第一章 简单控制系统
第一章 简单控制系统
工业生产过程控制研究的基本观点
第一章 简单控制系统
第一节 控制系统组成和控制性能指标
一、控制系统的组成
1,简单控制系统示例
2,控制系统的框图
3,控制系统的有关术语
4,控制系统框图的几点说明
二、控制系统的控制性能指标
1,时域控制性能指标
2,积分性能指标
3,控制系统正常运行的重要准则
第二节 过程动态特性和建立过程的动态模型
一、过程动态特性
1,典型过程动态特性
自衡的非振荡过程
无自衡的非振荡过程
自衡的振荡过程
具有反向特性的过程
2、过程特性对控制性能指标的影响
增益的影响
时间常数的影响
时滞的影响
扰动进入系统位置的影响
时间常数匹配的影响
被控变量与操作变量的选择
二、过程动态模型的建立
1,对过程模型的要求
2、过程模型建立的方法 机理建模示例
系统辨识方法 机理建摸方法 混合方法
第三节 检测变送环节
一、检测变送环节的性能
1.检测元件和变送器的作用,
2.对检测变送单元的基本要求,
3.选用时的基本考虑,
4.动态特性
○ 对 Tm的基本考虑,
减小 Tm的途径,
○ 对 τm的考虑,
τm = l / w
减小 τm的途径,
二、对检测变送信号的处理
1.滤波及信号处理的目的,
2.滤波的方法,
模拟滤波,
数字滤波,
3.数字滤波的算法,
4.信号处理,
第四节 执行器环节
一、执行器概述
1.执行器的类型
2.执行机构的分析
3.调节机构的分析
二、流量特性
1.线性流量特性
2.等百分比流量特性
3.抛物线流量特性
4.快开流量特性
三、控制阀特性的选择
1.从静态考虑选择控制阀的工作特性
2.从动态考虑选择控制阀的工作特性
3.从控制阀的工作特性选择控制阀的理想特性
4.控制阀气开、气关形式的选择 ;
5.压降比 S的考虑
四,阀门定位器的正确使用
五,其他执行器
第五节 控制器的模拟控制算法
一,基本控制算法分析
二、比例控制算法
1.比例控制算法
2.比例增益对控制系统的影响
三、比例积分控制算法
1.比例积分控制算法
2.对 PI控制作用的分析
3.PI控制作用对系统过渡过程的影响
四、积分饱和及其防止
1.积分饱和
2.积分饱和的防止
五、比例微分控制算法
1.比例微分控制算法
2.使用注意事项
六、比例积分微分控制算法
1.比例积分微分控制算法
2.PID控制作用对过渡过程的影响
第六节 控制器的数字控制算法
一、模拟控制算法的数字化
1.位置算法
2.增量算法
3.速度算法
二、数字控制算法的改进
1.数字控制算法的特点
2.数字控制算法的改进
★对积分控制算法的改进
★对微分控制算法的改进
3.实现数字控制算法时应注意的问题
三、连续系统的离散化
1.差分近似
2.输入只在采样时刻作变化情况下的精确方法
3.s域到 z域的对应变换
4.插入保持器后 s域到 z域的对应变换
5.时间离散系统到时间连续系统的变换
第七节 控制器参数整定和控制系统投运
一,控制器参数整定的若干原则
对已存在的控制系统，调整控制器参数
使系统达到满意的控制品质
二、控制器参数整定
1.控制器参数的经验整定法
2.控制器参数的半经验整定法
★ 衰减曲线法
★ 临界比例度法
★ 控制度法
3.控制器参数整定的反应曲线法
★ Ziegler & Nichols法
★ Lopez法
★ Cohen-Coon法
4.理论计算法
5.控制器正反作用的设置
三,控制系统的投运和维护
第八节 与 PID控制密切相关的几类控制算法
一,二维 PID控制算法
1.PID-PD控制算法
2.设定滤波的两维 PID控制算法
二、时间比例控制系统
1.开关控制
2.时间比例控制
三、差拍控制系统
1.差拍控制系统的基本原理
2.差拍控制系统的特点
3.Dahlin控制算法
★ Dahlin控制算法
★ 改进 Dahlin控制算法
4.V.E.控制算法
5.卡尔曼控制算法
差拍控制算法总汇
第一节 控制系统组成
一、控制系统的组成
液位控制系统示例
? 当系统受到外界扰动的影响时
为使被控变量（液位）与设定值保持一致
检测被控变量，并与设定值比较得到偏差
按一定控制规律对偏差运算
