第7章+简单控制系统+
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精品文档-自动控制原理(第二版)(薛安克)-第7章
N
{ f [(n 1)T ] f (nT )} f (0) f [( N 1)T ]
第七章 数字控制系统分析基础 7.3.2 Z变换性质
Z变换有一些基本定理, 可以使Z变换的应用变得简单和 方便, 其内容在许多方面与拉氏变换基本定理有相似之处。
1.
设ci为常数, 如果有
n
f (t) ciFi (z) c1F1(z) c2F2 (z) cnFn (z) , 则
i 1
n
F (z) ciFi (z) c1F1(z) c2F2 (z) cnFn (z)
即式(7.18)成立。
第七章 数字控制系统分析基础
4. 初值定理 设lim F(z)存在,则
z
f (0) lim F(z) z
(7.19)
证明 根据Z变换定义有
F (z) f (nT )zn f (0) f (T )z1 f (2T )z2
n0
当z→∞时, 上式右边除第一项外, 其余各项均趋于0, 因此,
上式中e-Ts是s的超越函数, 为便于应用, 令变量
z eTs
将上式代入式(7.10), 则采样信号f*(t)的Z变换定义为
F (z) Z[ f *(t)] Z[ f (t)] f (nT )zn
(7.12)
n0
严格来说, Z变换只适合于离散函数。这就是说, Z变换
式只能表征连续函数在采样时刻的特性, 而不能反映在采样时刻
i 1
(7.15)
第七章 数字控制系统分析基础 2.
实数位移定理又称平移定理。实数位移的含义,是指整个 采样序列在时间轴上左右平移若干个采样周期, 其中向左平移为 超前, 向右平移为滞后。
Z[ f (t kT)] zk F (z)
单回路控制系统
2．扰动分析 该系统的主要扰动如下所述。 （1）冷流体流量的变化。冷流体的流量增大，出口温度T下 降。 （2）冷流体温度的变化。冷流体的温度上升，出口温度T升 高。
单回路控制系统 （3）(如果蒸汽源不够稳定）蒸汽的压力变化。蒸汽压力上 升导致蒸汽流量增大，出口温度T升高。 （4）蒸汽温度的变化、换热器环境温度的变化也会影响出 口温度T的变化。这些扰动一般都是随机性的、无法预知的，但 当它们最终影响到出口温度T发生变化时，控制系统都能够加以 克服。 3．控制过程 无论是由于何种原因、何种扰动，只要其作用使出口温度T 有了变化，则控制系统就能通过控制器来克服扰动对出口温度T 的影响，使之回到原来的平衡状态。 当温度T偏离平衡状态而升高时，测温用铂热电阻的阻值增大。 由温度变送器将该阻值的变化转换为输出电流的增大，作为测量 值Z送给控制器。控制器将Z与设定值X相比较，由于设定值X保持 不变，则Z上升。由X－Z＝E可知，E将下降。由所设置的控制器 性质可知，此时U下降。再由所设置执行器的性质，此时进入换 热器的蒸汽流量Q将减小。显然，Q减小将使出口温度T下降，出 口温度T逐渐回复到设定值。如果控制器的参数设置恰当，可获 得较满意的控制效果。这个控制过程可用符号简洁地表达为
单回路控制系统
2.1.2 控制过程分析
在此，仍以图2.1（a）所示的蒸汽换热器出口温度控制系统为例来分 析简单控制系统的工作过程。为便于分析，设本例中测量变送装置选用 分度号为S的铂热电阻及与之配套的温度变送器；采用电动控制器，且设 置为E上升时U也上升，E下降时U也下降；所用执行器为一台带电/气阀 门定位器的气动控制阀，且将其作用方式设置为U上升时Q上升，U下降 时Q亦下降。 1．平衡状态 当流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量使被加热物料的出口温度T维 持在所要求的温度值时，设蒸汽的流量及品质保持不变，冷流体的流量 及品质也保持不变，则控制系统处于平衡状态，并将保持这个动态平衡， 直至有新的扰动量发生，或人们对被加热物料的出口温度有新的要求。
自动控制原理课件 第7章 非线性控制系统
描述函数法是基于频率域的等效线性化方法。该法不受系统 阶次的限制，但系统必须满足一定的假设条件，且只能提供系 统稳定性和自激振荡的信息。 3. 波波夫法
波波夫法是一个关于系统渐近稳定充分条件的频率域判据。 它可以应用于高阶系统，并且是一个准确判定稳定性的方法。
2020年11月17日
EXIT
第7章第16页
4．可以用频率特性的概念来研究和分析线性系统的固 有特性。不能用频率特性、传递函数等线性系统常用的 方法来研究非线性系统。
2020年11月17日
EXIT
第7章第15页
7.1.4 非线性系统的分析和设计方法
1. 相平面法 相平面法是求解一阶或二阶非线性系统的图解法。这种方法
既能提供的稳定性信息，又能提供时间响应信息。其缺点是只 限于一阶和二阶系统。 2. 描述函数法
齿轮传动的齿隙特性，液压传动的的油隙特性等均属于 这类特性。
当系统中有间隙特性存在时，将使系统输出信号在相位 上产生滞后，从而使系统的稳定裕度减少，动态特性变坏。
间隙的存在常常是系统产生自持振荡的主要原因。
2020年11月17日
EXIT
第7章第9页
4.继电器特性
0 y(t) b0sgn e(t)
在控制系统中若存在饱和特性，将使系统在大信号
作用下的等效放大倍数降低，从而引起瞬态过程时间 的延长和稳态误差的增加。对于条件稳定系统，甚至 可能出现小信号时稳定，而大信号时不稳定的情况。
2020年11月17日
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第7章第7页
2.死区（不灵敏区）特性
y (t )
0
k
e(t)
a sgn
e(t)
e(t) a e(t) a
2. 线性系统的稳定性与输入响应的性质只由系统本身的 结构及参量决定，而与系统的初始状态无关。而非线性 系统的稳定性及零输入响应的性质不仅取决于系统本身 的结构和参量，而且还与系统的初始状态有关。
波波夫法是一个关于系统渐近稳定充分条件的频率域判据。 它可以应用于高阶系统，并且是一个准确判定稳定性的方法。
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第7章第16页
4．可以用频率特性的概念来研究和分析线性系统的固 有特性。不能用频率特性、传递函数等线性系统常用的 方法来研究非线性系统。
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第7章第15页
7.1.4 非线性系统的分析和设计方法
1. 相平面法 相平面法是求解一阶或二阶非线性系统的图解法。这种方法
既能提供的稳定性信息，又能提供时间响应信息。其缺点是只 限于一阶和二阶系统。 2. 描述函数法
齿轮传动的齿隙特性，液压传动的的油隙特性等均属于 这类特性。
当系统中有间隙特性存在时，将使系统输出信号在相位 上产生滞后，从而使系统的稳定裕度减少，动态特性变坏。
间隙的存在常常是系统产生自持振荡的主要原因。
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第7章第9页
