Process Control
过程控制清华大学自动化系王京春第三章 单回路控制系统的整定
§ 3-1 系统整定的一般概念
§ 3-2 衰减频率特性的整定计算
§ 3-3 工程整定方法
§ 3-1 系统整定的一般概念一、什么叫整定根据系统中被控过程的动态特性，确定调节器中的各可调整参数，使系统的工作性能达规定的要求（如稳定性、某项指标最优）
了解掌握过程特性
确定性能指标
通过整定实现所规定的指标二、整定所采用的性能指标
1.稳定裕量时域：衰减率?=75%～ 90%
复域：相对稳定度 m，一对主要特征根的实部与虚部之比。 0.221～ 0.366
频域：对数频率特性中的增益 裕量 5～ 10db
相角裕量 30～ 60o
抑制长期误差抑制大误差抑制小误差仅要求误差均值为零
,|)(|
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,|)(|
,)(
2
dttetI T A E
dtteI S E
dtteI A E
dtteIE2,误差积分最小三、整定方法
1.理论计算整定基于数学模型（传递函数、频率特性），
按性能指标进行计算，得到整定参数
2.工程整定根据响应曲线、特征参数，按工程经验数据或经验公式得到整定参数
3.直接经验调整参照性能指标，按实际运行曲线进行调整
§ 3-2 衰减频率特性的整定计算一、衰减频率特性普通复域内,S=? j?
得到 频率特性虚轴左移 m,使 S= -m j?
得到 衰减频率特性二、衰减频率特性与稳定判据
Niquist稳定判据的扩展应用三、以 m为指标的整定计算衰减频率特性稳定判椐以系统开环传递函数为依据因而参数整定的基本计算式为
),(),(),(
1),(
jmGjmGjmG
ejmG
pc
j
),(),(
1),(),(
mm
mMmM
pc
pc
1 单参数调节器的整定计算
– 采用比例控制器已知被控过程特性，根据上式可确定 Kc
– 采用积分控制器以单容对象采用积分控制器构成的控制系统为例
),(
1),(
m
mMK
p
pc
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sp
spc
m
mMK
2222
)
1
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m
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1
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m
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K
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2 双参数调节器的整定计算
PI控制器
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11
)
1
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1
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0
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S
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pc
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sp
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m
mM
m
S
mmm
mM
S
§ 3-3 工程整定法
动态特性参数法 (Z-N)
– 广义对象的阶跃响应曲线可用表示
– 柯恩－库恩公式的比例增益较大
稳定边界法
– TI最大,TD为零，比例带较大
– 逐渐减小比例带至等幅振荡，记录临界比例带和临界振荡周期
– 查表求比例带，积分时间和微分时间
– 积分、微分时间较大
1)(
Ts
KesG s?
衰减曲线法
– TI最大,TD为零，比例带较大
– 逐渐减小比例带至响应曲线 4:1衰减，
记录此时的比例带和振荡周期
– 查表求比例带，积分时间和微分时间
经验法整定与参数调整
调节器参数的相互干扰系数
***
,
1
,
1
DDII
I
D
FTTT
F
TF
T
T
F
整定参数性能指标
T
I
T
D
最大动态偏差
残差
衰减率
振荡频率
+
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)(sGv
)(sGm
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vvvcc
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KKK
KsGsGsGsG
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**
*
*