输出信号驱动操纵变量（流量）
最终使被控变量回复到设定值
? 变送器检测液位
? 控制器对偏差运算
? 执行器改变操纵变量
一、控制系统的组成
压力控制系统的示例
? 当系统受到外界扰动的影响时
为使被控变量（压力）与设定值保持
一致
检测被控变量，并与设定值比较得到
偏差
按一定控制规律对偏差运算
输出信号驱动操纵变量（流量）
最终使被控变量回复到设定值
? 变送器检测压力
? 控制器对偏差运算
? 执行器改变操纵变量
第一节 控制系统组成
一、控制系统的组成
温度控制系统示例
? 当系统受到外界扰动的影响时
为使被控变量（温度）与设定值保持
一致检测被控变量，并与设定值比较
得到偏差按一定控制规律对偏差运算
输出信号驱动操纵变量（流量）
最终使被控变量回复到设定值
? 变送器检测温度
? 控制器对偏差运算
? 执行器改变操纵变量
返回
TT TC
θ
蒸汽
设定值
FT FC
设定值
LT LC
设定值
(a) 温度控制系统 (b) 压力控制系统
(c) 液位控制系统
图 1-1 简单控制系统示例
PT PC
设定值
(d)流量控制系统
返回
第一节 控制系统组成
一、控制系统的组成
控制系统的框图
控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成
传递函数
随动控制系统（ Fixed set point
control system）传递函数,
)()()()(1
)()()(
)(
)(
sGsGsGsG
sGsGsG
sR
sY
mpvc
pvc
??
定值控制系统（ Follow-up control
system）传递函数,
)()()()(1
)(
)(
)(
sGsGsGsG
sG
sF
sY
mpvc
f
?
?
返回
控制系统组成请点击
? 被控对象请点击
? 变送器请点击
? 计算机请点击
? 检测元件请点击
? 控制器请点击
? 执行器请点击
返回
被控对象
变送器
计算机
检测元件
控制器
执行器
一、控制系统的组成
控制系统框图的几点说明
返回
说明几点,
? 简单控制系统有两个通道：控制通道和扰
动通道。
? 框图中的各个信号都是增量。图中的箭头
表示信号的流向，并非物流或能流的方向。
? 各环节的增益有正、有负。当该环节的输
入增加时，其输出增加，则该环节的增益
为正，反之，如果输出减小则增益为负。
返回
? 对象的增益有正、有负例如：加热系
统的增益为正、冷却系统的增益为负；
? 气开阀的增益为正、气关阀的增益为
负；
? 正作用控制器的增益为负，反作用控
制器的增益为正；
? 检测变送器的增益一般为正。
? 通过调整控制器的正反作用来保证系
统为负反馈。
? 加热系统对象放大倍数为正
? 采用气开阀放大倍数为正
? 检测变送器放大倍数为正
? 控制器应选放大倍数为正即反作用
? 冷却系统对象放大倍数为负
? 采用气开阀放大倍数为正
? 检测变送器放大倍数为正
? 控制器应选放大倍数为负即正作用
? 通常将执行器、被控对象和检测变送环节
合并为广义对象，广义对象传递函数用
Go(s) 表示。
? 控制系统中如果包含采样开关，则这类控
制系统称为采样控制系统（ Sampling
control system）。
返回
第一节 控制系统组成
二、控制系统的控制性能指标
时域控制性能指标
返回
1.衰减比 n：衰减比（ Subsidence ratio）是控制系统的稳定性
指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即,
? n<1扩散振荡即不稳定
? n=1等幅振荡
? n.>1衰减振荡
? n无穷大为非周期过程
? 衰减率 ψ也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期
后，波动幅度衰减的百分数，即,
2
1
B
Bn ?
1
21 B BB ???
2．超调量和最大动态偏差,
? 随动控制系统中，超调量
（ Overshoot） σ定义为,
? 定值控制系统采用最大动态偏差 A
表示超调程度。即,
%1001 ?? CB?