4.继电器特性
0 y(t) b0sgn e(t)
在控制系统中若存在饱和特性，将使系统在大信号
作用下的等效放大倍数降低，从而引起瞬态过程时间 的延长和稳态误差的增加。对于条件稳定系统，甚至 可能出现小信号时稳定，而大信号时不稳定的情况。
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2.死区（不灵敏区）特性
y (t )
0
k
e(t)
a sgn
e(t)
e(t) a e(t) a
2. 线性系统的稳定性与输入响应的性质只由系统本身的 结构及参量决定，而与系统的初始状态无关。而非线性 系统的稳定性及零输入响应的性质不仅取决于系统本身 的结构和参量，而且还与系统的初始状态有关。
第7章专家控制系统
第7章 专家控制系统教学内容首先介绍专家系统基本概念、特征、组成以及基本类型。
然后讲授专家控制系统的工作原理，最后介绍了建立专家系统的步骤和专家控制器。
教学重点1．专家系统的概念，即它是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
将专家系统同控制理论和技术相结合，对系统进行控制形成专家控制系统。
把专家系统作为控制器称为专家控制器。
专家系统的基本组成，即由知识库、推理机、解释接口等组成。
2．专家控制系统工作原理。
专家系统设计的基本步骤：认识和阶段化概念，实现阶段，获取知识、构造外部知识库，调试和检验阶段。
教学难点专家系统的工作原理、知识的表示和获取，专家系统的设计。
教学要求1．了解专家系统的概念，理解专家控制系统、专家控制器的概念。
2．掌握专家系统的特征、组成和基本类型。
3．理解专家控制系统的工作原理。
知识的表示和获取。
4．掌握建立专家系统的步骤。
5．了解专家控制器的组成，专家控制器的设计原则。
7.1 概述7.1.1 专家系统的起源与发展人工智能科学家一直在致力于研制在某种意义上讲能够思维的计算机软件，用以“智能化”的处理、解决实际问题。
60年代，科学家们试图通过找到解决多种不同类型问题的通用方法来模拟思维的复杂过程，并将这些方法用于通用目的的程序中。
然而事实证明这种“通用”程序处理的问题类型越多，对任何个别问题的处理能力似乎就越差。
后来，科学家们认识到了问题的关键即计算机界程序解决问题的能力取决于它所具有的知识量的大小。
为使一个程序智能化，必须使其具有相关领域的大量高层知识。
为解决某具体专业领域问题的计算机程序系统的开发研制工作，导致专家系统这一新兴学科的兴起。
从本质上讲，专家系统是一类包含着知识和推理的智能计算机程序，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题。
1965年斯坦福大学开始建立用于分析化合物内部结构的DENTRAL系统，首先使用了“专家系统”的概念。
运动控制系统：第七章
晶闸管调压装置 转速反馈装置
系统结构图与静特性图如下：
异步电动机等
图 7-8 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统原理图
图 7-9 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统静特性图
7.2： 异步电动机调压调速系统
7.2.4 速度闭环控制下调压调速系统的组成和工作原理
异步电动机调压调速系统和直流电动机调压调速系统 最大的不同：
通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量分别控制， 解决了交流电动机转矩和磁通的控制问题，获得和直流电动机相仿的高动态性能
7.1： 交流调速系统的基本分类
交流调速系统的分类：
交
流
异步电动机调
电
速系统
动
机
调
速
系
同步电动机调
统
速系统
转差功率消耗型 转差功率回馈型 转差功率不变型
降压调速 转差离合器调速
图 7-3
7.2： 异步电动机调压调速系统
7.2.2 晶闸管相控三相交流调压主电路结构
~
若异步电动机需要可逆运行和制动电路，则可采用如图7-4 所示晶闸管反并联异步电动机可逆和制动电路
1、 正转运行时，由晶闸管1~6控制
9
7
5
3
1
10
8
2
6
4
2、 反转或反接制动时，由晶闸管1、4和7~10提供逆相序电源控制
7.2.1 异步电动机调压调速的工作原理
异步电动机传递电磁功率
其中同步机械角转速
（7-1） （7-2）
7.2： 异步电动机调压调速系统
7.2.2 晶闸管相控三相交流调压主电路结构
具有体积小
晶闸管组成调压器成为交流调压器
智能控制第七章 专家系统
7.4 专家控制系统
1、结构原理图
间接专家系统控制图2
7.4 专家控制系统
2、专家系统PLD控制结构设计
用专家系统实现智能PND控制的过程，实际上是模拟操作 人员调解PID参数判断和决策过程，是将数字PID控制方法 与专家系统融合起来，从模仿人征订参数的推理决策入手， 以经典Ziegler-Nichols相现在最优控制征订规则为基础，利 用实时控制信息和系统输出信息，将归纳为一系列征订规则， 并把征订过程分成预整定和自整定两部分，预整定运用于系 统初始投入运行且无法给出PID初始参数的场合，自整定运 用于系统正常运行时，不必再辨别对象特性和参数控制，只 需随对象特性的变化而进行迭代优化的场合。
7.2 专家系统的知识表示法
(1) 黑板：黑板用于存储所有知识源可访问的知识，它的全局数据结构被用 于组织问题求解数据，并处理各知识源之间的通讯问题。放在黑板上的对象 可以是输入数据、局部结果、假设、选择方案和最后结果等。各知识源之间 的交互作用是通过黑板执行的。一个黑板可被分割为无数个子黑板；也就是 说，按照求解问题的不同方面，可把黑板分为几个黑板层。 (2) 知识源：知识源是领域知识的自选模块；每个知识源可视为专门用于处 理一定类型的较窄领域信息或知识的独立程序，而且具有决定是否应当把自 身信息提供给问题求解过程的能力。黑板系统中的知识源是独立分开的，每 个知识源具有自己的工作过程或规则集合和自有的数据结构，包含知识源正 确运行所必须的信息。知识源的动作部分执行实际的问题求解，并产生黑板 的变化。知识源能够遵循各种不同的知识表示方法和推理机制。因此，知识 源的动作部分可为一个含有正向／逆向搜索的产生式规则系统，或者是一个 具有填槽过程的基于框架的系统。 (3) 控制器：黑板系统的主要求解机制是由某个知识源向黑板增添新的信息 开始的。然后，这一事件触发其它对新送来的信息感兴趣的知识源。接着， 对这些被触发的知识源执行某些测试过程，以决定它们是否能够被合法执行。 最后，一个被触发了的知识源被选中，执行向黑板增添信息的任务。这个循 环不断进行下去。
自动控制原理胡寿松第七章解析
1、线性定理 齐次性 Z [ae (t)] aE(z ) Z[e1 (t) e 2 (t)] E1 (z ) E 2 (z ) 叠加性 2、实数位移定理
Z[e(t- kT )] z -k E(z)
Z [e(t kT)] z k [E(z)- e(nT)z -n ]
n 0
k -1
z变换实际上是采样函数拉氏变换的变形，
因此又称为采样拉氏变换
