Δu(t)=——e(t)ba改變O點位置，可以改變放大倍數。比例調節器的輸出變化量與輸入偏差具有一一對應的比例關系，因此比例控制具有控制及時、克服偏差有力的特點。43第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統

②比例度工業上使用的調節器，常常采用比例度來表示比例作用的強弱。所謂比例度是指調節器的輸入相對變化量與相應輸出的相對變化量之比的百分數。Δ例：一個電動比例調節器，它的量程是100~200℃，輸出信號是0～10mA，當輸入從140℃變化到160℃時，相應的調節器輸出從3mA變化到8mA，則該調節器的比例度為44第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統比例度對控制質量的影響：在相同大小的干擾下，調節器的比例度越小，則比例作用越強，調節器的輸出越大，使被控變量偏離給定值越小，被控變量被拉回到給定值所需的時間越短。但比例度太小時，調節太頻繁，會影響系統穩定性。在調節器的基本調節規律中，比例調節是最基本、最主要、應用最普遍的規律，它能較為迅速地克服干擾的影響，使系統很快地穩定下來。比例控制作用通常適用于干擾少、擾動幅度小、負荷變化不大、滯后較小或者控制精度要求不高的場合。45第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統

（3）比例積分調節規律（PI）

①積分調節規律（I）在積分調節規律中，調節器輸出信號的變化量與輸入偏差的積分成正比。積分調節器的輸出信號的大小不僅與輸入偏差信號的大小有關，而且還取決于偏差存在時間的長短。只要有偏差，調節器的輸出就不斷變化。直到偏差等于零，積分調節器的輸出信號才能穩定。46第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統純積分控制的缺點在于:它不像比例控制那樣輸出△u與輸入e保持同步、反應較快，而是其輸出變化總要滯后于偏差的變化。這樣就不能及時有效地克服擾動的影響，其結果是加劇了被控變量的波動，使系統難以穩定下來。因此，在工業過程控制中，通常不單獨使用積分控制規律，而是將它與比例控制組合成比例積分控制規律來應用。

②比例積分控制規律（PI）是比例與積分兩種控制規律的組合，其數學表達式為47第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統PI規律將比例控制反應快和積分控制能消除余差的優點結合在一起，因而在生產中得到了廣泛應用。在幅度為A的階躍偏差輸入作用下TI為積分時間TI越小，積分控制作用越強；TI越大，積分控制作用越弱，TI特別大時，則只有P調節。48第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統比例調節比例積分調節

Δu(t)=Kpe(t)=—e(t)Δu(t)=KpA＋—Atδ1KpTI比例積分調節規律的適用性很強，在多數場合下均可采用。只是當被控對象的滯后很大時，可能PI調節的時間較長；或者當負荷變化特別劇烈時，PI調節不夠及時。49第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統

（4）比例積分微分調節規律（PID）對于慣性較大的被控對象，如果調節器能夠根據被控變量的變化趨勢來采取調節措施，而不要等到被控變量已經出現較大偏差后才開始動作，那么調節的效果將會更好，等于賦予了調節器以某種程度的預見性，這種調節規律就是微分調節規律。