CBA ?? 1
3．余差：它是控制系统的最终稳态
偏差 e(∞) 。在阶跃输入作用下，余
差（ Steady-state error）为,
定值控制系统中,r=0，因此有：
e(∞)= -C。余差是控制系统稳态
准确性指标。
Cryre ?????? )()(
4．回复时间和振荡频率：被控变量从过
渡过程开始到进入稳态值 ± 5%或
± 2%范围内的时间作为过渡过程的回
复时间 Ts（ Settling time）。回复时
间是控制系统的快速性指标。
振荡频率 ω与振荡周期 T的关系是
在相同衰减比 n下，振荡频率越高，回
复时间越短；在相同振荡频率下，衰
减比越大，回复时间越短。
T
?? 2?
5．偏离度：控制系统偏离度是被控变量
统计特性的描述。
在相同干扰作用下，定值控制系统输出
的最大偏差越大，系统的偏离度越大；
在相同的衰减比下，系统输出的周期越
大，系统的偏离度越大。
返回
综合性控制指标（积分鉴定指标）
返回
控制系统运行的重要准则
返回
第二节 过程特性及动态模型建立
一、过程特性类型
过程特性类型
参数估计 曲线拟合 返回
过程特性 1：自衡非振荡过程
下一页
上一页
返回
过程特性 2：无自衡非振荡过程
下一页
上 一页
返回
过程特性 3：有自衡振荡过程
下一页
上 一页
返回
过程特性 4：具有反向特性的过程
上 一页
返回
增益的影响
返回
时间常数的影响
返回
时间常数匹配的影响
返回
扰动进入系统位置的影响
返回
时滞的影响,
控制通道时滞的影响,
? 当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不
能及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，
控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存
在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量
的变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制
不及时，超调增大，并引起系统不稳定。
? 用 τo/To反映时滞的相对影响。通常,τo/To≤0.3
时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当
τo/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程
进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时
滞，有时可增大时间常数以减小 τo/To。
扰动通道时滞的影响,
? 时滞 τf的存在不影响系统闭环极点的分布，
因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动
进入系统的时间先后，即不影响控制系统
控制品质。
被控变量和操纵变量的选择
? 深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控
变量；
? 尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为
被控变量；
? 操纵变量的选择原则,
? 选择对被控变量影响较大的操纵变量，即 Ko尽量大；
? 选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的
? τo/To应尽量小；
? 过程的 To/Tf 应尽量小；
? 使过程的 KfF尽量小；
? 工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。
过程动态模型的建立
对过程模型的要求
? 对过程模型的要求是正确、可靠和简单。
? 过程动态模型可分为三类；
? 黑箱模型、白箱模型和灰箱模型。
? 过程模型建立的方法有：系统辩识方法 -经
验建模方法；机理建模方法：混合方法。
返回
系统辩识方法,
? 根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参
数的建模方法称为系统辩识方法，建立的模型称
为黑箱模型。
? 过程辨识的方法很多，依据输入变量的变化情况
（即所施加外作用的形式），目前大致可分为非
周期函数，周期函数，非周期性随机函数及周期
性函数等四类。
? 阶跃响应法
? 脉冲响应法
需要验前知识少，但建立的模型不具有放大功能，
即不能类推到不同型号的放大设备或过程中。
(1),阶跃响应法
阶跃响应法非常简单，只要有遥控阀和
被控变量纪录仪表就可以进行。先使工况
保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式
的变化（通常在 10％以内），在此同时把
被控变量的变化过程记录下来，得到广义
对象的阶跃响应曲线。
把对象作为具有时滞的一阶对象来处理,
式中 K0— 对象放大系数； T0— 对象时间常数；
τ— 对象时滞。
? ? s
0
0 e
1sT
KsG ??
??
各参数求法如下,
τ=时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交
点的时间间隔
T0=被控变量 y完成全部变化量的 63.2％
所需时间 -τ。
? ?
u
yK
0 ?
? ??