z变换只适用于离散函数，或者说只能表征
连续函数在采样时刻的特性，而不能反映其 在采样时刻之间的特性。
24
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
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成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
二、Z变换的性质
0T
*
采样器可以用一个周期性闭合的采样开关S来表示。
理想采样开关S： T (t ) (t nT )
n 0
11
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
理想单位脉冲序列 采样过程可以看成是一个幅值调制过程。
12
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
1 jns t T ( t ) e T n -
1 jns t * 代入采样信号表达式：e ( t ) e( t ) T (t ) e( t )e T n
对采样信号表达式取拉氏变换： 1 E* (s) E(s jns ) T n 采样信号的付氏变换： 1 E* ( j ) E[j( ns )] T n
T (t)的付氏级数形式：
T (t)
n -
(t - nT) C e
第7章电力拖动自动控制系统运动控制系统第5版ppt课件
矢量控制系统通过矢量变换和按转 子磁链定向，得到等效直流电动机 模型，然后模仿直流电动机控制。
直接转矩控制系统利用转矩偏差和 定子磁链幅值偏差的符号，根据当 前定子磁链矢量所在的位置，直接 选取合适的定子电压矢量，实施电 磁转矩和定子磁链的控制。
内容提要
异步电动机动态数学模型的性质 异步电动机三相数学模型 坐标变换 异步电动机在正交坐标系上的动态数学
7.3.1 坐标变换的基本思路
当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转 时，在他看来，d和q是两个通入直流而 相互垂直的静止绕组。
如果控制磁通的空间位置在d轴上，就和 直流电动机物理模型没有本质上的区别 了。
绕组d相当于励磁绕组，q相当于伪静止 的电枢绕组。
7.3.1 坐标变换的基本思路
图7-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系 的物理模型
7.3.1 坐标变换的基本思路
图7-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型
7.3.1 坐标变换的基本思路
两相绕组，通以两相平衡交流电流，也 能产生旋转磁动势。
当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动 势大小和转速都相等时，即认为两相绕 组与三相绕组等效，这就是3/2变换。
7.3.1 坐标变换的基本思路
虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电 刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路。 电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相 同的。
7.3.1 坐标变换的基本思路
当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势 的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效 果好象一个在q轴上静止的绕组一样。
但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而 产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不 同。
7.3.2 三相-两相变换 （3/2变换）
三相绕组A、B、C和两相绕组之间的 变换，称作三相坐标系和两相正交坐 标系间的变换，简称3/2变换。
直接转矩控制系统利用转矩偏差和 定子磁链幅值偏差的符号，根据当 前定子磁链矢量所在的位置，直接 选取合适的定子电压矢量，实施电 磁转矩和定子磁链的控制。
内容提要
异步电动机动态数学模型的性质 异步电动机三相数学模型 坐标变换 异步电动机在正交坐标系上的动态数学
7.3.1 坐标变换的基本思路
当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转 时，在他看来，d和q是两个通入直流而 相互垂直的静止绕组。
如果控制磁通的空间位置在d轴上，就和 直流电动机物理模型没有本质上的区别 了。
绕组d相当于励磁绕组，q相当于伪静止 的电枢绕组。
7.3.1 坐标变换的基本思路
图7-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系 的物理模型
7.3.1 坐标变换的基本思路
图7-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型
7.3.1 坐标变换的基本思路
两相绕组，通以两相平衡交流电流，也 能产生旋转磁动势。
当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动 势大小和转速都相等时，即认为两相绕 组与三相绕组等效，这就是3/2变换。
7.3.1 坐标变换的基本思路
虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电 刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路。 电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相 同的。
7.3.1 坐标变换的基本思路
当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势 的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效 果好象一个在q轴上静止的绕组一样。
但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而 产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不 同。
7.3.2 三相-两相变换 （3/2变换）
三相绕组A、B、C和两相绕组之间的 变换，称作三相坐标系和两相正交坐 标系间的变换，简称3/2变换。
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在选择操纵变量构成控制系 统时，应使对象控制通道的纯 滞后时间τ0尽量小。
Байду номын сангаас
图7-10 纯滞后τ0对 控制质量的影响