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§ 3-4 调节器参数的自整定
极限环法
– 利用控制器使系统进入稳定状态
– 切换到继电器，使系统进入极限环
– 根据极限环的幅度和周期计算控制器参数，并切换回控制器状态
模式识别法
– 划分模式
– 提取特征量
– 确定状态变量值
– 根据状态变量理想值与实际值之差，调整参数
鲁棒调节参数调节器参数调节机构 参数估计对象调节器继电器对象第四章 调节阀的选择与计算
§ 4-1 调节阀简介
§ 4-2 调节阀的流量系数及其计算
§ 4-3 调节阀的流量特性及其选择
§ 4-1 调节阀简介一、调节阀的构成
1,基本组成与作用（见书）
执行机构：把控制信号转换为阀杆转角度或位移电动执行器：伺服放大器，伺服电机、减速器气动执行器：薄膜式、气缸式液动执行器：输出力大调节阀阀体：根据阀杆动作改变流通面积，从而改变介质流量大小。
阀门定位器：根据控制信号使阀门开度精确定位阀门定位器应用场合：
（ 1）提高控制系统精度
（ 2）系统需要改变调节阀流量特性
（ 3）组成分程控制系统
2,调节阀分类：
调节阀结构类型：直通单座阀，直通双座阀，
角形阀，蝶阀，三通阀，隔膜阀按流体对阀芯的作用分：流开阀和流闭阀按阀芯安装方式：正装和反装气动阀：气开阀和气关阀几种作用的组合方式（见书）
·§a?è ·?§0.2-1.0
·? 3ì ￡o 0.2-0.6,0.55-1.0
二、调节阀选择计算的内容
1.执行机构的选择：种类、输出力大小
2.阀体结构类型：单、双座，角阀、蝶阀、隔膜阀
3.气开、气关调节阀的组合方式气开、气关的选用原则,安全性原则
4.流量特性及其选择
5.流通能力的计算与口径的选择
6.确定公称压力、工作温度等
§ 4-2 调节阀的流量系数一、调节阀的流量方程水平管道
F接管面积,?阻力系数,A单位系数
介质密度,P1,P2阀前、后的压力
21
2
22
2
11
2
22
2
2
11
1
,
22
22
PPAF
Q
F
Q
V
g
VP
g
VP
g
VP
h
g
VP
h
二、流量系数的定义
–流量系数用以表示特定条件下，单位时间内通过阀门的体积流量或质量流量；
以衡量阀门流通能力大小
–额定（标称）流量系数：指阀门全开
（开度 100%）、阀前后的压差为
0.1MPa时，每小时流过密度为 1g/cm3的水的吨数（ m3)，它是阀门规格的一项指标三、流量系数的计算公式
1.流量系数的基本计算式用以计算满足工作状态要求的阀门流量系数，
作为选择阀门尺寸的依据，确定其额定流量系数
2.流量系数工程计算公式用表
A 按介质种类，一般分液体、气体、蒸汽，
考虑采用不同的计算公式。
B 应严格按照所规定的量纲
/)(
,
21 PP
QCFAC
3.计算流量系数时需考虑的问题阻塞流问题,FL
雷诺数修正：高黏度液体，或低速流动时压缩系数修正,Z
管件形状修正,Fp
四、关于阻塞流
1 增大压差 P1-P2，（即减小 P2）而通过的流量不发生变化的现象
2 阻塞流与非阻塞流状态下，流量与压差之间的数值关系变化较大，要采用不同的计算公式。先判别状态，再选取计算公式
3 是否发生 阻塞流，与阀门结构、介质种类有关。
4 某种阀门流经 空气发生阻塞流时的压差与阀前压力的比值，称为临界压差比 XT。
其它气体发生阻塞流的条件是 x>Fk XT ;Fk
是指该气体的绝热指数与空气的绝热指数之比。
5 当液体流过阀门缩流处，其静压低于流体的饱和蒸汽压时，会发生闪蒸，并进而发生 阻塞流。液体发生阻塞流的条件是?P>FL2(P1-FFPv),Pv介质饱和蒸汽压,
FL压力恢复系数,FF液体临界压力比系数五、雷诺数修正高黏度液体，或低速流动时,根据雷诺数 Re,查图表得到雷诺数修正系数 FR
再根据 C’=C/FR
修正计算流量系数 C’
§ 4-3 调节阀的流量特性流量特性指相对流量与相对开度之间的函数关系 q = f(l); q = Q/Qmax; l = L/Lmax
一、理想流量特性调节阀前后压差保持不变时流量特性。
1.直线流量特性 dq/dl=k
即 q=kl+c 令 R=Qmax/Qmin为可调范围
l=0时 Q=Qmin q=1/R
l=1时 Q=Qmax q=1
q=(1+(R-1)l)/R q与 l成直线关系特点：
放大倍数为常数流量的相对变化不均匀如 10%的开度变化，流量变化 10吨 /时开度 10-20% 50-60% 80-90%
（ 20-10） /10 （ 60-50） /50 10/80
相对 100% 20% 12.5%
变化率小开度时调节作用强，易震荡，大开度时调节作用弱，不满足要求
2,等百分比流量特性（对数特性）
dq/dl=kq
放大倍数与本点相对流量的比值为常数因而称为等百分比。
lnq=(l-1)lnR
在半对数坐标上为常数特点：放大倍数为变数，增益随开度的增加而增加,流量在全行程内相对变化均匀
3,快开阀 q=1-(1-1/R)(1-l)2
4,抛物线流量特性 q=1/R[1+(R1/2-1)l]2
二、工作流量特性实际工作条件下，阀门前后压差不会是常数，
造成工作条件下的流量特性与理想流量特性不一致。
1 串联管道：
系统总压差 =阀两端压差 +管道其它阻力的压差
S100=调节阀全开时两端压差 /系统总压差调节阀的实际可调比
100
