第七章 简单控制系统
合集下载
化工仪表及自动化第四版答案(终极版)
工仪表及自动化 (自制课后答案终极版)1.什么是化工仪表与自动化？它有什么重要意义？答： 化工自动化是化工、 炼油、 食品、 轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
在化工设备上， 配备上一些自动化装置， 代替操作人员的部份直接劳动， 使生产在不同程度上自动地进行， 这 种用自动化装置来管理化工生产过程的方法，称为化工自动化。
它的重要意义如下加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。
减轻劳动强度、改善劳动条件。
能够保证生产安全，防止事故发生或者扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用率、保障人 身安全的目的。
生产过程自动化的实现， 能根本改变劳动方式， 提高工人文化技术水平， 以适应当代信息技术 革命和信息产业革命的需要。
2.化工自动化主要包括哪些内容？答： ①自动检测系统， 利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、 指示或者记录的部份 ②自动信号和联锁保护系统， 对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置， 是生产过程中的 一种安全装置③自动控制及自动开停车系统 自动控制系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行 某种周期性操作。
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤,将生产过程自动地投入运行或者 自动停车。
④自动控制系统 对生产中某些关键性参数进行自动控制 ,使它们在受到外界干扰的影响而偏 离正常状态时,能自动地调回到规定的数值范围内。
3.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答；开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况， 也不能判断控制变量的校正作用是否 适合实际需要。
也就是最本质的区别是闭环控制系统有负反馈。
开环系统中， 被控变量是不反 馈到输入端的。
闭环控制系统可以及时了解被控对象的情况， 有针对性的根据被控变量的变化 情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或者接近与所希翼的状态。
4. 自动控制系统主要由哪些环节组成？ 答：主要由测量与变送器 、自动控制器、执行器、被控对象组成。
化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第7章自动控制系统概述
第一位字母 被测变量
分析 电导率 密度 电压 流量 电流 时间或时间程序 物位 水分或湿度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 黏度 力 供选用 位置
后继字母 修饰词 功能
报警 控制（调节）
差 检测元件 比（分数） 指示 自动-手动操作器
积分、累积 安全
积分、累积 记录或打印 开关、联锁 传送 阀、挡板、百叶窗 套管 继动器或计算器 驱动、执行或未分类的终端执行机构
静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率 为0，不是静止）。
19
第三节 过渡过程和品质指标
当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均 恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态， 系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变 其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态， 这种状态就是静态。
9
第二节 自动控制系统的方块图
方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信 号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变 量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e= x- z， 负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
图7-6 自动控制系统方块图
10
第二节 自动控制系统的方块图
31
第三节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之五
（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振 荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同 的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短 一些为好。
32
第三节 过渡过程和品质指标
举例
某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过 渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、 衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
自动控制原理第七章非线性控制系统的分析
X X
这里，M=3，h=1
负倒描述函数为
N 1 X
X
12 1 1 2
X
X 1
X 1, N 1 X , N 1
必有极值
d N 1X 令
0 dX
得 X 2
N 1 2
2
0.523
12
1
1 2
2
6
X： 1 2
-N-1(X)： 0.523
2.自振的稳定性分析
在A点，振幅XA，频率A。
扰动：
X : A点 C点 C点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由C点向B点运动；
A点一个不稳 定的极限环。
X : A点 D点 D点不被G(j)轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由D点左移。
在B点，振幅XB，频率B 。 扰动：
X : B点 E点 E点不被G(j) 轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由E点到B点；
X : B点 F点 F点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由F回到B点。
B点呈现稳定的自激振荡:振幅XB ,频率B。
3.闭环系统稳定性判别步骤
1）绘制非线性部分的负倒描述函数曲线和线 性部分的频率特性曲线。