16
③ 干扰通道时间常数的影响
干扰通道的时间常数Tf越大， 表示干扰对被控变量的影响越缓
慢，越有利于控制。
④ 干扰通道纯滞后τf的影响
如 果 干 扰 通 道 存 在 纯 滞 后 τf ， 控制作用也推迟了时间τf，使整
个过渡过程曲线推迟了时间τf，
要控制通道不存在纯滞后，通 常是不会影响控制质量的，如 图7-11所示。
图7-11 干扰通道纯 滞后τf的影响
17
(3)操纵变量的选择原则 ① 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 ② 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 ③ 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要 考虑工艺的合理性与生产的经济性。
9
（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大 的灵敏度。 （5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和 国内仪表产品现状。 （6）被控变量应是独立可控的。
10
7.2.2 操纵变量的选择
(1)操纵变量 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的
影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。 最常见的操纵变量是介质的流量。
18
7.2.3测量元件特性的影响
测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是 系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控 变量的状况。
(1)测量元件的时间常数 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，
它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。
有偏差
失真
慢
图7-12 测量元件时间常数的影响
被控变量的界定
它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作 用，而人工操作又难以满足要求的； 人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是 既紧张而又频繁的。
5
被控变量的分类（按照与生产过程的关系）
直接指标控制； 间接指标控制。
6
举例
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
化工仪表及自动化
第七章 简单控制系统
湖北大学化学化工学院 杨世芳
内容提要
简单控制系统的机构与组成
简单控制系统的设计
被控变量的选择 操纵变量的选择 测量元件特性的影响 控制器控制规律的选择
控制器参数的工程整定
临界比例度法 衰减曲线法 经验凑试法
2
7.1 简单控制系统的机构与组成
简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个 控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
图7-1 液位控制系统
说明
图7-2 温度控制系统
在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、 变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节， 只是在画图时被省略罢了。
3
从图中可知
图7-3 简单控制系统的方块图
操作变量 通过工艺分析 确定
系统的干扰
11
举例
图7-7 精馏塔流程图
如果根据工艺要求， 选择提馏段某块塔板 （一般为灵敏板）的温 度作为被控变量。
12
影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主 要有：
图7-8 影响提馏段温度的各 种因素示意图
进料的流量（Q入）、成分（x入）、 温度（T入）、回流的流量（Q回）、 回流液温度（T回）、加热蒸汽流量 （Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等
图7-13 pH值控制系统示意图
延迟时间τ0
0
l1 v1
l2 v2
这一纯滞后使测量信号 不能及时反映中和槽内溶 液pH值的变化，因而降低 了控制质量。
图7-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
图7-6 苯-甲苯溶液的 p-x图
7
从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。
原因
在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操 作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证 塔的效率和经济性。
在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基 本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就 有一定的单值对应关系。
道的放大系数Kf小些。 （B）对象动态特性的影响
① 控制通道时间常数的影响 控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的
校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通 道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。
15
② 控制通道纯滞后τ0的影响
控制通道的物料输送或能量传 递都需要一定的时间。这样造成 的纯滞后τ0对控制质量是有影响 的。图7-10所示为纯滞后对控制 质量影响的示意图。
简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、 测量变送装置、控制器和执行器。
在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端 的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控 变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。
4
7.2 简单控制系统的设计
7.2.1被控变量的选择
生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按 一定规律变化）的变量称为被控变量。
19
结论
