第三章簡單過程控制系統----單回路控制系統的工程設計

過程控制系統工程設計概述控制方案設計檢測、變送器選擇執行器(調節閥)選擇控制器(調節器)選擇過程計算機控制系統的設計過程控制系統的投運和控制器參數整定單回路控制系統的設計舉例簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計單回路過程控制系統亦稱單回路調節系統，簡稱單回路系統，一般是指針對一個被控過程(調節對象)，采用一個測量變送器監測被控過程，采用一個控制(調節)器來保持一個被控參數恒定(或在很小范圍內變化)，其輸出也只控制一個執行機構(調節閥)。Single-Loopcontrolsystem簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計特點：結構簡單，投資少，易于調整和投運，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或者對被控變量要求不高的場合，約占目前工業控制系統的80%以上。其分析、設計方法是其它各種復雜過程控制系統分析、設計的基礎。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計第一節過程控制系統工程設計概述要分析、設計和應用好一個過程控制系統：

首先應對被控過程做全面了解，對工藝過程、設備等做深入的分析；

然后應用自動控制原理與技術，擬定一個合理正確的控制方案，選擇合適的檢測變送器、控制(調節)器、執行器，從而達到保證產品質量、提高產品產量、降耗節能、保護環境和提高管理水平等目的。本節介紹過程控制系統設計中的一些共性的原則。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計一、對過程控制系統設計的一般要求

安全性：最重要也是最基本的要求。通常采用參數越限報警、事故報警、聯鎖保護等措施加以保證。

穩定性：絕對穩定、穩定裕量、良好的動態響應特性(過渡過程時間短，穩態誤差小等)。

經濟性：提高產品質量、產量的同時，降耗節能，提高經濟效益與社會效益。采用先進的控制手段，優化控制。在工程上，以上要求往往相互矛盾。因此在設計時，應根據實際情況，分清主次，以保證滿足最重要的質量、指標要求并留有余地。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計過程控制系統的品質由組成系統的結構和各個環節的特性所決定。因此對于過程控制系統設計者來說除了掌握自動控制理論、計算機、儀器、儀表知識外，還要十分熟悉生產過程的工藝流程，從控制的角度理解它的靜態與動態特性，并能針對不同被控過程、不同的生產工藝控制要求，設計不同的控制系統。

例：熱交換過程：過程特性復雜，時延明顯

液位過程：時間常數有大有小

燃燒過程：燃料不一（煤、油、氣等）簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計二、過程控制系統設計步驟

過程控制系統的設計，從任務的提出到系統投入運行，是一個從理論設計到實踐，再從實踐到理論設計的多次反復的過程，往往要多次用試探法和綜合法并借助計算機來模擬仿真。1．建立被控過程的數學模型只有掌握了(深入了解了)過程的數學模型，才能深入分析過程的特性和選擇正確的控制方案。2．選擇控制方案根據設計任務和技術指標要求，經過調查研究，綜合考慮安全性、穩定性、經濟性和技求實施的可行性、簡單性，進行反復比較，選擇合理的控制方案。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

過程方案初步確定后，應用控制理論并借助計算機輔助分析進行系統靜態、動態持性分析計算，判定系統的穩定性、過渡過程等特性是否滿足系統的品質指標要求。3.控制設備選型根據控制方案和過程特性、工藝要求，選擇合適的測量、變送器、控制器(控制規律)、執行器(調節閥)等。4.實驗(和仿真)

有些在系統設計過程中難以考慮的因素，可以在實驗中考慮，同時通過實驗可以檢驗系統設計的正確性，以及系統的性能。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計控制方案設計：系統設計的核心。若控制方案設計不正確，則無論選用何種先進的過程控制儀表或計算機系統，其安裝如何細心，都不可能使系統在工業生產過程中發揮良好的作用，甚至系統不能運行。工程設計：包括儀表或計算機系統選型、控制室操作臺和儀表盤設計、供電供氣系統設計、信號及聯鎖保護系統設計等。工程安裝和儀表調校調節器參數整定三、過程系統設計的主要內容簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計四、系統設計中的若干問題1．越限報警與聯鎖保護例：加熱爐熱油出口溫度的設定值為300℃，工藝要求其高、低限分別為305℃和295℃。例：加熱爐運行中出現嚴重故障必須緊急停止運行時，應立即先停燃油泵，然后關掉燃油閥，經過一定時間后，停止引風機，最后再切斷熱油閥。2．其它系統安全保護對策危險環境條件(如高溫、高壓、易燃、易爆、強腐蝕等)下，還必須采取相應的安全保護對策，如采用系統可靠性設計，選用本質安全防爆〔防腐、防爆結構材料)的儀器儀表及裝置等。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計第二節控制方案設計

單回路系統(圖3—1)控制方案設計包括：合理選擇系統性能指標合理選擇被控參數Y(s)和控制參數Q(s)合理設計(選擇)控制(調節)規律Wc(s)被控參數的測量與變送Wm(s)、執行器(調節閥)Wv(s)的選擇簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

被控過程總是不時受到各種外來干擾的影響，即系統經常處于動態過渡過程，因而評價一個過程控制系統的性能、質量，主要看它在受到外來擾動作用或給定值發生變化后，能否迅速地、準確地且平穩地(而不是劇烈振蕩地)回復(或趨近)到原(或新)給定值上。(一)系統階躍響應性能指標

1．余差(靜態偏差)C

(靜態指標)

指系統過渡過程終了時，給定值與穩態值之差。一般要求余差為零或不超過預定值。一、過程控制系統的性能指標簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2．衰減率Ψ：

(動態指標)

反映系統的穩定程度，應根據生產過程的特點來確定適宜的Ψ值，一般取0.75~0.9。（衰減比4:1~10:1）3．最大偏差A(或超調量σ)

定值系統的最大偏差是指被控參數第一個波峰值與給定值的差；隨動系統通常采用超調量指標，即4．過渡過程時間ts

指系統從受擾動作用時起，到被控參數進入新的穩態值±5%(±2%)的范圍內所經歷的時間。(快速性指標)簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