2）若G(j)曲线不包围“-N-1(X)”曲线，则系统稳定。 若G(j)曲线包围“-N-1(X) ”曲线，系统不稳定。 若G(j)曲线与“-N-1(X)”曲线相交，系统出现自振。
3）若G(j )曲线与“-N-1(X)”曲线有交点，做以 下性能分析：
（1）不稳定的极限环
（2）稳定的极限环 计算自振频率和幅值。
例1：非线性系统如图所示,其中非线性特性为 具有死区的继电器,分析系统的稳定性。
0e
这里，M=3，h=1
负倒描述函数为
N 1 X
X
12 1 1 2
X
X 1
X 1, N 1 X , N 1
必有极值
d N 1X 令
0 dX
得 X 2
N 1 2
2
0.523
12
1
1 2
2
6
X： 1 2
-N-1(X)： 0.523
2.自振的稳定性分析
在A点，振幅XA，频率A。
扰动：
X : A点 C点 C点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由C点向B点运动；
A点一个不稳 定的极限环。
X : A点 D点 D点不被G(j)轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由D点左移。
在B点，振幅XB，频率B 。 扰动：
X : B点 E点 E点不被G(j) 轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由E点到B点；
X : B点 F点 F点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由F回到B点。
B点呈现稳定的自激振荡:振幅XB ,频率B。
3.闭环系统稳定性判别步骤
1）绘制非线性部分的负倒描述函数曲线和线 性部分的频率特性曲线。
2）若G(j)曲线不包围“-N-1(X)”曲线，则系统稳定。 若G(j)曲线包围“-N-1(X) ”曲线，系统不稳定。 若G(j)曲线与“-N-1(X)”曲线相交，系统出现自振。
3）若G(j )曲线与“-N-1(X)”曲线有交点，做以 下性能分析：
（1）不稳定的极限环
（2）稳定的极限环 计算自振频率和幅值。
例1：非线性系统如图所示,其中非线性特性为 具有死区的继电器,分析系统的稳定性。
0e
第七章 简单控制系统
操纵变量的选择 操纵变量的选择
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。
操作变量 通过工艺分析
确定
系统的干扰
16
第三节 操纵变量的选择
举例
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。
图7-7 精馏塔流程图
31
举例
加热炉出口温度控制系统 为了在控制阀气源突然 断气时,炉温不继续升高, 断气时,炉温不继续升高,采 停气时关闭) 用了气开阀 (停气时关闭) , 方向。 是“正”方向。炉温是随燃 料的增多而升高的, 料的增多而升高的,以炉子也 方向作用的。 是“正”方向作用的。变送 器是随炉温升高,输出增大, 器是随炉温升高,输出增大, 也是“ 方向。 也是“正”方向。所以控制 器必须为“反方向” 器必须为“反方向”,才能当 炉温升高时,使阀门关小, 炉温升高时,使阀门关小,炉 温下降。 温下降。
19
图7-9 干扰通道与控制通道示 意图
对象静态特性的影响-放大系数K 对象静态特性的影响-放大系数K
控制通道的放大系数控制通道的放大系数-适当范围 干扰通道的放大系数，越小越好 干扰通道的放大系数，
20
对象动态特性的影响
时间常数
控制通道： 控制通道：不能太大 干扰通道：大些有利于控制 干扰通道：
11
举例
被控变量的选择 被控变量的选择
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图7-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
图7-6 苯-甲苯溶液的 p-x图
12
从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。 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。 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， 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。 离纯度，保证塔的效率和经济性。 在塔压固定的情况下， 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， 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。 与组分之间就有一定的单值对应关系。 所选变量有足够的灵敏度。 所选变量有足够的灵敏度。
数控机床的伺服系统
第七章 数控机床的伺服系统
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂， 价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交 流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服 电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修， 制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速 度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统， 交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。
第七章 数控机床的伺服系统
进给伺服系统的作用：接受数控装臵发出的进给速度和位 移指令信号，由伺服驱动装臵作一定的转换和放大后，经伺服 电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机 构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行 部件的运动速度与位臵，以及几个执行部件按一定规律运动所 合成的运动轨迹。如果把数控装臵比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的 “四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随 者。
第七章 数控机床的伺服系统
二、步进电机工作原理
步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中， 步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一 定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带 动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数 量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序 来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由 于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定， 速度也受到步进电机性能的限制。