另外一种确定 τ和 T0的方法，是把达到
39％和 63％响应的时间读出来，分别
用 t0.39和 t0.63来表示，按下式计算
T0= 2（ t0.63- t0.39）
τ= 2 t0.39- t0.63
(2) 脉冲响应法
输入是 ⊿ u(t)= ⊿ u1(t)+ ⊿ u2(t)
= ⊿ u1(t)- ⊿ u(t-⊿ t)
而输出是 ⊿ y(t)=h1(t)+ h2(t)
= h1(t)- h1(t-⊿ t)
∴ h1(t)= ⊿ y(t)+ h1(t-⊿ t)
上式表示了响应曲线关系式，在 0～ ⊿ t时
间内,h1(t)等于脉冲响应即 h1(t)=
⊿ y(t)，而后 h1(t)等于当时的脉冲响应
⊿ y(t)加 ⊿ t时间以前的阶跃响应 h1(t-⊿ t)，
随着时间推移就可得到完整阶跃响应曲线。
得阶跃响应曲线后，可以通过前述有关方
法求取过程的数学模型。
返回
机理建模方法,
根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡和
有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是机理
建模方法，又称为过程动态学方法。建立的模型称
为白箱模型。
建立机理模型的方法是,
? 列写基本方程：物料平衡和能量平衡方程等；
? 消去中间变量，建立状态变量 x、控制变量 u和输出
变量 y的关系；
? 增量化：在工作点处对方程进行增量化，获得增量
方程；
? 线性化：在工作点处进行线性化处理，简化过程特
性；
? 列写状态和输出方程。
机理模型的优点是,
? （ 1）可以充分利用已知的过程知识，从事物的本
质上去认识外部特性（ 2）可以验前得出，在流程
和设备的设计阶段即能求取；（ 3）有较大的适用
范围，操作条件变化是可以类推。
? 但也有两个弱点：（ 1） 对于复杂的过程，人们对
基本方程的某些参数不完全掌握，例如，换热器的
K值，由传热学书籍提供的公式可能有 ± 10～ 30％
的误差。又如，象精馏塔的塔板效率、塔板流体中
的汽液比值等参数，很难预先精确估计；（ 2）如
不经过输入输出数据的验证，则近乎纸上谈兵，难
以判断其正确性。
下一页
返回
上一页
返回
混合方法,
? 把两种途径结合，可兼采两者之长，补各
自之短。介于上述两种方法之间的建模方
法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模
型。
返回
一、测量性能
返回
二、动态特性
返回
三、滤波和信号处理
返回
1、执行器的类型
控制框图
返回
执行器的传递函数描述
返回
2、执行机构的分析
死区的影响 返回
返回
3、调解机构的分析
返回
控制阀流量特性
返回 特性曲线 等百分比流量特性
第一页
下一页
返回
第二页
下一页
返回
上一页
第三页
下一页
上一页
返回
第四页
下一页
上一页
返回
第五页
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返回
第六页
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返回
第七页
下一页
上一页
返回
等百分比流量特性
特性曲线 返回
快开流量特性
返回 特性曲线
抛物线流量特性
特性曲线 返回
随动控制系统, 设定值 R变化
返回
定值控制系统, 负荷变化
返回
定值控制系统, 阀前后的压力变化
返回
从动态性能考虑控制阀的工作特性
返回
根据压降比 S选择控制阀的理想特性
返回
根据被控变量选择控制阀的理想特性
返回
换热器定值控制系统中 控制阀的选择
返回
选择控制法特性时的注意事项
返回
控制阀气开、气关形式的选择
返回
压降比 S的考虑
返回
阀门定位器的工作原理
返回
阀门定位器的功能
返回
其他执行器
返回
基本控制算法分析
返回
P作用控制算法
返回
比例度
返回
控制器的正反作用
返回
方框图和传递函数
返回
控制器增益对控制品质的影响
返回
控制器增益 Kc对最大偏差的影响
? 最大偏差 ---对于二阶衰减振荡
)11(
1)]1e x p (1[1 2 nKK
FK
KK
FKA
oc
f
oc
f ?
??????? ?
??
可见，随着过程增益 Kc的增加,
最大偏差减小，但稳定性变差。
液位控制的余差
返回
随动控制系统 — 单比例
余差
RKKKK RKKRyRe ococ oc ????????? 1 11)()(
nKK
RKK
KK
RKKB
oc
oc
oc
oc 1
1)1e x p (1 2 ?????? ?
??