上述有的性能指標之間是相互矛盾的，應根據工藝生產的具體要求，分清主次，統籌兼顧。(二)偏差積分性能指標以目標函數形式表示，屬于綜合指標。

1.偏差絕對值積分(IAE--IntegralofAbsoluteError)

適用于衰減和無靜差系統。

2.偏差絕對值與時間乘積的積分(ITAE)簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計3．偏差平方值積分(ISE)4．時間乘偏差平方積分(ITSE)

不同的積分性能指標對動態過渡過程的要求側重點不同。例如ISE著重于抑制過渡過程中的大誤差，而ITAE和ITSE則著重懲罰過渡過程時間拖得太長，被廣泛應用于最優化分析和設計中，其中ITSE兼顧抑制過程中的大誤差。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計二、被控參數(被控變量、被控量)的選擇

對于一個生產過程，影響操作的因素很多，但并非對所有影響因素都需加以控制。而必須根據工藝要求，深入分析工藝過程，找出對產品的產量和質量、安全生產、經濟運行、環境保護等具有決定性作用，能較好反映工藝生產狀態變化的參數(這些參數又是人工控制難以滿足要求，或操作十分緊張、勞動強度很大，客觀上要求進行自動控制的參數)作為被控參數。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

當選擇直接參數有困難時(如直接參數檢測很困難或根本無法進行檢測)，可以選擇間接參數(能間接反映產品產量和質量，與直接參數有單值對應關系，易于測量)。例如，精餾塔：塔頂餾出物(或塔底殘液)的濃度應選作被控參數，因為它最直接地反映產品的質量。但目前對成分的測量尚有一定的困難，于是一般采用塔頂(或塔底)溫度代替濃度作為被控參數。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

注意：間接參數必須與直接參數有單值函數關系，而且要有足夠的靈敏度，同時還應考慮到工藝的合理性等。直接參數或間接參數的選擇并不是唯一的(更不是隨意的)，要通過對過程特性的深入分析，才能作出正確的選擇。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計歸納：選取被控參數的一般原則

1)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。

2)當不能用直接參數時，應選擇一個與直接參數有單值函數關系的參數作為被控參數。

3)必須具有足夠高的靈敏度。

4)必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計三、控制參數(控制變量)的選擇

在有的生產過程中，控制參數的選擇是很明顯的(唯一確定的)，如鍋爐水位控制系統，控制參數只能選給水量。但是在有的生產過程中，可能有幾個控制參數可供選擇，這就要通過分析比較不同的控制通道和不同的擾動通道對控制質量的影響而作出合理的選擇。所以正確選擇控制參數，就是正確選擇控制通道的問題。討論選擇控制參數的一般原則，可從過程特性對控制質量的影響入手。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(—)過程靜態特性的分析設單回路控制系統如圖3—4a。

Wc(s)為控制(調節)器與執行機構的傳遞函數；Wo(s)為控制通道的傳遞函數；Wf(s)為擾動通道的傳遞函數。并設簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

被控量Y(s)對擾動F(s)的閉環傳遞函數為

單位階躍擾動作用下系統穩態值可用終值定理求得

可見，擾動通道靜態放大系數Kf愈大，則系統的穩態誤差也愈大?？刂仆ǖ赖撵o態放大系數Ko愈大，表示控制作用愈靈敏，克服擾動的能力愈強，控制效果愈顯著。因此，確定控制參數時，應使Ko大于Kf。當這一要求不能滿足時，可通過調節Kc來補償，使KcKo遠大于Kf。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(二)過程動態特性的分析1.擾動通道動態特性對控制質量的影響

(1)擾動通道時間常數Tf的影響圖3—4所示單回路控制系統:

，設

系統特征方程式中增加了一個極點（-1/Tf）。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

如圖3—5。隨著時間常數Tf的增大，極點a將向jw軸靠近，從而過渡過程時間加長（作用較平緩）。由于過渡過程乘了一個1/Tf(見式(3-11))，使整個過渡過程的幅值減小Tf倍，從而使其超調量隨著Tf的增大而減小。

因為Wf(s)為慣性環節，它對擾動F(s)起著濾波作用，抑制擾動對被控參數的影響。所以擾動通道的時間常數Tf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。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)擾動通道時延(純滯后)τf的影響如圖3—6，當擾動通道有純滯后時，系統對擾動的閉環傳遞函數為根據拉氏變換的平移定理，可得到圖3-4與圖3-6系統在單位階躍干擾作用下，被控量的時間響應y(t)與yτ(t)間的關系為yτ(t)＝y(t-τ)

簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

可見，干擾通道存在純時間滯后時，理論上不影響控制質量，僅使被控參數對干擾的響應在時間上比無滯后存在時推遲了τf值。(3)擾動作用點位置擾動引入系統的位置不同，對被控參數的影響也不同(圖3—7)。設三只水箱均為一階慣性環節，它對擾動f起著濾波作用，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(如f1要通過3個串聯的一階慣性環節)時，則對其影響愈小。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計圖3-7擾動引入系統的位置對被控參數的影響簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2．控制通道動態特性對控制系統的影響設控制系統的臨界放大系數為Kmax，臨界振蕩頻率為ωc。Kmax與ωc以及Kmaxωc

一定程度上代表了被控過程的控制性能(Kmax越大，可選放大系數K越大，系統穩態誤差越??；ωc越大，可選系統工作頻率ω越大，過渡過程越快)，并為研究控制通道動態特性(即時間常數和時延)對系統控制質量的影響提供了方便。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