①微分調節規律（D）在微分調節中，調節器輸出信號的變化量與輸入偏差的變化速度成正比。其數學表達式為Δu(t)=TD———de(t)dt50第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統若在某一時刻T=T0輸入一個階躍變化的偏差信號e(t)＝A，則在該時刻調節器的輸出為無窮大，其余時間輸出為零。顯然這種特性沒有實用價值，稱為理想微分作用。從圖中可看出，微分調節器的輸出只與偏差的變化速度有關，而與偏差的存在與否無關。即微分作用對恒定不變的偏差沒有克服能力，必須與其它控制聯合使用。②比例微分控制規律（PD）51第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統理想的比例微分調節器在物理上是難以實現的，工業上實際采用的PD調節規律是比例作用與近似微分作用的組合。KD——微分增益，工業上一般取5～10；TD——微分時間，工業上一般3s～10min.TD太小由于微分作用總是力圖阻止被控變量的任何變化，所以適當的微分作用有抑制振蕩的效果。若微分作用選擇適當，將有利于提高系統的穩定性。TD適當52第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統④比例積分微分控制規律（PID）不難看出，由上式所描述的調節器在物理上也是無法實現的。工業上實際采用的PID調節器如DDZ型調節器，其傳遞函數為:帶＊量為實際值KP＝FKPTI＝FTITD＝TD／F***53第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統在PID調節器中，比例、積分和微分作用取長補短、互相配合，如果比例度、積分時間、微分時間這三個參數整定適當，就可以獲得較高的控制質量。因此，PID調節器適應性較強，應用普遍。（5）調節規律的選取選擇什么樣的調節規律與具體對象相匹配，是一個比較復雜的問題，需要綜合考慮多種因素。通常，選擇調節器調節規律時應根據對象特性、負荷變化、主要擾動和控制要求等具體情況，同時還應考慮系統的經濟性以及系統投入方便等。54第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統1—比例調節2—積分調節3—PI調節4—PD調節5—PID調節經比較，PID調節的控制作用最佳，但這并不意味著在任何情況下采用PID規律都是合理的。在PID調節器中有三個參數需要整定，如果這些參數整定不合適，也不能達到理想的效果。55第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統控制規律的選取原則：簡單控制系統適用于控制負荷變化較小的被控對象，如果負荷變化較大，無論選擇那種調節規律，簡單控制系統都很難得到滿意的控制質量，此時，應設計選用復雜控制系統。在一般的控制系統中，比例控制是必不可少的。當一些對象控制通道滯后較小，負荷變化較小，而工藝要求不高時，可選擇單純的比例調節規律。如貯罐液位、不太重要的壓力等參數的控制。當一些對象控制通道滯后較小，負荷變化較小，而工藝要求無余差時，可選用比例積分調節規律，如管道壓力、流量等參數的控制。56第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統當一些對象控制通道滯后較大時，應引入微分作用。如工藝允許有余差，可選取比例微分調節規律；如工藝要求無余差時，則選用比例積分微分調節規律，如溫度、成分、pH等參數的控制。