第七章 数控机床的伺服系统
直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直 演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动 能的一种推力装臵，是一种较为理想的驱动装臵。在机床进给 系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是 取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传 动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动 机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机 床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。 随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相 信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。
过程装备控制技术及应用(1)
比较自动控制与人工控制：在自动控制系统中，测量仪表,控制 仪表，自动调节阀分别代表了人工控制中人的观察，思考和手动操 作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运 算、传输、动作速度远远高于人的观察，思考和操作过程，因此自 动控制可以满足信号变化速度快，控制要求高的场合 。 1.2.2 控制系统的组成 从上面锅炉汽包水位的自动控制系统中可以看出，一个自动控 制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制 系统，它包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部 分是自动控制装置下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换 热器等。图1－1（b）中，锅炉、差压便送器、调节器、执行器等 构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。 被控对象 ：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备 或机器称为被控对象，简称对象。在化工生产中，各种塔器、反应 器、泵、压缩机以及各种容器。贮罐、贮槽、甚至一段输送流体的 管道或复杂塔器（如精馏塔）的某一部分都可以是被控对象。图1 －1的锅炉即为汽包水位控制系统中的被控对象。
过程装备控制技术及应用
机械工程学院：冯小康
前
言
《过程装备控制技术及应用》课程是经全国高等学校化工类及 相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组讨论决定，确定为 “过程装备与控制工程”专业的核心课程之一。本专业学生通过该 课程的学习，可以将过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等 方面的知识有机地结合在一起，培养学生成为掌握多学科知识与技 能的复合型人才。
（3）自动操纵系统 ： 这是一种根据预先规定的程序，自动的 对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操作人员的繁重或重 复性体力劳动的装备。例如，合成氨造气车间煤气发生炉的操作就 是按照程序自动地进行的，如自动进行吹气、上吹、下吹制气、吹 净等步骤，周期性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。 （4）自动控制系统： 利用一些自动控制仪表及装置，对生产 过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰 影响偏离正常状态后，能够自动地重新回复到规定的范围内，从而 保证生产的正常进行。
07第七章 内部控制系统及其评价与审计(题目和答案)
第七章内部控制系统及其评价与审计三．简单题：1. 根据当立公司内部控制概况，指出内部控制存在的缺陷：（1）一个好的内部控制,应当考虑五个基本要素,即内部环境、风险评估、控制活动、信息与沟通、内部监督。
尤其是内部环境，在内部控制中起基础性的作用，包括：建立规范的公司治理结构和议事规则，明确董事会、监事会和经理层在决策、执行、监督等方面的职责权限；调整机构设置和权责分配，明确职责权限，将权利和责任落实到各责任单位；完善内部审计机制，由财务负责人领导内部审计部门；完善人力资源政策，切实加强员工培训和继续教育，对于大专学历的员工实行全方位的技能培训，对于研究生以上学历的员工无须培训；加强企业文化建设，倡导诚实守信、爱岗敬业。
（2）出纳小辛的朋友小周考虑到现在股市异常火爆,但苦于没有资金,失去了很多赚钱的机会,希望小辛能帮忙从公司账上划出50万元,所得利润两人均分。
小辛表示同意，随后找到担任财务经理的哥哥大辛，请求在财务经理的权限内批准50万元，并保证使用3个月后一定归还。
大辛碍于情面答应帮忙，但交代一定要保密，不能让其他人知道，否则将会受到严厉处罚。
小辛说，肯定不会有事，银行存款余额调节表我自己编自己核查，我收支都不记账，资金余额就平了。
随后，小辛利用这笔资金果然取得了40万元的投资收益，并如约将50万元归还给企业。
（3）当立公司近年来营业收入增长较快,主要原因之一是在销售上采取了比较宽松的信用政策和强有力的绩效激励政策。
为了抢占市场，提高市场占有率，公司规定，业务员可以以发货为依据，按销售额的一定比例拿提成，销售额越多，提成比率越高。
但是，随着营业收入的增加，应收账款也大幅度增加，账龄越来越长，坏账比例居高不下。
（4）当立公司随着业务的增长,原有生产基地已不能满足经营的需要,决定扩建生产基地。
此事关系重大，由总经理巨潭亲自负责该工程项目，从工程招标、工程款的支付到竣工决算，实行全程一支笔审批。
工程完工投产后，该生产基地经常因施工质量问题造成停工。
自动控制原理第七章 采样控制系统
s2 2
展开为部分分式，即
E ( s)
1 1 1 [ ] 2 j s j s j
求拉氏反变换得 e(t ) 1 [e jt e jt ] 2j 分别求各部分的Z变换，得 Z [e* (t )] 1 [ 化简后得
E( z) z sinT z 2 2 z cosT 1
e(t ) e(nT ) e(nT )(t nT ) e (nT ) (t nT ) 2 2! nT t (n 1)T
外推法: 用采样点数值外推求得采样点之间的数值.