由表3-l可知，控制通道中時間常數大、階數高、有純滯后環節都將使過程的Kmax與ωc值變小，從而使控制性能變差?？梢姂x擇時間常數較小、純滯后小的通道作為控制通道。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(1)時間常數T0的影響控制通道時間常數T0的大小反映了控制作用的強弱，反映了控制器的校正作用克服擾動對被控參數影響的快慢。若T0太大，則控制作用太弱，被控參數變化緩慢，控制不及時，系統過渡過程時間長，控制質量下降。若T0太小，雖然控制作用強，控制及時，克服擾動影響快，過渡過程時間短，但易引起系統振蕩，使系統穩定性下降，亦不能保證控制質量。所以在系統設計時，要求控制通道時間常數T0適當小一點，使其校正及時，又能獲得較好的控制質量。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)時間滯后的影響控制通道的時間滯后包括純滯后τo和容量滯后τc兩種。它們對控制質量的影響不利，尤其是τo影響最壞。

無純滯后時系統開環傳遞函數：有純滯后時系統開環傳遞函數：簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

由于存在τo

，將使相角滯后增加ωτo

弧度(圖3—9)。由圖可知，當τo≠0時，隨KcKo的增大，有可能包圍(-1，j0)點。當τo值愈大時，這種可能將愈大?？梢?，純滯后τo的存在將降低系統的穩定性。

當控制通道存在純滯后時，控制器的校正作用將要滯后一個時間τo

，從而使超調量增加，使被控參數的最大偏差增大，引起系統動態指標下降。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

控制通道的容量滯后τc同樣會造成控制作用不及時，使控制質量下降。但是τc的影響比純滯后τo對系統的影響緩和。另外，若引入微分作用，對于克服τc對控制質量的影響有顯著的效果。(3)時間常數分配的影響

如某系統(圖3—l)開環傳遞函數：其中T1＝10s，T2=5s，T3＝2s。若每次改變其中一個或兩個時間常數，可求得一組Kmax，ωc和Kmaxωc值，如表3—2所示。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

由表3—2可知，減小過程中最大的時間常數T1，反而引起控制質量下降；相反增大最大時間常數T1，雖ωc略有下降，但Kmax增長，有助于提高控制指標；而減小T2或T3都能提高控制性能指標，若同時減小T2、T3，則提高性能指標的效果更好。因此，在選擇控制通道以及選擇調節閥、測量變送器和設計控制(調節)器時，使開環傳遞函數中(包括控制器、調節閥、被控過程以及測量變送器)的幾個時間常數數值錯開，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等，改善控制質量。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

在實際生產過程中，若過程本身存在多個時間常數，則最大的時間常數往往涉及生產設備的核心，不能輕易改動，但減小第二、三個時間常數較易實現。

(三)根據過程特性選擇控制參數的一般原則1)控制通道的放大系數Ko要適當大一些；時間常數To要適當小一些；純滯后τo愈小愈好，在有純滯后τo的情況下，τo和To之比應小一些(小于1)，若其比值過大，則不利于控制。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2)擾動通道的放大系數Kf應盡可能小；時間常數Tf要大；擾動引入系統的位置(指框圖中的位置)要靠近調節閥。

3)當過程本身存在多個時間常數，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它時間常數大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數。這一原則同樣適用于控制(調節)器、調節閥和測量變送器時間常數的選擇，控制器、調節閥和測量變送器(均為系統開環傳遞函數中的環節)的時間常數應遠小于被控過程中最大的時間常數。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計第三節檢測、變送器選擇對被控參數迅速、準確地測量(準確地反映實際變化情況)是實現高性能控制的重要前提。檢測與變送設備主要根據被檢測參數的性質與系統設計的總體考慮來決定。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計1．盡可能選擇測量誤差小的測量元件設控制器與執行機構，過程測量變送器，則當Kc很大時，簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

當Kc很大時，可見，對單回路定值控制系統這樣的定值閉環反饋控制系統，當控制器放大倍數Kc較大(或含有積分因子)時，其穩態誤差(設擾動不變)取決于反饋通道誤差即測量誤差的大小。當存在測量誤差，即當Km＝Km0+?Km(Km0為測量元件的標稱放大系數)時，被控參數與給定值間不再只有固定的對應關系(差一個系數)，而將隨測量誤差?Km的值而變動。高質量的控制離不開高質量的測量。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2.盡可能選擇快速響應的測量元件與變送設備

檢測與變送器都有一定的時間常數，造成所謂的測量滯后與信號傳送滯后。如熱電偶溫度檢測需要建立熱平衡，因而響應較慢產生測量滯后；又如氣動組合儀表中，現場測量元件與控制室調節器間的信號通過管道傳輸則產生傳送滯后。為克服其不良影響，在系統設計中，應盡可能選用快速測量元件并盡量減小信號傳送時間(如縮短氣動傳輸管道)，一般選其時間常數為控制通道時間常數的l／10以下為宜。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計3.正確采用微分超前補償

當系統中存在較大的測量滯后(如溫度與蒸汽壓力測量，存在相當大的容量滯后)，為了獲得真實的參數值，可在變送器輸出端串一微分環節(圖3—11)：輸出與輸入間的關系為若能使TD=Tm，則P(s)=KmT(s)，輸出與輸入呈簡單的正比關系，消除了測量滯后產生的動態誤差。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計但微分超前控制的使用要慎重，因為（1）要使TD=Tm極為困難。（2）微分作用將放大測量、變送回路中的高頻噪聲干擾，使系統變得不穩定。（3）微分作用對于純滯后是無能為力的。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計4．合理選擇測量點位置并正確安裝測量點位置的選擇，主要著眼于盡可能減小參數測量滯后與傳送滯后，同時也要考慮安裝方便。