对于二阶衰减振荡
?随着增大 Kc，余差减小，而超调量增大。
超调量
随动控制系统
返回
定值控制系统
返回
幅频特性分析
返回
开环不稳定对象的示例
返回
比例积分控制算法
返回
对 PI控制作用的分析
返回
对稳定性的影响
返回
控制器积分时间变化时的输出曲线
返回 定值控制系统
控制器积分时间变化时的输出曲线
随动控制系统 返回
积分饱和
返回
示例
安全放空系统
返回
积分饱和的防止
积分外反馈
PI控制规则的实现
返回
积分外反馈
返回
比例微分控制算法
返回
比例微分控制算法使用注意事项
返回
比例积分微分控制算法
返回
PID控制作用对过渡过程的影响
返回
位置算法
返回
增量算法
返回
速度算法
返回
离散 PID算法特点
返回
采样周期的考虑 影响控制度因素
采样周期对控制品质的影响
返回
香农定理
返回
采样周期的选择
返回
影响控制度因素
返回
对积分作用的改进之一
返回
对积分作用的改进之二
返回
对积分作用的改进之三
返回
微分先行
不完全微分
输入滤波
实现数字控制算法时应注意的问题（输入）
返回
数字滤波
DDC系统框图
对检测变送信号的处理（局部放大）
返回
DDC系统原理框图
返回
实现数字控制算法时应注意的问题（信号量化和线性化）
返回
示例
信号量化示例
返回
实现数字控制算法时应注意的问题（输出）
返回
应注意的问题
返回
PID控制作用
? 比例作用 P是基本控制作用，输出与输入无相位差。
Kc越大控制作用越强，随着 Kc 的增加 (比例度 δ
减小 ),余差下降，最大偏差减小，但稳定性变
差。
? 比例作用 P引入积分作用 I后，可以消除余差。但
是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕度下降，为
保持同样稳定性裕度,Kc应减少 10-20%(比例
度 δ 应增加 10-20%)。积分时间 Ti越短，积分作
用越强,Ti趋向无穷大时无积分作用。应防积分
饱和。
PID控制作用
? 比例作用 P引入适当微分作用 D后，幅值增
加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保
持同样稳定性裕度,Kc应 增加 10-20%(
比例度 δ 应 减少 10-20%)。微分作用 D可
以克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分
时间 Td越大，微分作用越强,Td=0无微分
作用。
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数的经验整定法
返回
控制器参数经验数据
? 流 量：对象时间常数小，参数有波动,δ 要大
40―100% ； Ti要短 0.3―1min ；不用微分 。
? 温 度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓,
δ 应小 20―60% ； Ti要长 3―10min ；一般 需加微分
Td=0.5 ―3min
? 压 力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分
δ =30―70% Ti=0.4―3min
? 液 位：对象时间常数范围较大，要求不高时,δ 可在一
定范围内选取，一般不用微分,δ = 20―80 %
控制器参数的经验整定法
返回
控制器参数的半经验整定法
返回
临界比例度法
返回
控制度法
返回
Ziegler & Nichols法
返回
Lopez法
返回
Cohen-Coon法
返回
根轨迹法
返回
根轨迹法
返回
控制器正反作用的设置
返回
气
开
阀
例一
蒸
汽
气
开
阀
例二
气关阀
例三
自整定调节器
? 继电型自整定 -山武霍尼韦尔公司 TDC3000-SCC
Go(s)
d
h R Y
继电型自整定方法简单、可靠,
需要预先设定的参数就是 h和 d继电特性的参数
该方法的缺点是，被控对象须能在开关信号作用下产生等幅振荡，从而限制
了其使用范围。
横河北辰公司 -YEWSERIES-80自整定 PID控制器
FOXBORO-EXACT自整定 PID控制器
控制系统的投运和维护
返回
扰动进入系统位置的影响
返回
时间常数匹配的影响
返回
增益的影响
返回
时间常数的影响
返回
时滞的影响,
控制通道时滞的影响,
? 当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能
及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，控制
作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞
时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。
因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超
调增大，并引起系统不稳定。
? 用 τo/To反映时滞的相对影响。通常,τo/To≤0.3