0
100
SRR
Q
Q
R
is
r
r
s
2.串联管道上调节阀工作流量系数与理想情况的差别
A 可调范围缩小
B 特性曲线畸变
3 并联管道也有上述 A,B两方面的变化,A的变化更为明显
1 0 0
0
)1(
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SRR
R
R
QQ
Q
R
ii
i
p
e
p
三、流量特性的选择原则和方法回路开环总增益稳定阀门放大倍数不变阀门放大倍数与过程放大倍数的变化互补根据管道阻力决定理想流量特性调节阀选择计算小结
1.调节阀体结构形式的选择
2.气开、气关形式的选择
3.流量特性的选择 控制质量、配管状态
4.流量系数的计算确定计算数据；阻塞流判别；选取计算公式；各种修正；
5.确定口径；验算相对开度，可调比；
6.确定使用的温度、压力条件等习题
4.5
4.17
过程控制清华大学自动化系王京春第三章 单回路控制系统的整定
§ 3-1 系统整定的一般概念
§ 3-2 衰减频率特性的整定计算
§ 3-3 工程整定方法
§ 3-1 系统整定的一般概念一、什么叫整定根据系统中被控过程的动态特性，确定调节器中的各可调整参数，使系统的工作性能达规定的要求（如稳定性、某项指标最优）
了解掌握过程特性
确定性能指标
通过整定实现所规定的指标二、整定所采用的性能指标
1.稳定裕量时域：衰减率?=75%～ 90%
复域：相对稳定度 m，一对主要特征根的实部与虚部之比。 0.221～ 0.366
频域：对数频率特性中的增益 裕量 5～ 10db
相角裕量 30～ 60o
抑制长期误差抑制大误差抑制小误差仅要求误差均值为零
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dttetI T A E
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dtteIE2,误差积分最小三、整定方法
1.理论计算整定基于数学模型（传递函数、频率特性），
按性能指标进行计算，得到整定参数
2.工程整定根据响应曲线、特征参数，按工程经验数据或经验公式得到整定参数
3.直接经验调整参照性能指标，按实际运行曲线进行调整
§ 3-2 衰减频率特性的整定计算一、衰减频率特性普通复域内,S=? j?
得到 频率特性虚轴左移 m,使 S= -m j?
得到 衰减频率特性二、衰减频率特性与稳定判据
Niquist稳定判据的扩展应用三、以 m为指标的整定计算衰减频率特性稳定判椐以系统开环传递函数为依据因而参数整定的基本计算式为
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1 单参数调节器的整定计算
– 采用比例控制器已知被控过程特性，根据上式可确定 Kc
– 采用积分控制器以单容对象采用积分控制器构成的控制系统为例
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2 双参数调节器的整定计算
PI控制器
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§ 3-3 工程整定法
动态特性参数法 (Z-N)
– 广义对象的阶跃响应曲线可用表示
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稳定边界法
– TI最大,TD为零，比例带较大
– 逐渐减小比例带至等幅振荡，记录临界比例带和临界振荡周期
– 查表求比例带，积分时间和微分时间
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衰减曲线法
– TI最大,TD为零，比例带较大
– 逐渐减小比例带至响应曲线 4:1衰减，
记录此时的比例带和振荡周期
– 查表求比例带，积分时间和微分时间
经验法整定与参数调整
调节器参数的相互干扰系数
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整定参数性能指标
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§ 3-4 调节器参数的自整定
极限环法
– 利用控制器使系统进入稳定状态
– 切换到继电器，使系统进入极限环
– 根据极限环的幅度和周期计算控制器参数，并切换回控制器状态
模式识别法
– 划分模式
– 提取特征量
– 确定状态变量值
– 根据状态变量理想值与实际值之差，调整参数
鲁棒调节参数调节器参数调节机构 参数估计对象调节器继电器对象第四章 调节阀的选择与计算
§ 4-1 调节阀简介
§ 4-2 调节阀的流量系数及其计算
§ 4-3 调节阀的流量特性及其选择
§ 4-1 调节阀简介一、调节阀的构成
1,基本组成与作用（见书）
执行机构：把控制信号转换为阀杆转角度或位移电动执行器：伺服放大器，伺服电机、减速器气动执行器：薄膜式、气缸式液动执行器：输出力大调节阀阀体：根据阀杆动作改变流通面积，从而改变介质流量大小。
阀门定位器：根据控制信号使阀门开度精确定位阀门定位器应用场合：
（ 1）提高控制系统精度
（ 2）系统需要改变调节阀流量特性
（ 3）组成分程控制系统
2,调节阀分类：