(1)測量信號校正在檢測某些過程參數時，測量值往往要受到其它一些參數的影響，例如發電廠過熱蒸汽流量測量，通常用標準節流元件。在設計參數下運行時，這種節流裝置的測量精度較高，當參數偏離給定值時，測量誤差較大，其主要原因是蒸汽密度受壓力和溫度的影響較大。為此，必須對其測量信號進行壓力和溫度校正(補償)。5.對測量信號作必要的處理簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)測量信號噪聲(擾動)的抑制在測量某些參數時，由于其物理或化學特點，常常產生具有隨機波動特性的過程噪聲。若測量變送器的阻尼較小，其噪聲會疊加于測量信號之中影響系統的控制質量，所以應考慮對其加以抑制。例如測量流量時，常伴有噪聲，故常常引入阻尼器來加以抑制。有些測量元件本身具有一定的阻尼作用，測量信號的噪聲基本上被抑制，如用熱電偶或熱電阻測溫時，由于其本身的慣性作用，測量信號無噪聲。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(3)對測量信號進行線性化處理在檢測某些過程參數時，測量信號與被測參數之間成某種非線性關系。這種非線性特性，一般由測量元件所致。通常線性化措施在儀表內考慮或測量信號送入計算機后通過數字運算來線性化。如熱電偶測溫時，熱電動勢與溫度是非線性的，當配用DDZ—III型溫度變送器時，其輸出的測量信號就已線性化了，即變送器的輸出電流與溫度成線性關系。因此是否要進行線性化處理，具體問題要作具體分析。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計第四節執行器(調節閥)選擇

在過程控制中，執行器(亦稱執行機構)大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體的流量與流速，其特性好壞對控制質量的影響很大。實踐證明，若調節閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控制質量。所以，應根據生產過程的特點、被控介質的情況(尤其關注高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結晶、強腐蝕、高粘度等介質)和安全運行的需要，并從系統設計的總體考慮，選用合適的執行器。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

在過程控制中，使用最多的是氣動執行器，其次是電動執行器，較少采用液動執行器。（表3-3）簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計1．選擇合適的調節工作區間調節閥的Dg、dg必須很好選擇，在正常工況下要求調節閥開度處于15％~85％之間。

若調節閥口徑選得過小，當系統受到較大擾動時，調節閥可能運行在全開或接近全開的非線性飽和工作狀態，使系統暫時失控；

若調節閥口徑選得過大，系統運行中閥門會經常處于小開度的工作狀態，不但調節不靈敏，而且易造成流體對閥芯、閥座的嚴重沖蝕，在不平衡力作用下產生振蕩現象，甚至引起調節閥失靈。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2．選擇合適的流量特性

首先根據過程控制系統的要求，確定工作流量特性，然后根據流量特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性。在具體選擇調節閥的流量特性時，根據被控過程特性來選擇調節閥的工作流量特性，若過程特性為線性時，可選用線性流量特性的調節閥；若過程特性為非線性，應選用對數流量特性的調節閥。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計當阻力比S確定后，可從工作流量特性出發，決定理想流量特性。當S＝1~0.6時，理想流量特性與工作流量特性幾乎相同；當S＝0.3~0.6時，調節閥流量特性無論是線性的或對數的，均應選擇對數的理想流量特性；當S＝0.3時，一般已不宜用于自動控制。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計3．選擇合適的調節閥氣開、氣關形式主要是考慮在不同工藝條件下安全生產的需要。選用氣動調節閥應考慮以下情況：

1)考慮事故狀態時人身、工藝設備的安全。當過程控制系統發生故障(如氣源中斷、控制器損壞或調節閥壞了)時，調節閥所處的狀態不致影響人身和工藝設備的安全。

例：鍋爐供水調節閥進加熱爐的燃料氣(油)的調節閥簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2)考慮事故狀態下減少經濟損失，保證產品質量。

例：精餾塔進料調節閥精餾塔回流量調節閥3)考慮介質的性質。

例：裝有易結晶、易凝固物料的裝置的流量調節閥簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計第四節控制器(調節器)的選擇在過程控制中，控制器常稱為調節器(控制常稱為調節)?？刂破鞯倪x型與控制規律的確定是系統設計中最重要的環節。控制器的選型主要根據被控過程的特性、工藝對控制品質的要求、系統的總體設計(包括經濟性)來綜合考慮。本節討論控制器選擇中的共性問題。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計1．選擇控制器的控制規律

(1)根據τ0／T0比值來選擇：當已知過程數學模型

τ0／T0<0.2時，選用P或PI控制規律；

0.2<τ0／T0<1.0時，選用PI或PID控制規律；

τ0／T0>1.0

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。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)根據過程特性選擇控制規律：若過程的數學模型比較復雜或無法準確建模時，可根據何種控制規律適用于何種過程特性與工藝要求來選擇。1)比例(P)：P控制規律能較快地克服擾動的影響，使系統穩定下來，但有余差。適用于控制通道滯后較小，負荷變化不大，控制要求不高，時間常數不太大，擾動幅度較小，被控參數允許在一定范圍內有余差的場合。如儲槽液位控制、壓縮機儲氣罐的壓力控制、塔釜液位控制和不太重要的蒸汽壓力控制等。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2)比例積分(PI)：工程上應用最廣泛。積分能消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數不允許有余差的場合。如某些流量、液位要求無余差的控制系統。3)比例微分(PD)：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分控制規律(微分時間設置得當)對于改善系統的動態性能指標，有顯著的效果。適用于控制通道的時間常數或容量滯后較大的場合，如溫度或成分控制。但對于純滯后較大、測量信號有噪聲或周期性擾動的系統，則不宜采用微分控制。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計4)比例積分微分(PlD)：是一種較理想的控制規律，可消除余差，又能提高系統的穩定性。適用于控制通道時間常數或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如某些溫度控制、成分控制等?？刂埔幝梢鶕^程特性和工藝要求來選取，決不是說PID控制規律具有較好的控制性能就不分場合地選用，否則會給其它工作增加復雜性，并帶來參數整定的困難。當采用PID控制器還達不到工藝要求的控制品質時，則需要考慮其它的控制方案(第四章)。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2.確定控制(調節)器的正、反作用方式正作用方式-----調節器的輸出隨著正偏差(指測量值大于設定值)的增加而增加，即調節器的輸出隨測量值的增大而增大。反作用方式-----調節器的輸出隨著正偏差的增加而減小，即調節器的輸出隨測量值的增大而減小。調節器正、反作用方式的確定原則：應根據被控過程的特性及調節閥的氣開、氣關形式來選擇，以使系統成為一個負反饋閉環系統。即如果被控變量偏高，控制作用應使之降低；相反，如果被控變量偏低，控制作用應使之升高。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計被控過程的特性，分為正、反兩種：