當一些對象控制通道滯后較大、負荷變化也較大時，比例積分微分調節規律也往往不能滿足控制要求，這時應選用復雜控制系統。57第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統2.2.3調節器參數的工程整定當一個控制系統設計安裝完成后，系統各個環節以及被控對象各通道的特性就不能再改變了，而唯一能改變的就是調節器的參數，即調節器的比例度δ、積分時間TI和微分時間TD。通過改變求取這三個參數的最佳值，獲得較好的控制質量，這就是調節器參數的整定。整定方法理論計算整定法工程整定：根軌跡法、頻率響應法、偏差積分準則等：經驗試湊法、臨界比例度法、衰減曲線法58第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統（1）經驗試湊法若將控制系統按液位、流量、溫度和壓力等參數來分類，屬于同一類別的系統，其對象特性比較接近。所以無論是調節規律的形式還是所整定的參數均可相互參考。經驗試湊法就是根據被控變量的性質在已知合適的參數（經驗參數）范圍內選擇一組適當的值作為調節器當前的參數。然后直接在運行的系統中，人為地加上階躍干擾，通過觀察記錄儀表上的過渡過程曲線，并以比例度、積分時間、微分時間對過渡過程的影響為指導，按照某種順序反復試湊比例度、積分時間、微分時間的大小，直到獲得滿意的過渡過程曲線。59第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統溫度系統其對象容量滯后較大，被控變量受干擾作用后變化遲緩，一般選用較小的比例度，較大的積分時間，同時要加人微分作用，微分時間是積分時間的四分之一。流量系統是典型的快速系統，對象的容量滯后小，被控變量有波動。對于這種過程，不用微分作用，宜用PI調節，且比例度要大，積分時間可小。液位系統其對象時間常數范圍較大，對只需要實現平均液位控制的地方，宜用純比例控制，比例度要大，一般不用微分作用，要求較高時應加人積分作用。60第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統壓力系統通常為快速系統，對象的容量滯后一般較小，其參數的整定原則與流量系統的整定原則相同。但在某些情況下，壓力系統也會成為慢速系統。在如圖系統中，通過控制換熱器的冷劑量來影響壓力，因此熱交換的動態滯后和流量滯后都會包含在壓力系統中，從而構成一個有多容對象組成的慢速過程，這類系統的參數整定原則應參照典型的溫度系統。61第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統經驗試湊法簡單可靠，容易掌握，適用于各種系統。特別是對于外界干擾作用較頻縈的系統，采用這種方法更為適合。但這種方法對于調節器參數較多的情況，不易找到最好的整定參數。62第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統（2）臨界比例度法臨界比例度法整定參數的具體步驟是：首先將調節器的積分作用和微分作用全部除去，在純比例的情況下，按比例度δ從大到小的變化規律，對應于某一δ值做小幅度的設定值階躍干擾.直到獲得等幅振蕩過渡過程曲線。這時的比例度為臨界比例度δK，振蕩周期即為臨界周期TK，臨界周期TK可在過渡過程曲線上求取。最后根據經驗公式計算出調節器各參數的整定數值。63第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統