时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当
τo/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程进
行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，
有时可增大时间常数以减小 τo/To。
返回
扰动通道时滞的影响,
? 时滞 τf的存在不影响系统闭环极点的分布，
因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动
进入系统的时间先后，即不影响控制系统
控制品质。
返回
被控变量和操纵变量的选择
? 深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控
变量；
? 尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为
被控变量；
? 操纵变量的选择原则,
? 选择对被控变量影响较大的操纵变量，即 Ko尽量大；
? 选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的
? τo/To应尽量小；
? 过程的 To/Tf 应尽量小；
? 使过程的 KfF尽量小；
? 工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。
返回
第一章 简单控制系统
工业生产过程控制研究的基本观点
第一章 简单控制系统
第一节 控制系统组成和控制性能指标
一、控制系统的组成
1,简单控制系统示例
2,控制系统的框图
3,控制系统的有关术语
4,控制系统框图的几点说明
二、控制系统的控制性能指标
1,时域控制性能指标
2,积分性能指标
3,控制系统正常运行的重要准则
第二节 过程动态特性和建立过程的动态模型
一、过程动态特性
1,典型过程动态特性
自衡的非振荡过程
无自衡的非振荡过程
自衡的振荡过程
具有反向特性的过程
2、过程特性对控制性能指标的影响
增益的影响
时间常数的影响
时滞的影响
扰动进入系统位置的影响
时间常数匹配的影响
被控变量与操作变量的选择
二、过程动态模型的建立
1,对过程模型的要求
2、过程模型建立的方法 机理建模示例
系统辨识方法 机理建摸方法 混合方法
第三节 检测变送环节
一、检测变送环节的性能
1.检测元件和变送器的作用,
2.对检测变送单元的基本要求,
3.选用时的基本考虑,
4.动态特性
○ 对 Tm的基本考虑,
减小 Tm的途径,
○ 对 τm的考虑,
τm = l / w
减小 τm的途径,
二、对检测变送信号的处理
1.滤波及信号处理的目的,
2.滤波的方法,
模拟滤波,
数字滤波,
3.数字滤波的算法,
4.信号处理,
第四节 执行器环节
一、执行器概述
1.执行器的类型
2.执行机构的分析
3.调节机构的分析
二、流量特性
1.线性流量特性
2.等百分比流量特性
3.抛物线流量特性
4.快开流量特性
三、控制阀特性的选择
1.从静态考虑选择控制阀的工作特性
2.从动态考虑选择控制阀的工作特性
3.从控制阀的工作特性选择控制阀的理想特性
4.控制阀气开、气关形式的选择 ;
5.压降比 S的考虑
四,阀门定位器的正确使用
五,其他执行器
第五节 控制器的模拟控制算法
一,基本控制算法分析
二、比例控制算法
1.比例控制算法
2.比例增益对控制系统的影响
三、比例积分控制算法
1.比例积分控制算法
2.对 PI控制作用的分析
3.PI控制作用对系统过渡过程的影响
四、积分饱和及其防止
1.积分饱和
2.积分饱和的防止
五、比例微分控制算法
1.比例微分控制算法
2.使用注意事项
六、比例积分微分控制算法
1.比例积分微分控制算法
2.PID控制作用对过渡过程的影响
第六节 控制器的数字控制算法
一、模拟控制算法的数字化
1.位置算法
2.增量算法
3.速度算法
二、数字控制算法的改进
1.数字控制算法的特点
2.数字控制算法的改进
★对积分控制算法的改进
★对微分控制算法的改进
3.实现数字控制算法时应注意的问题
三、连续系统的离散化
1.差分近似
2.输入只在采样时刻作变化情况下的精确方法
3.s域到 z域的对应变换
4.插入保持器后 s域到 z域的对应变换
5.时间离散系统到时间连续系统的变换
第七节 控制器参数整定和控制系统投运
一,控制器参数整定的若干原则
对已存在的控制系统，调整控制器参数
使系统达到满意的控制品质
二、控制器参数整定
1.控制器参数的经验整定法
2.控制器参数的半经验整定法
★ 衰减曲线法
★ 临界比例度法
★ 控制度法
3.控制器参数整定的反应曲线法
★ Ziegler & Nichols法
★ Lopez法
★ Cohen-Coon法
4.理论计算法
5.控制器正反作用的设置
三,控制系统的投运和维护
第八节 与 PID控制密切相关的几类控制算法
一,二维 PID控制算法
1.PID-PD控制算法
2.设定滤波的两维 PID控制算法
二、时间比例控制系统
1.开关控制
2.时间比例控制
三、差拍控制系统
1.差拍控制系统的基本原理
2.差拍控制系统的特点
3.Dahlin控制算法