正作用特性：當被控過程的輸入(通過調節閥的物料或能量)增加(或減小)時，其輸出(被控參數)亦增加(或減小)。

反作用特性：反之為反作用特性。調節閥的氣開、氣關形式簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計組成過程控制系統各環節極性規定

：

氣開式調節閥：其靜態放大系數Kv取正；

氣關式調節閥：其靜態放大系數Kv取負；

正作用被控過程：其靜態放大系數Ko取正；

反作用被控過程：其靜態放大系數Ko取負。

正作用調節器：即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Kc取負；

反作用調節器：即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Kc取正；簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計過程控制系統要能正常工作，則該系統各環節的極性(可用其靜態放大系數表示)相乘必須為正。測量變送器的靜態放大系數Km通常為正極性，故只需調節器Kc、調節閥Kv和過程Ko的極性相乘必須為正即可。KcKvKo>0簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計確定調節器正、反作用的次序過程：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，確定其正、反作用特性；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正、反作用方式。例：貯槽液位控制（P173）簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計第六節過程計算機控制系統的設計以微處理器、單片微處理器為核心的工業控制計算機與數字調節器——過程計算機控制設備已成為過程控制領域中不可缺少的強有力的工具，正在逐步取代模擬調節器，并且自身還在不斷發展，用新的功能更強大或價格更便宜的新過程計算機控制設備來裝備現代過程工業。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計過程計算機控制系統按規模、系統結構的不同，大致可分為四類：

(1)單機控制系統：一般由微機或單片機系統組成，結構簡單、價格低廉，適用于小規模的裝置，如工業鍋爐、玻璃窯爐、換熱器等的控制。

(2)兩級計算機控制系統：由監控機(上位機)、通信系統和若干個下位機(工業控制計算機，簡稱工控機)組成。不同裝置配有各自單獨的工業控制機，監視和控制整個生產過程，適合于幾個至幾十個生產設備連接在一起的中規模的生產過程，如聚合釜、精餾塔、發酵罐等。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(3)分布式控制系統(DistributedControlSystems，DCS)，又稱集散控制系統，采用控制分散和管理集中相結合的原則，可對大規模的生產過程(涉及幾百上千個參數的數據采集和控制)進行高可靠性的控制和有效的管理。其研究開發與應用已基本成熟（第九章）。

(4)計算機集成過程控制系統(ComputerIntegratedProcessSystem，CIPS)：一種以全局最優為目標，包含了從原材料采購到產品銷售在內的整個決策過程、管理過程和生產過程相結合的計算機系統，是一種全新的過程控制系統。目的還處于研發階段。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計不同結構的計算機控制系統雖然簡、繁相差很大，但都包含了最本質最核心亦是最低層部分----過程控制，完成最基本的控制任務。這一控制功能常稱之為直接數字控制(DirectDigitalControl，簡稱DDC)，其含意是直接面向生產過程，采用數字計算機，對被控參數進行控制。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計直接數字控制系統或子系統(簡稱DDC系統)是過程計算機控制系統中的基本部分，由被控對象(過程或裝置)、檢測變送器、執行器和工業控制機等四部分組成(圖3—13)。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計DDC系統本質上可看作是一臺工控機取代一臺或多臺常規調節儀表而構成的過程控制系統，因而DDC系統的設計是過程計算機控制系統設計中的最基本內容。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計一、過程計算機控制系統的組成與特點(一)計算機控制的一般概念將模擬過程控制系統中的控制器的功能用計算機來實現，就組成了一個典型的過程計算機控制系統，如圖3—14。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(二)過程計算機控制系統的組成(圖3—15)簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(三)過程計算機控制系統的特點1)模擬和數字部件的混合系統：除檢測、變送裝置、執行機構等常用模擬部件之外，其執行控制功能的核心部件是數字計算機。2)需采用專門的理論來分析和設計：系統除了包含連續信號外，還包含數字信號。3)便于實現復雜的控制規律：連續控制系統若要修改控制規律，一般須改變硬件結構。而計算機控制系統只需修改軟件，一般不需改變硬件結構，使系統具有很大的靈活性和適應性。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計4)多路分時控制：在連續控制系統中，一般是一個控制器控制一個回路，而計算機控制系統中，由于計算機具有高速的運算處理能力，一個控制器(計算機)經?？刹捎梅謺r控制的方式同時控制多個回路。5)管控一體化：采用計算機控制，可實現如分級計算機控制、分布式控制等，從而實現控制與管理一體化，使工業企業的自動化程度進一步提高。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

二、數字控制器的模擬化設計圖3—16為常見的過程計算機控制系統的原理圖。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計數字控制器的兩種設計方法：

(1)模擬化設計方法(間接設計法):在一定條件下，把過程計算機控制系統近似地看成模擬系統，用連續系統的理論來進行動態分析和設計，再將設計結果轉變成數字計算機。

(2)離散化設計方法(直接設計法):把過程計算機控制系統經過適當變換，變成純粹的離散系統，用z變換等工具進行分析設計，直接設計出控制算法。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計模擬化設計方法的基本思路：當系統的采樣頻率足夠高時，采樣系統的特性接近于連續變化的模擬系統，因而可忽略采樣開關和保持器，將整個系統看成是連續變化的模擬系統。設計的基本步驟：根據系統已有的連續模型，按連續系統理論設計模擬調節器，然后按照一定的對應關系將模擬調節器離散化，得到等價的數字控制器，從而確定計算機的控制算法。設計的實質：將模擬調節器離散化，用數字控制器取代模擬調節器。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(一)離散化方法

1．差分變換法首先把原始的連續傳遞函數Wc(s)轉換成微分方程，再用差分方程近似該微分方程。常用的差分近似方法有后向差向和前向差分。為便于編程，離散化只采用后向差分法。

(1)一階后向差分一階導數采用如下近似式(T為采樣周期)簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)二階后向差分二階導數采用近似式例3-1