需要指出的是：使用臨界比例度法整定調節器參數有兩個條件：一是工藝允許被控變量做等幅振蕩；二是在獲取等幅振蕩曲線時，應特別注意，不能使控制閥出現全關、全開的極限狀態。（3）衰減曲線法在一些不允許或不能得到等幅振蕩的情況下，可考慮采用修正方法——衰減曲線法。它與臨界比例度法的唯一差異僅在于前者是以在純比例下獲得4:1衰減振蕩曲線為參數整定的依據。衰減曲線法整定參數的具體操作步驟與臨界比例度法相同，但只需獲得4:1衰減振蕩過渡過程曲線即可，記下此64第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統時的比例度δK，并在4:1曲線上求得振蕩周期TS。然后根據經驗公衰減曲線法的整定方法簡單、可靠，而且整定的質量較高，目前應用較廣。但這種方法操作時其他工藝上的干擾要設法免除，否則，記錄曲線將是幾種外界干擾作用同時影響的結果，不可能得到正確的4:1衰減曲線上的比例度和振蕩周期。式，求出相應的比例度、積分時間和微分時間。65第二章過程裝備控制基礎2單回路控制系統以上介紹的調節器參數的三種工程整定方法，它們都不需要預先知道被控對象的特性，而是直接在閉合的系統中進行整定。如果預先知道被控對象特性的話，那么，根據理論分析計算的方法求出調節器參數的數值，再在閉合系統投運中進行適當調整，將會更方便、迅速和準確。另外需要指出的是，對調節器參數的整定是在一定的工藝操作條件和一定的負荷下進行的。那么一組調節器參數在一種工作狀態下是最佳的，而在另一種工作狀態下就不一定是最佳的。所以，當工藝操作條件或負荷發生較大變化時，調節器參數往往需要重新整定。66第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統2.3復雜控制系統在前面，主要討論了單回路控制系統，系統中只使用了一個調節器、一個執行器和一個檢測變送器。在大多數情況下，這種簡單控制系統已能夠滿足工藝要求。但也有另外一些情況，例如被控對象的動態特性決定了它很難控制，而工藝對調節質量的要求又很高；或者控制的任務比較特殊，單回路控制系統無法實現。另外，隨著生產過程向大型化、連續化方向發展，對操作條件要求也更高，參數間相互關系更加復雜，對控制系統的精度和功能提出了許多新的要求。為此，需要在單回路控制的基礎上，設計開發一類復雜控制系統，以滿足生產過程控制的要求。67第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統對于復雜控制系統，通?？筛鶕溟_發目的的差異，將其分為兩大類。為提高響應曲線的性能指標而開發的控制系統開發這類系統的目的，主要是企圖獲得比單回路PID控制更優越的過渡過程質量，如串級控制系統、前饋控制系統等。按某些特殊目的而開發的控制系統這是為滿足不同的化工生產工藝、操作方式、乃至特殊的控制性能指標而開發的控制系統，如比值控制系統、分程控制系統等。68第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統2.3.1串級控制系統串級控制的基本原理實例1：管式加熱爐控制變量：油料出口溫度操縱變量：燃料供給量擾動因素：原料流量和溫度；燃料油的熱值、壓力；噴油用蒸汽壓力；配風及其溫度等。（對象特性：滯后嚴重、控制要求高ΔT＝±2％）69第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統串級控制：爐膛內部的擾動，由2號傳感器經TC2先去調節克制；剩余偏差由1號傳感器和TC1二次調整克制。70第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統實例2：連續反應器控制變量：反應溫度操縱變量：冷水供給量擾動因素：原料流量和溫度；冷卻水的溫度、壓力。71第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統總結：串級控制系統由兩套檢測變送器、兩個調節器、兩個被控對象和一個調節閥組成，其中的兩個調節器串聯起來工作，前一個的輸出作為后一個的給定值。后一個調節器的輸出才送往調節閥。串級控制系統與簡單控制系統有一個顯著的區別，它在結構上形成了兩個閉環。副環起著“粗調”的作用;主環用來完成“細調”任務，以保證被控變量滿足工藝要求。72第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統（2）串級控制系統的主要特點及其應用場合①能迅速克服進入副回路的干擾，這是串級控制系統的主要特點。因此，在設計串級控制系統時，應設法讓主要擾動的進入點位于副回路內。②能改善被控對象的特性，提高系統克服干擾的能力。③具有一定的自適應能力，提高了系統的控制精度。凡是可以利用上述特點之一來提高系統的控制品質的場合，都可以采用串級控制系統，特別是在被控對象的容量滯后大、干擾強、要求高的場合，采用串級控制可以獲得明顯的效果。73第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統2.3.2前饋控制系統在前面討論的控制系統中，都是按偏差來進行調節的反饋控制系統，調節器均是根據已經出現的偏差進行調節。也就是說，反饋控制根本無法將擾動克服在被控變量偏離給定值之前，調節作用總不及時，從而限制了調節質量的進一步提高。為了改變反饋控制不及時和不穩定的內在因素，提出一種前饋控制的原理。本小節介紹前饋控制的基本原理及其應用。74第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統基本原理：前饋控制又稱擾動補償，它是一種與反饋控制原理完全不同的控制方法。前饋控制的基本概念是測量進入過程的干擾(包括外界干擾和設定值變化)，并按其信號產生合適的控制作用去改變操縱變量，使被控變量維持在設定值上。被控變量：出口溫度；操控變量：蒸汽流量。75第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統設計得好的話，就有可能使補償通道的作用很好地抵消擾動f對被控對象的影響，使得操控變量不依賴于被控變量的偏差。