测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈 加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太 大，最好选用惰性小的快速测量元件。
当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数 的1／10时，对系统的控制质量影响不大。
测量元件安装是否正确，维护是否得当，也 会影响测量与控制。
20
(2)测量元件的纯滞后 当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。 有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。
所选变量有足够的灵敏度。
8
★选择被控变量的原则:
（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反 映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。 （2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰 影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。
（3）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得 直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可 选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控 变量。
等。
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。
13
(2)对象特性对选择操纵变量的影响
干扰变量由干扰通道施加 在对象上，起着破坏作用， 使被控变量偏离给定值；
图7-9 干扰通道与控制通道的关系
操纵变量由控制通道施加 到对象上，使被控变量回复 到给定值，起着校正作用。
14
（A）对象静态特性的影响 一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通
Байду номын сангаас
图7-10 纯滞后τ0对 控制质量的影响
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③ 干扰通道时间常数的影响
干扰通道的时间常数Tf越大， 表示干扰对被控变量的影响越缓
慢，越有利于控制。
④ 干扰通道纯滞后τf的影响
如 果 干 扰 通 道 存 在 纯 滞 后 τf ， 控制作用也推迟了时间τf，使整
个过渡过程曲线推迟了时间τf，
要控制通道不存在纯滞后，通 常是不会影响控制质量的，如 图7-11所示。
图7-11 干扰通道纯 滞后τf的影响
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(3)操纵变量的选择原则 ① 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 ② 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 ③ 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要 考虑工艺的合理性与生产的经济性。
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（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大 的灵敏度。 （5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和 国内仪表产品现状。 （6）被控变量应是独立可控的。
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7.2.2 操纵变量的选择
(1)操纵变量 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的
影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。 最常见的操纵变量是介质的流量。
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7.2.3测量元件特性的影响
测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是 系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控 变量的状况。
(1)测量元件的时间常数 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，
它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。
有偏差
失真
慢
图7-12 测量元件时间常数的影响
被控变量的界定
它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作 用，而人工操作又难以满足要求的； 人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是 既紧张而又频繁的。
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被控变量的分类（按照与生产过程的关系）
直接指标控制； 间接指标控制。
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举例
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
化工仪表及自动化
第七章 简单控制系统
湖北大学化学化工学院 杨世芳
内容提要
简单控制系统的机构与组成
简单控制系统的设计
被控变量的选择 操纵变量的选择 测量元件特性的影响 控制器控制规律的选择
控制器参数的工程整定
临界比例度法 衰减曲线法 经验凑试法
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7.1 简单控制系统的机构与组成
简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个 控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
图7-1 液位控制系统
说明
图7-2 温度控制系统
在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、 变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节， 只是在画图时被省略罢了。