求的差分方程。（略）簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2．零階保持器法（階躍響應不變法）P160圖3-17

基本思想：離散近似后的數字控制器的階躍響應序列與模擬調節器的階躍響應的采樣值相等，即或例3—2

用零階保持器法求的差分方程。（略）簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(二)數字PID控制算法P1601.位置型PID算式：數字PID控制器的輸出u(k)和閥位對應計算機實現位置型算式不夠方便，這是因為要累加偏差e(j)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編程。2．增量型PID算式簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計?u(k)對應于第k時刻閥位的增量，故稱此式為增量型PID算式。第k時刻的實際控制器輸出計算?u(k)和u(k)要用到也僅需用到第(k-1)、(k-2)時刻的歷史數據e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)，這三個歷史數據需存于內存儲器?？梢?，采用增量型計算式的優點是：編程序簡單，占用存儲單元少，運算速度快。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計為了編程序方便，也可將式(3—31)整理成如下形式：簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(三)數字PID控制算法的改進用計算機實現PID控制，不僅能實現模擬PID控制規律，而且能進一步與計算機的邏輯判斷功能結合起來，對PID控制算法作改進，使PID控制更加靈活多樣完善。1．積分項的改進(1)積分分離在一般的PID控制中當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產生較大的超調和長時間的波動。特別對于溫度、成分等變化緩慢的過程，這一現象更為嚴重。為此，可采用積分分離措施。即當|e(k)|＞β時，用PD控制；當|e(k)|≤β時，用PID控制。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)抗積分飽和由于長期存在偏差或偏差較大，計算出的控制量有可能溢出或小于零。所渭溢出就是計算機運算出的控制量u(k)超出D／A所能表示的數值范圍。例如8位D／A的數值范圍為00H至FFH。一般執行機構有兩個極限位置，如調節閥全開或全關。設u(k)為FFH時調節閥全開；u(k)為00H時調節閥全關。當執行機構已到極限位置仍不能消除偏差時，由于積分作用，PID差分方程式所得的運算結果將繼續增大或減小，這就稱為積分飽和。作為防止積分飽和的辦法之—，可對運算出的控制量u(k)進行限幅。以8位D／A為例：當u(k)＜0時，則取u(k)=0；當u(k)＞FFH時，則取u(k)＝FFH。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(3)消除積分不靈敏區

PID數字控制器的增量型算式中積分作用的輸出由于計算機字長的限制，當運算結果小于字長所能表示數的精度，計算機就作為“零”將此數丟掉，從上式可知，當計算機的運算字長較短、采樣周期T也短、而積分時間TI又較長時，?uI(k)容易出現小于字長的精度而丟數，此時也就無積分作用。這就稱為積分不靈敏區。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

常采用以下措施消除積分不靈敏區：

1)增加D／A轉換位數，加長運算字長，可提高運算精度。

2)當積分項?uI(k)連續出現小于輸出精度ε的情況時，不要把它們作為“零”丟掉，而是把它們一次次累加起來，直到累加值Si大于ε時才輸出Si。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(4)帶積分不靈敏區與消除積分不靈敏區恰好相反，對那些不要求準確控制(容許在設定值的較大范圍內變化)的過程，如液位控制，為了避免控制閥頻繁動作反而引起系統振蕩，可采取帶不靈敏區的算式，即簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2．微分項的改進微分項是PID數字控制器響應最敏感的一項，應盡量減少數據誤差和噪聲，以消除不必要的擾動。(1)偏差平均(偏差濾波)

平均項數m的選取、取決于被控制對象的特性。一般流量信號取10項，壓力信號取5項，溫度、成分等緩慢變化的信號取2項或不平均。(2)測量值微分(微分先行)

當系統給定值發生階躍變化時，微分動作將導致控制輸出u(k)大幅度變化，不利于生產的穩定操作。由此在微分項中不考慮給定值微分，只對測量值(即被控參數)進行微分。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(四)數字PID控制器的工程實現從工程應用角度采用計算機實現數字PID控制，僅僅完成上面介紹的數字PID運算(及其改進運算)是不夠的，還必須考慮其它工程實際問題。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(1)給定值處理通常包括給定值選擇(內給定還是外給定，外給定中又分來自上位計算機還是來自其它運算模塊)與給定值變化率限制(防止比例、微分飽和)等。

(2)被控量處理(檢測量處理)

通常包括數字濾波、數據處理(包括非線性補償，以及高、低限報警等。

(3)偏差處理通常包括數據處理、輸入補償(非線性補償或設置非線性特性如帶死區、帶飽和)與上限報警等。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(4)控制量處理通常包括輸出補償(擴大PID功能，實現復雜控制)、輸出保持與安全輸出限制(包括輸出幅值限制、變化率限制、事故狀態輸出)等。

(5)自動、手動切換正常運行時，系統處于自動狀態，在調試階段或出現故障時，系統處于手動狀態。要求盡量做到無平衡無擾動切換，即在進行手動到自動或自動到手動切換之前，無須由人工進行手動輸出控制信號與自動控制信號之間的對位平衡操作，保證切換時不對執行機構的現有位置產生擾動。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(五)采樣周期的選取數字控制器采用模擬器設計方法的前提是采樣頻率足夠高，即采樣周期足夠短。但過短的采樣周期不僅使計算機的硬件開銷(A／D、D／A的轉換速度與CPU的運算速度)增加、而且由于執行機構(如氣動調節閥)的響應速度較低，并不能提高系統的動態特性，因此必須從技術和經濟兩方面綜合考慮采樣頻率的選取。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計選取采樣周期時，一般應考慮下列幾個因素：