只取第一项 ---- 零阶保持器. 只取前两项 ---- 一阶保持器.
e*(t)
一阶保持器比零阶保持器信号恢复更
自动控制原理
蒋大明
一.Z变换
1. Z变换定义：
Z e
TS
S
*
1 ln Z T
代入上式得:
E ( z) E ( s)
1 s ln z T
e( nT ) z
n 0
n
E ( z ) e(0) Z 0 e(T ) Z 1 e(2T ) Z 2
e(kT)表征采样脉冲的幅值，Z的幂次表征采样脉冲出现的时刻。
-at
(a >0)的Z变换。
e(nT) = e
-a nT
(n = 0, 1, …)
代入Z变换的定义式可得
E(z) = 1 + e
若|e
–aT
-aTz -1
+ e
-2aTz -2
+ e
-3aTz -3
+ …
z
-1|
< 1，该级数收敛，利用等比级数求和公式，其Z变换
展开为部分分式，即
E ( s)
1 1 1 [ ] 2 j s j s j
求拉氏反变换得 e(t ) 1 [e jt e jt ] 2j 分别求各部分的Z变换，得 Z [e* (t )] 1 [ 化简后得
E( z) z sinT z 2 2 z cosT 1
e(t ) e(nT ) e(nT )(t nT ) e (nT ) (t nT ) 2 2! nT t (n 1)T
外推法: 用采样点数值外推求得采样点之间的数值.
只取第一项 ---- 零阶保持器. 只取前两项 ---- 一阶保持器.
e*(t)
一阶保持器比零阶保持器信号恢复更
自动控制原理
蒋大明
一.Z变换
1. Z变换定义：
Z e
TS
S
*
1 ln Z T
代入上式得:
E ( z) E ( s)
1 s ln z T
e( nT ) z
n 0
n
E ( z ) e(0) Z 0 e(T ) Z 1 e(2T ) Z 2
e(kT)表征采样脉冲的幅值，Z的幂次表征采样脉冲出现的时刻。
-at
(a >0)的Z变换。
e(nT) = e
-a nT
(n = 0, 1, …)
代入Z变换的定义式可得
E(z) = 1 + e
若|e
–aT
-aTz -1
+ e
-2aTz -2
+ e
-3aTz -3
+ …
z
-1|
< 1，该级数收敛，利用等比级数求和公式，其Z变换
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
种因素示意图
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。
12
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；
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。 图7-9 干扰通道与控制通道的关系
13
（1）对象静态特性的影响
确定
系统的干扰
10
举例
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。
图7-7 精馏塔流程图
11
影响提馏段灵敏板温度T灵 的因素主 要有： 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7-8 影响提馏段温度的各 等。
控制作用 比例 比例+积分 δ /% δ
s
TI/min ′ ′ 2T升 1.2 T升
TD/min
′
s s
1.2δ 0.8 δ
图7-19 4∶1和10∶1衰 减振荡过程
36
二、衰减曲线法
通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。
表7-2 4∶1衰减曲线法控制器参数计算表
控制作用 比例 比例+积分 比例+积分+微分 δ /% δ
s s s
TI/min 0.5 TS 0.3 TS
TD/min
1.2δ 0.8δ
0.1 TS
表7-3 10∶1衰减曲线法控制器参数计算表
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。
图7-12 测量元件时间常数的影响
18
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。
3
一、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。
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。
4
被控变量的分类（按照与生产过程的关系）
22
特点
控制器的输出与偏差成比例。
当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制 及时、过渡时间短。
在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律， 不加比例作用的控制规律是很少采用的。 纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷 变化越大，余差就越大。
23
（2）比例积分控制器
比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。
8
（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。
9
二、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。 操作变量 通过工艺分析
直接指标控制；
间接指标控制。
5
举例
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图7-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图7-6 苯-甲苯溶液的 p-x图
6
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。 所选变量有足够的灵敏度。
作用的方向 输入变化后，输出的变化方向。 正作用方向 当某个环节的输入增加时，其输出也增加，
则称该环节为“正作用”方向。
反作用方向
当环节的输入增加时，输出减少的称 “反作用”方向。
29
测量元件及变送器 执行器 被控对象 控制器
作用方向一般是“正”的。
作用方向取决于是气开阀还是气关阀。 作用方向随具体对象的不同而各不相同。
19
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。 延迟时间τ0
l1 l2 0 v1 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。
20
图7-13 pH值控制系统示意图
3.信号的传送滞后 信号传送滞后 测量信号传送滞后 由现场测量变 送装置的信号传送 到控制室的控制器 所引起的滞后。 控制信号传送滞后 由控制室内控制 器的输出控制信号传 送到现场执行器所引 起的滞后。
1 e edt p KP TI
可调整参数
比例放大系数KP（或比例度δ）和积分时间TI。
适用于
控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数 不允许有余差的系统。
24
特点