前饋控制與反饋控制比較：在反饋控制中，信號的傳遞形成了一個閉環系統。而在前饋控制中，則只是一個開環系統。閉環系統存在一個穩定性的問題，調節器參數的整定首先要考慮這個穩定性問題。但是，對于開環控制系統來講，這個穩定性間題是不存在的，補償的設計主要是考慮如何獲得最好的補償效果。在理想情況下，可以把補償器設計到完全補償，即在所考慮的擾動作用下，被控變量始終保持不變。76第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統前饋控制的主要結構形式①靜態前饋控制：穩態下，利用物料或能量平衡算式，實現對擾動的完全補償即可。以熱交換器為例，熱平衡表達式為qvCp(θ－θi)＝GsHsGs＝qv——(θ－θi)CpHs77第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統②前饋--反饋控制系統在理論上，前饋控制可以實現被控變量的不變性，但在工程實踐中，由于下列原因，前饋控制系統依然會存在偏差。

實際的工業對象會存在多個擾動。一般僅選擇幾個主要干擾作前饋通道。這樣設計的前饋控制器對其他干擾是絲毫沒有校正作用的。受前饋控制模型精度限制，模型的誤差將導致非完全補償，使被控變量最終存在偏差。用儀表實現前饋控制時，往往作了近似處理，尤其當綜合得到的前饋控制算式包含有純超前環節或純微分環節時，它們在物理上是不能實現的，構成的前饋控制器只能是近似的。78第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統為了解決前饋控制不檢測被控變量余差的局限性，在工程上往往將前饋與反饋結合起來應用。這樣既發揮了前饋校正作用及時的優點，又保持了反饋控制能克服多種擾動及對被控變量最終檢驗的長處，是一種適合化工過程控制的控制方法。79第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統前饋一反饋控制系統的優點：

從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對前饋控制模型的精度要求，并能對未選作前饋信號的干擾產生校正作用。

從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時的粗調作用，大大減輕了反饋控制的負擔。除了上述兩種前饋控制系統外，還有動態前饋控制和多變量前饋控制等。這兩類前饋控制形式計算復雜，構成較難，在此不再詳細討論。80第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統2.3.3比值控制系統在化工生產中，經常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進行化學反應，一旦比例失調，輕則造成產品質量不合格，重則發生危險。例如聚乙烯醇生產中，樹脂和氫氧化鈉必須按一定比例進行混合，否則樹脂將發生自聚而影響生產的正常進行。又如稀硝酸生產中的氧化爐，氨和空氣應保持一定的比例，否則將使反應不能正常進行，而氨和空氣比超過一定極限將會引起爆炸。比值控制的目的，就是為了實現幾種物料符合一定的比例關系，以使生產能安全正常地進行。81第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統根據反饋控制原理，為了保證出口濃度，可設計出口濃度為被控變量，入口水(或堿)流量為操縱變量的單回路反饋控制系統。但由于濃度信號的獲取較困難并滯后較大，影響控制質量。根據前饋控制原理，若某一輸人物料流量變化時，另一物料也能按比例跟隨變化，則可以達到對出口濃度的完全補償。對于上述混合問題，通過簡單的化學計算可知，只要入口30%Na0H和H2O的流量之比為1:4～1:2.75，就可以滿足出口Na0H溶液濃度達到6%～8%。對于這樣一個濃度控制問題，也就成為流量比值控制問題。82第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統

