最新简单控制系统的设计
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当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时(即τ0／ To很小)，引入微分作用其效果良好。此时各类调节器 控制规律对控制质量的影响为：比例积分微分(PID)作 用最好，比例微分（PD）作用较好，比例（P）作用次 之，比例积分（PI）作用较差。
当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路 控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案.
简单控制系统的设计
5.1 工程设计概述
第五章 简单控制系统的工程设计
单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一 个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器 所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控 制系统。
单回路反馈控制系统组成方框图：
是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和 投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十 分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较 平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
判别式：
( 控 制 器 " " ) ( 调 节 阀 " " ) ( 对 象 " " ) “ - ?
5.4 控制器参数整定
通过调整控制器参数，使控制器特性与被控过程特性 配合好，获得满意的系统静态与动态特性。
1.整定方法：
1）理论计算：在已知过程数学模型基础上，依据控制理论 计算求取最佳参数。(根轨迹、频特性等)
➢控制参数选择的一般原则为：
① 控制通道放大系数K0要适当大一些，时间常数T0要适当
小一些，纯滞后τ0 越小越好；
② 扰动通道放大系数Kf要尽可能小，时间常数Tf要大一些, 扰动作用点位置要远离被控量的检测点；
③ 过程本身存在多个时间常数时，应尽量设法使他们越错 开越好；
④ 控制量应具有可控性，工艺操作合理性，经济性。
4.调节器正、反作用的确定
➢调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的 特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使 自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果 被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如 果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作 用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影 响相反，才能使被控变量回到设定值。
1
1
W c(Z)1Z1Z[W c(s)s]
Wc(Z)Z[1seTs Wc(s)]
4.数字PID控制算法：
u (k) kp { e (k) T T I jk 1e (j) T T D [e (k) e (k 1 )]}
4.数字PID控制算法： 1）位置式 2）增量式 3）积分分离式 4）抗积分饱和式 5）变速积分式 6）不完全微分式
第五章 简单控制系统的工程设计
➢调节器控制规律的选择原则：
2条规律
（1）根据 0 比值选择控制规律
T0 0 0 . 2 选P或PI；
T0
0.2 0 1.0 选PI或PID；
T0
0 1 . 0 复杂控制；
T0
（2）根据过程特性选择控制规律
P： 较快，克服扰动使系统稳定；有余差。滞后小、负荷变化不大，要求不高。 PI: 无余差；稳定性降低。滞后小、负荷变化不大，不允许有余差的场合。 PD：克服容量滞后，改善动态性能指标。时间常数或容量滞后较大的场合。
5）极限环自整定法：对于有显著干扰的慢过程要获得稳定边界费时且困难，
引入非线性因素使系统出现极限环
6）模式识别法： 根据实测响应模式与理想响应模式的差别调整参数
5.5 过程计算机控制系统
1.最基本的控制任务： 直接数字控制（DDC）直接面向生产过程，采用数字
计算机，对被控参数进行控制。
2.两种设计方法： 模拟化设计（间接）：近似看作模拟系统，用连续系
主要内容
➢ 偏差积分性能 ➢ 控制参数的选择原则 ➢ 控制规律的选择 ➢ 控制器参数整定方法 ➢ 数字PID控制算法
2）工程整定：直接在过程控制系统中进行整定。（实用性强）
➢2.工程整定方法
1）动态特性参数法（响应曲线法）：得到阶跃曲线，求出动态特
性参数，据此按相应公式计算出整定参数值
2）临界比例度法（稳定边界法）：等幅振荡曲线，取参数计算
3）阻尼振荡法（衰减曲线法）：4：1 的衰减曲线 ，取参数计算
4）现场经验凑试法： 先比例、后积分、最后微分的顺序
统理论动态分析和设计，再将设计结果转变成数字计算 机的控制算法。
离散化设计（直接）：变成纯粹的离散系统，用Z变换 等工具进行分析设计，直接设计出控制算法。
3. 离散化方法：
1）差分变换法：用差分方程近似微分方程（后向、前向）
2）零阶保持器法：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列 与模拟调节器阶跃响应的采样值相等，即：
➢调节阀流量特性的选择： 在直线和对数流量特性间选； 系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特
性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比 例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过 选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从 而达到系统总放大倍数不变的目的。
3.调节器控制规律的选择
第五章 简单控制系统的工程设计
➢目的：
为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合， 使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。
➢调节器PID控制规律对控制质量的影响：
当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快， 引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量 的影响不利。
第五章 简单控制系统的工程设计
从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，
即增大Km。
第五章 简单控制系统的工程设计
2.调节阀（执行器）的选择
➢调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器
➢调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是 阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于15 ％～85％之间。
➢调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。
5.3 设备选型
第五章 简单控制系统的工程设计
wk.baidu.com
1. 测量变送问题
➢被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化 情况，为系统设计提供准确的控制依据。
➢测量和变送环节的描述：
Wm(s)
Km ems Tms1
➢参数选择原则：
减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，
则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。
当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路 控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案.