调节阀结构类型：直通单座阀，直通双座阀，
角形阀，蝶阀，三通阀，隔膜阀按流体对阀芯的作用分：流开阀和流闭阀按阀芯安装方式：正装和反装气动阀：气开阀和气关阀几种作用的组合方式（见书）
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二、调节阀选择计算的内容
1.执行机构的选择：种类、输出力大小
2.阀体结构类型：单、双座，角阀、蝶阀、隔膜阀
3.气开、气关调节阀的组合方式气开、气关的选用原则,安全性原则
4.流量特性及其选择
5.流通能力的计算与口径的选择
6.确定公称压力、工作温度等
§ 4-2 调节阀的流量系数一、调节阀的流量方程水平管道
F接管面积,?阻力系数,A单位系数
介质密度,P1,P2阀前、后的压力
21
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二、流量系数的定义
–流量系数用以表示特定条件下，单位时间内通过阀门的体积流量或质量流量；
以衡量阀门流通能力大小
–额定（标称）流量系数：指阀门全开
（开度 100%）、阀前后的压差为
0.1MPa时，每小时流过密度为 1g/cm3的水的吨数（ m3)，它是阀门规格的一项指标三、流量系数的计算公式
1.流量系数的基本计算式用以计算满足工作状态要求的阀门流量系数，
作为选择阀门尺寸的依据，确定其额定流量系数
2.流量系数工程计算公式用表
A 按介质种类，一般分液体、气体、蒸汽，
考虑采用不同的计算公式。
B 应严格按照所规定的量纲
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21 PP
QCFAC
3.计算流量系数时需考虑的问题阻塞流问题,FL
雷诺数修正：高黏度液体，或低速流动时压缩系数修正,Z
管件形状修正,Fp
四、关于阻塞流
1 增大压差 P1-P2，（即减小 P2）而通过的流量不发生变化的现象
2 阻塞流与非阻塞流状态下，流量与压差之间的数值关系变化较大，要采用不同的计算公式。先判别状态，再选取计算公式
3 是否发生 阻塞流，与阀门结构、介质种类有关。
4 某种阀门流经 空气发生阻塞流时的压差与阀前压力的比值，称为临界压差比 XT。
其它气体发生阻塞流的条件是 x>Fk XT ;Fk
是指该气体的绝热指数与空气的绝热指数之比。
5 当液体流过阀门缩流处，其静压低于流体的饱和蒸汽压时，会发生闪蒸，并进而发生 阻塞流。液体发生阻塞流的条件是?P>FL2(P1-FFPv),Pv介质饱和蒸汽压,
FL压力恢复系数,FF液体临界压力比系数五、雷诺数修正高黏度液体，或低速流动时,根据雷诺数 Re,查图表得到雷诺数修正系数 FR
再根据 C’=C/FR
修正计算流量系数 C’
§ 4-3 调节阀的流量特性流量特性指相对流量与相对开度之间的函数关系 q = f(l); q = Q/Qmax; l = L/Lmax
一、理想流量特性调节阀前后压差保持不变时流量特性。
1.直线流量特性 dq/dl=k
即 q=kl+c 令 R=Qmax/Qmin为可调范围
l=0时 Q=Qmin q=1/R
l=1时 Q=Qmax q=1
q=(1+(R-1)l)/R q与 l成直线关系特点：
放大倍数为常数流量的相对变化不均匀如 10%的开度变化，流量变化 10吨 /时开度 10-20% 50-60% 80-90%
（ 20-10） /10 （ 60-50） /50 10/80
相对 100% 20% 12.5%
变化率小开度时调节作用强，易震荡，大开度时调节作用弱，不满足要求
2,等百分比流量特性（对数特性）
dq/dl=kq
放大倍数与本点相对流量的比值为常数因而称为等百分比。
lnq=(l-1)lnR
在半对数坐标上为常数特点：放大倍数为变数，增益随开度的增加而增加,流量在全行程内相对变化均匀
3,快开阀 q=1-(1-1/R)(1-l)2
4,抛物线流量特性 q=1/R[1+(R1/2-1)l]2
二、工作流量特性实际工作条件下，阀门前后压差不会是常数，
造成工作条件下的流量特性与理想流量特性不一致。
1 串联管道：
系统总压差 =阀两端压差 +管道其它阻力的压差
S100=调节阀全开时两端压差 /系统总压差调节阀的实际可调比
100
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100
SRR
Q
Q
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2.串联管道上调节阀工作流量系数与理想情况的差别
A 可调范围缩小
B 特性曲线畸变
3 并联管道也有上述 A,B两方面的变化,A的变化更为明显
1 0 0
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三、流量特性的选择原则和方法回路开环总增益稳定阀门放大倍数不变阀门放大倍数与过程放大倍数的变化互补根据管道阻力决定理想流量特性调节阀选择计算小结
1.调节阀体结构形式的选择
2.气开、气关形式的选择
3.流量特性的选择 控制质量、配管状态
4.流量系数的计算确定计算数据；阻塞流判别；选取计算公式；各种修正；
5.确定口径；验算相对开度，可调比；
6.确定使用的温度、压力条件等习题
4.5
4.17