1)采樣周期應遠小于對象的擾動周期。

2)采樣周期應比對象的時間常數小得多，否則采樣值無法反映瞬變過程。

3)考慮執行器的響應速度。如果執行器的響應速度比較慢，那么過短的采樣周期將失去意義。

4)對象所要求的調節品質。在計算機速度允許的情況下，采樣周期短，調節品質好。

5)性價比。從控制性能來考慮，希望采樣周期短。但計算機運算速度以及A/D和D/A的轉換速度要相應地提高，導致計算機的費用增加。

6)計算機所承擔的工作量。如果控制的回路數多，計算量大，則采樣周期要加長，反之可以縮短。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計可見，采樣周期受各種因素的影響，有些是相互矛盾的，必須視具體情況和主要的要求作出折衷的選擇。在具體選擇采樣周期時，可參照表3—4所示的經驗數據，再通過現場試驗最后確定合適的采樣周期。隨著計算機技術的進步及其成本的下降，一般可以選取較短的采樣周期，使數字控制系統更接近連續控制系統。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

三、過程計算機控制系統設計方法

過程計算機控制系統設計與常規儀表控制系統設計的主要不同之處就在于計算機系統的選擇(設計)與數字控制器的設計。過程計算機控制系統的設計原則：

(1)可靠性高首先需采用高性能的工控機，保證在惡劣的工業環境下仍能正常運行。其次是要設計可靠的控制方案(類同于常規控制儀表的控制方案設計)，并具有各種安全保護措施，如報警、事故預測、事故處理、不間斷電源等。為預防計算機發生故障，往往還需設計后備裝置以防不測。對于一般的控制回路、選用手動操作器作為后備；對于重要的控制回路，選用常規控制儀表作為后備；對于特殊的控制對象，則設計兩臺計算機，互為備用地執行控制任務。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)實時性強一臺過程控制計算機常常要控制幾個乃至幾十個回路，要求計算機不僅能在設計的控制周期內完成全部的數據采集、運算和控制任務，還要能對事故、報警等隨機事件作出及時處理。

(3)通用性好過程控制計算機的通用靈活體現在兩方面，一是硬件模板設計采用標準總線結構，配置各種通用的功能模板；二是軟件模塊或控制算法采用標準模塊結構，用戶使用時不需二次開發，只需靈活地進行控制系統組態。

(4)操作性好操作性好表現在兩方面，一是使用方便，二是維修容易。

(5)經濟效益高表現在兩方面，一是系統的性能價格比，二是投入產出比，包括降耗節能，消除環境污染，改善勞動條件等因素。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計在控制方案確定之后，主要的任務是選擇合適的計算機(系統)。計算機的選擇方案通常有以下幾種：

(1)選用標準功能模塊為了適應計算機應用的通用性和靈活性，各計算機制造廠按照統一標準總線(如STD，PCI)生產出各種各樣的功能模板，設計人員按照需要選用功能模板構成系統(圖3—19)。這種模塊化結構的優點是系統配置靈活、擴充方便、維修簡單?？s短了硬件設計周期，缺點是商品軟件較少，需用戶自行開發。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(2)選用通用的控制計算機計算機制造廠推出的工業控制計算機，不僅配有系統軟件，而且配有豐富的應用軟件，用戶可以靈活地進行控制系統的組態，解除了用戶編應用程序的負擔，缺點是價格較高。

(3)設計專用計算機用戶根據自己的需要，設計專用的計算機或設計幾塊特殊的功能模板。優點是系統針對性強，靈活方便，缺點是設計周期長，設計者需具備較深的計算機硬件知識。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計在計算機(系統)選擇中，要十分注意與選擇的檢測、變送器與執行器的配合，尤其要注意計算機的輸入、輸出信號要統一采用標準的DC0~10mA或DC4~20mA。為了便于人機聯系，需要精心設計一個供現場操作人員使用的控制臺。注意，這個控制臺一般不能用計算機鍵盤簡單代替。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計第七節過程控制系統的投運

和控制器參數整定在過程控制系統方案設計、設備選型、安裝調校就緒后，下一步要進行的就是系統的投運與調整、整定。若一切順利則系統可投入正常生產，若品質指標達不到要求，則需按照“再次整定控制器參數→修改控制規律→檢查設備選型是否符合要求→修改控制方案”的順序反復進行，直到找出原因與解決辦法使系統滿足生產要求。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計一、控制系統投運在新控制系統安裝就緒后，或者老系統經過改造或經過停車檢修之后，再將其逐步投入生產的過程就稱為系統的投運。為了保證過程控制系統順利投運，要求操作人員在系統投運之前，必須對構成系統的各種儀表設備(控制器、調節閥、測量變送器等)、聯接管線、供電、供氣情況等進行全面檢查和調校。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計過程控制系統的各個組成部分投運的一般程序如下：

(1)檢測系統投入運行：根據工業生產過程的實際情況，將溫度、壓力、流量、液位等檢測系統投入運行，觀察測量指示是否正確。

(2)調節閥手動遙控：在手動遙控時應事先了解調節閥在正常工況下的開度，然后手動遙控，使系統的被控參數在給定值附近穩定下來，并使生產達到穩定工況，為切換到自動控制作好準備。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計(3)控制器投運(手動→自動)

：完成以上兩步后，就滿足了工藝開車的需要。待工況穩定后，即可將系統由手動操作切換到自動運行。為此，首先再檢查控制器的正、反作用開關等位置是否正確，然后把控制器PID參數值設置在合適位置，當被控參數與給定值一致(即當偏差為零)時，將控制器由手動切換到自動(無擾動切換)，實現自動控制。同時觀察被控參數的記錄曲線是否合乎工藝要求，若還不夠理想則調整PID參數，直到滿意為止。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計當系統正確投運、控制器參數經過整定后，若其品質指標一直達不到要求，或系統出現異常時，需將系統由自動切換到手動，再行研究解決。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

二、控制器參數整定過程控制采用的控制器(調節器)通常都有一個或多個需要調整的參數和調整這些參數的相應機構(如旋鈕、開關等)或相應設備(如計算機控制系統中的組態軟件、可編程控制器中的編程器)。通過調整這些參數使控制器特性與被控過程特性配合好，獲得滿意的系統靜態與動態特性的過程稱為控制器參數整定。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計控制器參數的整定方法：

理論計算整定法：在已知過程數學模型的基礎上，依據控制理論，通過理論計算來求取“最佳整定參數”。(如根軌跡法、頻率特性法等)在自動控制原理課程中己作了較深入的討論。