（1）定比值控制系統定比值控制系統的一個共同特點是系統以保持兩種物料流量比值恒定為目的，比值器的參數經計算設置好后不再變動，工藝要求的實際流量比值r也就固定不變，因此，稱為定比值控制系統。定比值控制系統分類開環比值控制系統單閉環比值控制系統雙閉環比值控制系統83第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統①開環比值控制系統一般情況下，以生產中的主要物料或不可控物料作為主流量，通過改變可控物料流量(副流量)的方法來實現它們的比例關系。副流量本身無抗干擾能力。因此開環比值控制方案，只有當副流量較平穩且流量比值要求不高的場合采用。84第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統②單閉環比值控制系統為了克服開環比值控制系統的缺點，可在副流量對象中引人一個閉合回路。當副流量由于自身干擾而變化時，此時副流量調節是一個定值系統，經反饋克服自身的于擾。從方框圖中可以看出，系統中只包含了一個閉合回路，故稱為單閉環比值控制系統。85第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統單閉環比值控制系統的優點是兩種物料流量的比值較為精確，實施也比較方便，所以在工業中得到了廣泛的應用。然而，兩物料的流量比值雖然可以保持一定，但如果主流量qvl是可變的，即進入的總流量不固定的話，負荷波動會給反應過程帶來一定的影響，有可能使整個反應器的熱平衡遭到破壞，甚至造成嚴重事故，這是單閉環比值控制系統無法克服的一個弱點。86第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統③雙閉環比值控制系統為了能實現兩流量的比值恒定，又能使進人系統的總負荷平穩，在單閉環比值控制的基礎上又出現了雙閉環比值控制。它與單閉環比值控制系統的差別在于主流量也構成了閉合回路，有了兩個閉合回路。在雙閉環比值控制系統中，兩個閉合回路可以克服各自的外界干擾，使主、副流量都比較平穩，流量間的比值可通過比值器實現。87第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統雙閉環比值控制系統的缺點是所用的儀表較多，投資高。一般情況下，采用兩個單回路控制系統分別穩定主流量和副流量，也可以達到目的。88第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統（2）變比值控制系統如前所講定比值控制的各種方案只考慮如何來實現比值關系，沒有考慮兩種物料混合或反應后最終質量是否符合工藝要求。因此，從最終質量的角度來看，定比值控制系統是開環的。由于工業生產過程中的干擾因素很多，當系統中存在著除流量干擾以外的其他干擾（如溫度、壓力、成分以及反應器中觸媒衰老等干擾）時，原來設定的比值器系數就不能保證產品的最終質量，需進行重新設置。但是，這種干擾往往是隨機的，且干擾幅度又各不相同，無法用人工經常去修正比值器的參數，于是出現了按照某一工藝指標自動修正流量比值的變比值控制系統。89第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統當系統中出現除流量之外的其他干擾引起主參數y變化時，通過主反饋回路使主控制器輸出變化，修改兩流量的比值，以保持主參數的穩定。對于進入系統的主流量qv1的干擾，由于比值控制回路的快速隨動跟蹤，使副流量按qv2=rqvl關系變化，以保持主參數y穩定，它起了靜態前饋的作用。對于副流量本身的干擾，同樣可以通過自身的控制回路克服，它相當于串級控制系統的副回路。因此，這種變比值控制系統實質上是一種靜態前饋—串級控制系統，也可稱為串級比值控制系統。90第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統(3)比值控制系統的實施①應用比值器的方案<Io=(Ic1-4)K+4>a流量與測量信號之間存在線性關系或用差壓測量并經過開方運算時：b用差壓法測量流量，但未經開方運算比值器的比值系數K只能在一定范圍內調整（如0.25～4），所以要實現預定的流量比r，變送器的量程必須適當選擇，若選擇適當，K值在1附近。91第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統②應用乘法器的方案<Io=——————＋4>a當流量為線性變送時(Ic1-4)(Is-4)16b當流量為非線性變送時利用以上兩式，按工藝要求的流量比值r來設置Is。92第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統③應用除法器的方案:顯然，它還是一個單回路控制系統，只是控制器的測量值和給定值都是流量信號的比值，而不是流量本身。除法器方案的優點是直觀，可直接讀出比值，使用方便，可調范圍寬;但也有其弱點:由于比值的計算包含在控制回路中，因此對象的放大倍數隨負荷的不同而發生變化，當負荷較小時，系統不易穩定，現已逐漸被乘法器方案所取代。93第二章過程裝備控制基礎3復雜控制系統2.3.4選擇性控制系統通常的自動控制系統只能在正常情況下工作，而隨著生產過程自動化的發展，如何保證生產工藝過程的安全操作，盡量減少開、停車中的不穩定工況，成為工業自動化中的一個重要課題。選擇性控制就是解決這個課題的一種控制系統。基本原理：通常的自動控制系統在遇到不正常工況或特大擾動時，很可能無法適應，只能從自動改為手動。例如，大型壓縮機、泵、風機等