简单控制系统的设计
5.1 工程设计概述
第五章 简单控制系统的工程设计
单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一 个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器 所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控 制系统。
单回路反馈控制系统组成方框图：
是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和 投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十 分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较 平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
判别式：
( 控 制 器 " " ) ( 调 节 阀 " " ) ( 对 象 " " ) “ - ?
5.4 控制器参数整定
通过调整控制器参数，使控制器特性与被控过程特性 配合好，获得满意的系统静态与动态特性。
1.整定方法：
1）理论计算：在已知过程数学模型基础上，依据控制理论 计算求取最佳参数。(根轨迹、频特性等)
➢控制参数选择的一般原则为：
① 控制通道放大系数K0要适当大一些，时间常数T0要适当
小一些，纯滞后τ0 越小越好；
② 扰动通道放大系数Kf要尽可能小，时间常数Tf要大一些, 扰动作用点位置要远离被控量的检测点；
③ 过程本身存在多个时间常数时，应尽量设法使他们越错 开越好；
④ 控制量应具有可控性，工艺操作合理性，经济性。
4.调节器正、反作用的确定
➢调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的 特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使 自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果 被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如 果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作 用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影 响相反，才能使被控变量回到设定值。
1
1
W c(Z)1Z1Z[W c(s)s]
Wc(Z)Z[1seTs Wc(s)]
4.数字PID控制算法：
u (k) kp { e (k) T T I jk 1e (j) T T D [e (k) e (k 1 )]}
4.数字PID控制算法： 1）位置式 2）增量式 3）积分分离式 4）抗积分饱和式 5）变速积分式 6）不完全微分式
第五章 简单控制系统的工程设计
➢调节器控制规律的选择原则：
2条规律
（1）根据 0 比值选择控制规律
T0 0 0 . 2 选P或PI；
T0
0.2 0 1.0 选PI或PID；
T0
0 1 . 0 复杂控制；
T0
（2）根据过程特性选择控制规律
P： 较快，克服扰动使系统稳定；有余差。滞后小、负荷变化不大，要求不高。 PI: 无余差；稳定性降低。滞后小、负荷变化不大，不允许有余差的场合。 PD：克服容量滞后，改善动态性能指标。时间常数或容量滞后较大的场合。
5）极限环自整定法：对于有显著干扰的慢过程要获得稳定边界费时且困难，
引入非线性因素使系统出现极限环
6）模式识别法： 根据实测响应模式与理想响应模式的差别调整参数
5.5 过程计算机控制系统
1.最基本的控制任务： 直接数字控制（DDC）直接面向生产过程，采用数字
计算机，对被控参数进行控制。
2.两种设计方法： 模拟化设计（间接）：近似看作模拟系统，用连续系
主要内容
➢ 偏差积分性能 ➢ 控制参数的选择原则 ➢ 控制规律的选择 ➢ 控制器参数整定方法 ➢ 数字PID控制算法
2）工程整定：直接在过程控制系统中进行整定。（实用性强）
➢2.工程整定方法
1）动态特性参数法（响应曲线法）：得到阶跃曲线，求出动态特
性参数，据此按相应公式计算出整定参数值
2）临界比例度法（稳定边界法）：等幅振荡曲线，取参数计算
3）阻尼振荡法（衰减曲线法）：4：1 的衰减曲线 ，取参数计算
4）现场经验凑试法： 先比例、后积分、最后微分的顺序
统理论动态分析和设计，再将设计结果转变成数字计算 机的控制算法。
离散化设计（直接）：变成纯粹的离散系统，用Z变换 等工具进行分析设计，直接设计出控制算法。
3. 离散化方法：
1）差分变换法：用差分方程近似微分方程（后向、前向）
2）零阶保持器法：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列 与模拟调节器阶跃响应的采样值相等，即：
➢调节阀流量特性的选择： 在直线和对数流量特性间选； 系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特
性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比 例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过 选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从 而达到系统总放大倍数不变的目的。
3.调节器控制规律的选择
第五章 简单控制系统的工程设计
➢目的：
为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合， 使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。
➢调节器PID控制规律对控制质量的影响：
当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快， 引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量 的影响不利。
第五章 简单控制系统的工程设计
从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，
即增大Km。
第五章 简单控制系统的工程设计
2.调节阀（执行器）的选择
➢调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器
➢调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是 阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于15 ％～85％之间。
➢调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。
5.3 设备选型
第五章 简单控制系统的工程设计
wk.baidu.com
1. 测量变送问题
➢被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化 情况，为系统设计提供准确的控制依据。
➢测量和变送环节的描述：
Wm(s)
Km ems Tms1
➢参数选择原则：
减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，
则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。