★ Dahlin控制算法
★ 改进 Dahlin控制算法
4.V.E.控制算法
5.卡尔曼控制算法
差拍控制算法总汇
第一节 控制系统组成
一、控制系统的组成
液位控制系统示例
? 当系统受到外界扰动的影响时
为使被控变量（液位）与设定值保持一致
检测被控变量，并与设定值比较得到偏差
按一定控制规律对偏差运算
输出信号驱动操纵变量（流量）
最终使被控变量回复到设定值
? 变送器检测液位
? 控制器对偏差运算
? 执行器改变操纵变量
一、控制系统的组成
压力控制系统的示例
? 当系统受到外界扰动的影响时
为使被控变量（压力）与设定值保持
一致
检测被控变量，并与设定值比较得到
偏差
按一定控制规律对偏差运算
输出信号驱动操纵变量（流量）
最终使被控变量回复到设定值
? 变送器检测压力
? 控制器对偏差运算
? 执行器改变操纵变量
第一节 控制系统组成
一、控制系统的组成
温度控制系统示例
? 当系统受到外界扰动的影响时
为使被控变量（温度）与设定值保持
一致检测被控变量，并与设定值比较
得到偏差按一定控制规律对偏差运算
输出信号驱动操纵变量（流量）
最终使被控变量回复到设定值
? 变送器检测温度
? 控制器对偏差运算
? 执行器改变操纵变量
返回
TT TC
θ
蒸汽
设定值
FT FC
设定值
LT LC
设定值
(a) 温度控制系统 (b) 压力控制系统
(c) 液位控制系统
图 1-1 简单控制系统示例
PT PC
设定值
(d)流量控制系统
返回
第一节 控制系统组成
一、控制系统的组成
控制系统的框图
控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成
传递函数
随动控制系统（ Fixed set point
control system）传递函数,
)()()()(1
)()()(
)(
)(
sGsGsGsG
sGsGsG
sR
sY
mpvc
pvc
??
定值控制系统（ Follow-up control
system）传递函数,
)()()()(1
)(
)(
)(
sGsGsGsG
sG
sF
sY
mpvc
f
?
?
返回
控制系统组成请点击
? 被控对象请点击
? 变送器请点击
? 计算机请点击
? 检测元件请点击
? 控制器请点击
? 执行器请点击
返回
被控对象
变送器
计算机
检测元件
控制器
执行器
一、控制系统的组成
控制系统框图的几点说明
返回
说明几点,
? 简单控制系统有两个通道：控制通道和扰
动通道。
? 框图中的各个信号都是增量。图中的箭头
表示信号的流向，并非物流或能流的方向。
? 各环节的增益有正、有负。当该环节的输
入增加时，其输出增加，则该环节的增益
为正，反之，如果输出减小则增益为负。
返回
? 对象的增益有正、有负例如：加热系
统的增益为正、冷却系统的增益为负；
? 气开阀的增益为正、气关阀的增益为
负；
? 正作用控制器的增益为负，反作用控
制器的增益为正；
? 检测变送器的增益一般为正。
? 通过调整控制器的正反作用来保证系
统为负反馈。
? 加热系统对象放大倍数为正
? 采用气开阀放大倍数为正
? 检测变送器放大倍数为正
? 控制器应选放大倍数为正即反作用
? 冷却系统对象放大倍数为负
? 采用气开阀放大倍数为正
? 检测变送器放大倍数为正
? 控制器应选放大倍数为负即正作用
? 通常将执行器、被控对象和检测变送环节
合并为广义对象，广义对象传递函数用
Go(s) 表示。
? 控制系统中如果包含采样开关，则这类控
制系统称为采样控制系统（ Sampling
control system）。
返回
第一节 控制系统组成
二、控制系统的控制性能指标
时域控制性能指标
返回
1.衰减比 n：衰减比（ Subsidence ratio）是控制系统的稳定性
指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即,
? n<1扩散振荡即不稳定
? n=1等幅振荡
? n.>1衰减振荡
? n无穷大为非周期过程
? 衰减率 ψ也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期
后，波动幅度衰减的百分数，即,
2
1
B
Bn ?
1
21 B BB ???
2．超调量和最大动态偏差,
? 随动控制系统中，超调量
（ Overshoot） σ定义为,
? 定值控制系统采用最大动态偏差 A
表示超调程度。即,
%1001 ?? CB?
CBA ?? 1
3．余差：它是控制系统的最终稳态
偏差 e(∞) 。在阶跃输入作用下，余
差（ Steady-state error）为,
定值控制系统中,r=0，因此有：
e(∞)= -C。余差是控制系统稳态
准确性指标。
Cryre ?????? )()(
4．回复时间和振荡频率：被控变量从过
渡过程开始到进入稳态值 ± 5%或
± 2%范围内的时间作为过渡过程的回
复时间 Ts（ Settling time）。回复时
间是控制系统的快速性指标。
振荡频率 ω与振荡周期 T的关系是
在相同衰减比 n下，振荡频率越高，回
复时间越短；在相同振荡频率下，衰
减比越大，回复时间越短。
T
?? 2?