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从图中可知
图7-3 简单控制系统的方块图
操作变量 通过工艺分析 确定
系统的干扰
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举例
图7-7 精馏塔流程图
如果根据工艺要求， 选择提馏段某块塔板 （一般为灵敏板）的温 度作为被控变量。
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影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主 要有：
图7-8 影响提馏段温度的各 种因素示意图
进料的流量（Q入）、成分（x入）、 温度（T入）、回流的流量（Q回）、 回流液温度（T回）、加热蒸汽流量 （Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等
图7-13 pH值控制系统示意图
延迟时间τ0
0
l1 v1
l2 v2
这一纯滞后使测量信号 不能及时反映中和槽内溶 液pH值的变化，因而降低 了控制质量。
图7-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
图7-6 苯-甲苯溶液的 p-x图
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从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。
原因
在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操 作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证 塔的效率和经济性。
在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基 本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就 有一定的单值对应关系。
道的放大系数Kf小些。 （B）对象动态特性的影响
① 控制通道时间常数的影响 控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的
校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通 道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。
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② 控制通道纯滞后τ0的影响
控制通道的物料输送或能量传 递都需要一定的时间。这样造成 的纯滞后τ0对控制质量是有影响 的。图7-10所示为纯滞后对控制 质量影响的示意图。
简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、 测量变送装置、控制器和执行器。
在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端 的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控 变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。
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7.2 简单控制系统的设计
7.2.1被控变量的选择
生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按 一定规律变化）的变量称为被控变量。
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结论
测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈 加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太 大，最好选用惰性小的快速测量元件。
当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数 的1／10时，对系统的控制质量影响不大。
测量元件安装是否正确，维护是否得当，也 会影响测量与控制。
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(2)测量元件的纯滞后 当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。 有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。
所选变量有足够的灵敏度。
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★选择被控变量的原则:
（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反 映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。 （2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰 影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。
（3）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得 直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可 选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控 变量。
等。
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。
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(2)对象特性对选择操纵变量的影响
干扰变量由干扰通道施加 在对象上，起着破坏作用， 使被控变量偏离给定值；
图7-9 干扰通道与控制通道的关系
操纵变量由控制通道施加 到对象上，使被控变量回复 到给定值，起着校正作用。
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（A）对象静态特性的影响 一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通