由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作 用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制 器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。 积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同 时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但
34
第三节 控制器参数的工程整定
控制器参数的整定 按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器 参数值。即确定最合适的控制器比例度δ、积分时间TI和 微分时间TD。
方法 理论计算的方法和工程整定法。
几种常用的工程整定法
一、临界比例度法
先通过试验得到临界比例度δk和临界周期Tk，然后根 据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。
一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通 道的放大系数Kf小些。
（2）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。
14
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τO 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。 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。
15
图7-10 纯滞后τ0对 控制质量的影响
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。
31
举例
一个简单的加热炉出口温度控制系统。 对象 加热炉 操作变量 燃料气流量 被控变量
图7-15 加热炉出口 温度控制
被加热的原料油 出口温度
32
当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，
故对象是“正”作用方向。如果从工艺安全条件出发选定 执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时， 控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执行器便是“正”作用 方向。为了保证由对象、执行器与控制器所组成的系统是 负反馈的，控制器就应该选为“反”作用。
适用于
容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高 的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。
27
注意！
目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比 例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时 间TD置于０，就成了比例积分控制器，如果同时 将积分时间TI置于无穷大，便成了比例控制器。
28
2.控制器正、反作用的确定 控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运 行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、 反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭 环系统。
超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。
25
（3）比例积分微分控制器 比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律 的控制器，常称为三作用（PID）控制器。
理想的三作用控制器， 存在
1 de p K P e edt TD T dt I
可调整参数
信号的传送滞后，应尽量减小。
21
四、控制器控制规律的选择
1.控制器控制规律的确定 （1）比例控制器 比例控制器是具有比 例控制规律的控制器。
p K Pe
对于单元组合仪表 1 100 % KP 适用于
图7-14 简单控制系统 简化方块图
控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提 出无差要求的系统。
7
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。
33
一个简单的液位控制系统
执行器是“正”方向。
对象是“反”方向。
控制器为“正”方向。
图7-16 液位控制
控制器的正、反作用可以通过 改变控制器上的正、反作用开关 自行选择。 一台正作用的控制器，只要将 其测量值与给定值的输入线互换 图7-17 控制器正、反作用开关示意图 一下，就成了反作用的控制器。
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。
12
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；
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。 图7-9 干扰通道与控制通道的关系
13
（1）对象静态特性的影响
确定
系统的干扰
10
举例
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。
图7-7 精馏塔流程图
11
影响提馏段灵敏板温度T灵 的因素主 要有： 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7-8 影响提馏段温度的各 等。
控制作用 比例 比例+积分 δ /% δ
s
TI/min ′ ′ 2T升 1.2 T升
TD/min
′
s s
1.2δ 0.8 δ
图7-19 4∶1和10∶1衰 减振荡过程
36
二、衰减曲线法
通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。
表7-2 4∶1衰减曲线法控制器参数计算表
控制作用 比例 比例+积分 比例+积分+微分 δ /% δ
s s s
TI/min 0.5 TS 0.3 TS
TD/min
1.2δ 0.8δ
0.1 TS
表7-3 10∶1衰减曲线法控制器参数计算表
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。
图7-12 测量元件时间常数的影响
18
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。
3
一、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。
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。
4
被控变量的分类（按照与生产过程的关系）
22
特点
控制器的输出与偏差成比例。
当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制 及时、过渡时间短。
在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律， 不加比例作用的控制规律是很少采用的。 纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷 变化越大，余差就越大。