工程整定法：根據工程經驗，直接在過程控制系統中進行的控制器參數整定方法。在實際工程中被廣泛采用。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計因為無論是用解析法或實驗測定法求取的過程數學模型都只能近似反映過程的動態特性，所以理論計算所得到的整定參數值可靠性不夠高，在現場使用中還需進行反復調整。工程整定法雖未必能達到“最佳整定參數”，但由于其不需知道過程的完整數學模型，使用者只需具備理論計算所必須的控制理論知識，因而簡便、實用，易于被工程技術人員所接受并優先采用。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計數字控制器的參數整定一般亦是首先按模擬PID控制參數整定的方法選擇數字PID參數，然后再作適當調整，并適當考慮采樣周期(采樣周期遠小于時間常數)對整定參數的影響。本書僅介紹模擬控制器的參數整定方法。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計1．動態特性參數法根據系統開環廣義過程(包括調節閥Wv(s)、被控對象Wo(s)和測量變送器Wm(s))階躍響應特性進行近似計算的方法(圖3—20)。在調節閥Wv(s)的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器Wm(s)的輸出響應曲線，根據該曲線求出代表廣義過程的動態特性參數(τ、T、ε)，然后根據這些參數應用相應公式，計算出調節器的整定參數值。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計當廣義過程有自平衡能力時,其階躍響應曲線如圖3—22所示。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

其近似傳遞函數可表示為(1)

，n≥3(2)有明顯純滯后(包括τ/T≤0.2)時

衰減率ψ＝0.75時，可用表3—6中的整定計算公式。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計P79簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計當廣義過程為無自平衡能力時，其階躍響應曲線如圖3—21。其近似傳遞函數可表示為

ε—過程響應速度。可用表3—5中的整定計算公式(衰減率ψ＝0.75)。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計例3—3

己知單回路控制系統的被控過程為Wo(s)=1/(Ts+1)3，現采用動態特性參數法整定調節器參數。測得滯后時間τ＝21s(秒)，時間常數T＝100s(秒)，自平衡率ρ＝1，分別采用P、PI、PID調節器，試求ψ＝0.75時調節器的整定參數值。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

解：由于τ/T＝0.21，故應用表3—6中0.2＜τ/T＜1.5時的公式計算。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2．穩定邊界法(臨界比例度法)

目前應用較廣。特點：直接在閉合的控制系統中進行整定。步驟：

1)把調節器的積分時間TI置于最大(∞)，微分時間Td置零，比例度δ置較大數值，把系統投入閉環運行，然后將δ由大逐漸減小，得到圖3—23所示的臨界振蕩過程。此時的比例度叫做臨界比例度δk，振蕩的兩個波峰之間的時間為臨界振蕩周期Tk。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2)根據δk和Tk，運用表3—7中的經驗公式，計算出調節器參數δ、TI和Td。

3)根據上述計算結果設置調節器的參數值。觀察系統的響應過程，若曲線不符合要求，再適當調整整定參數值。

穩定邊界法簡單方便，容易掌握和判斷。但是，若生產過程不允許反復振蕩，就不能應用這種方法。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

整定參數調節規律δ(%)TITDP2δcrPI2.2δcr0.85TcrPID1.67δcr0.5Tcr0.125Tcr簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計3．阻尼振蕩法(衰減曲線法)

4：1衰減曲線法：

1)在閉合系統中，置調節器積分時間TI為最大(∞)，微分時間Td置零，比例度δ取較大數值，反復做給定值擾動試驗，并逐漸減小比例度δ，直到記錄曲線出現4：1的衰減為止(圖3—24)。此時的比例度稱為4：l衰減比例度δs，兩個相鄰波峰間的距離稱為4：l衰減周期Ts。若響應振蕩衰減太快，就減小比例度；反之，則增大比例度。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計2)根據δs和Ts值按表3—8中的經驗公式，計算出調節器各個參數δ、TI和Td的數值。

3)根據上述計算結果設置調節器的參數值，觀察系統的響應過程。如果不夠理想，再適當調整參數值，直到控制質量符合要求。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

對大多數控制系統，4：1衰減過程是最佳整定。但在有些過程中，希望衰減越快越好，則可采用10：1的衰減過程(圖3—25)。由于衰減很快，第二個波峰常常不易分辨，使測取衰減周期很困難，此時可測取從施加給定值擾動開始至達到第一個波峰的時間Tr，然后根據δs和Tr，運用表3—9的經驗公式計算調節器參數δ、TI和Td的值。

整定步驟與4：1曲線法相同。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

阻尼振蕩法對多數系統均適用，但對于外界擾動頻繁，以及記錄曲線不規則的情況，由于不能得到正確的δ和Ts或Tr，故不能應用此法。（10：1）簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計4．現場經驗整定法(湊試法)

在現場應用中，調節器的參數按先比例、后積分、最后微分的順序置于某些經驗數值后，把系統閉合起來，然后再作給定值擾動，觀察系統過渡過程曲線。若曲線還不夠理想，則改變調節器的δ、TI和Td，進行反復湊試，直到控制質量符合要求為止。具體整定時，先令PID調節器的TI＝∞，Td＝0，使其成為純比例調節器。比例度δ按經驗數據設置，整定純比例控制系統的比例度，使系統達到4：1衰減振蕩的過渡過程曲線，然后再加積分作用。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計

在加積分作用之前，應將比例度加大為原來的1.2倍，將積分時間TI由大到小調整，直到系統得到4：1衰減振蕩的過渡過程曲線為止。若系統需引入微分作用，微分時間按Td＝(1/3~1/4)TI計算，這時可將比例度調到原來的數值(或更小一些)，再將微分時間由小到大調整，直到過渡過程曲線達到滿意為止。在湊試過程中，若要改變TI、Td時，應保持TD/TI的比值不變。簡單過程控制系統--單回路控制系統的工程設計5.極限環自整定法在穩定邊界法中，