23
（2）比例积分控制器
比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。
8
（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。
9
二、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。 操作变量 通过工艺分析
直接指标控制；
间接指标控制。
5
举例
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图7-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图7-6 苯-甲苯溶液的 p-x图
6
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。 所选变量有足够的灵敏度。
作用的方向 输入变化后，输出的变化方向。 正作用方向 当某个环节的输入增加时，其输出也增加，
则称该环节为“正作用”方向。
反作用方向
当环节的输入增加时，输出减少的称 “反作用”方向。
29
测量元件及变送器 执行器 被控对象 控制器
作用方向一般是“正”的。
作用方向取决于是气开阀还是气关阀。 作用方向随具体对象的不同而各不相同。
19
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。 延迟时间τ0
l1 l2 0 v1 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。
20
图7-13 pH值控制系统示意图
3.信号的传送滞后 信号传送滞后 测量信号传送滞后 由现场测量变 送装置的信号传送 到控制室的控制器 所引起的滞后。 控制信号传送滞后 由控制室内控制 器的输出控制信号传 送到现场执行器所引 起的滞后。
1 e edt p KP TI
可调整参数
比例放大系数KP（或比例度δ）和积分时间TI。
适用于
控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数 不允许有余差的系统。
24
特点
由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作 用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制 器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。 积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同 时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但
34
第三节 控制器参数的工程整定
控制器参数的整定 按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器 参数值。即确定最合适的控制器比例度δ、积分时间TI和 微分时间TD。
方法 理论计算的方法和工程整定法。
几种常用的工程整定法
一、临界比例度法
先通过试验得到临界比例度δk和临界周期Tk，然后根 据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。
一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通 道的放大系数Kf小些。
（2）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。
14
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τO 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。 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。
15
图7-10 纯滞后τ0对 控制质量的影响
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。
31
举例
一个简单的加热炉出口温度控制系统。 对象 加热炉 操作变量 燃料气流量 被控变量
图7-15 加热炉出口 温度控制
被加热的原料油 出口温度
32
当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，
故对象是“正”作用方向。如果从工艺安全条件出发选定 执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时， 控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执行器便是“正”作用 方向。为了保证由对象、执行器与控制器所组成的系统是 负反馈的，控制器就应该选为“反”作用。
适用于
容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高 的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。
27
注意！
目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比 例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时 间TD置于０，就成了比例积分控制器，如果同时 将积分时间TI置于无穷大，便成了比例控制器。
28
2.控制器正、反作用的确定 控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运 行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、 反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭 环系统。
超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。
25
（3）比例积分微分控制器 比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律 的控制器，常称为三作用（PID）控制器。
理想的三作用控制器， 存在
1 de p K P e edt TD T dt I
可调整参数
信号的传送滞后，应尽量减小。
21
四、控制器控制规律的选择
1.控制器控制规律的确定 （1）比例控制器 比例控制器是具有比 例控制规律的控制器。
p K Pe
对于单元组合仪表 1 100 % KP 适用于
图7-14 简单控制系统 简化方块图
控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提 出无差要求的系统。
7
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。
33
一个简单的液位控制系统
执行器是“正”方向。
对象是“反”方向。
控制器为“正”方向。
图7-16 液位控制
控制器的正、反作用可以通过 改变控制器上的正、反作用开关 自行选择。 一台正作用的控制器，只要将 其测量值与给定值的输入线互换 图7-17 控制器正、反作用开关示意图 一下，就成了反作用的控制器。