5．偏离度：控制系统偏离度是被控变量
统计特性的描述。
在相同干扰作用下，定值控制系统输出
的最大偏差越大，系统的偏离度越大；
在相同的衰减比下，系统输出的周期越
大，系统的偏离度越大。
返回
综合性控制指标（积分鉴定指标）
返回
控制系统运行的重要准则
返回
第二节 过程特性及动态模型建立
一、过程特性类型
过程特性类型
参数估计 曲线拟合 返回
过程特性 1：自衡非振荡过程
下一页
上一页
返回
过程特性 2：无自衡非振荡过程
下一页
上 一页
返回
过程特性 3：有自衡振荡过程
下一页
上 一页
返回
过程特性 4：具有反向特性的过程
上 一页
返回
增益的影响
返回
时间常数的影响
返回
时间常数匹配的影响
返回
扰动进入系统位置的影响
返回
时滞的影响,
控制通道时滞的影响,
? 当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不
能及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，
控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存
在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量
的变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制
不及时，超调增大，并引起系统不稳定。
? 用 τo/To反映时滞的相对影响。通常,τo/To≤0.3
时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当
τo/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程
进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时
滞，有时可增大时间常数以减小 τo/To。
扰动通道时滞的影响,
? 时滞 τf的存在不影响系统闭环极点的分布，
因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动
进入系统的时间先后，即不影响控制系统
控制品质。
被控变量和操纵变量的选择
? 深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控
变量；
? 尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为
被控变量；
? 操纵变量的选择原则,
? 选择对被控变量影响较大的操纵变量，即 Ko尽量大；
? 选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的
? τo/To应尽量小；
? 过程的 To/Tf 应尽量小；
? 使过程的 KfF尽量小；
? 工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。
过程动态模型的建立
对过程模型的要求
? 对过程模型的要求是正确、可靠和简单。
? 过程动态模型可分为三类；
? 黑箱模型、白箱模型和灰箱模型。
? 过程模型建立的方法有：系统辩识方法 -经
验建模方法；机理建模方法：混合方法。
返回
系统辩识方法,
? 根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参
数的建模方法称为系统辩识方法，建立的模型称
为黑箱模型。
? 过程辨识的方法很多，依据输入变量的变化情况
（即所施加外作用的形式），目前大致可分为非
周期函数，周期函数，非周期性随机函数及周期
性函数等四类。
? 阶跃响应法
? 脉冲响应法
需要验前知识少，但建立的模型不具有放大功能，
即不能类推到不同型号的放大设备或过程中。
(1),阶跃响应法
阶跃响应法非常简单，只要有遥控阀和
被控变量纪录仪表就可以进行。先使工况
保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式
的变化（通常在 10％以内），在此同时把
被控变量的变化过程记录下来，得到广义
对象的阶跃响应曲线。
把对象作为具有时滞的一阶对象来处理,
式中 K0— 对象放大系数； T0— 对象时间常数；
τ— 对象时滞。
? ? s
0
0 e
1sT
KsG ??
??
各参数求法如下,
τ=时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交
点的时间间隔
T0=被控变量 y完成全部变化量的 63.2％
所需时间 -τ。
? ?
u
yK
0 ?
? ??
另外一种确定 τ和 T0的方法，是把达到
39％和 63％响应的时间读出来，分别
用 t0.39和 t0.63来表示，按下式计算
T0= 2（ t0.63- t0.39）
τ= 2 t0.39- t0.63
(2) 脉冲响应法
输入是 ⊿ u(t)= ⊿ u1(t)+ ⊿ u2(t)
= ⊿ u1(t)- ⊿ u(t-⊿ t)
而输出是 ⊿ y(t)=h1(t)+ h2(t)
= h1(t)- h1(t-⊿ t)
∴ h1(t)= ⊿ y(t)+ h1(t-⊿ t)
上式表示了响应曲线关系式，在 0～ ⊿ t时
间内,h1(t)等于脉冲响应即 h1(t)=
⊿ y(t)，而后 h1(t)等于当时的脉冲响应
⊿ y(t)加 ⊿ t时间以前的阶跃响应 h1(t-⊿ t)，
随着时间推移就可得到完整阶跃响应曲线。
得阶跃响应曲线后，可以通过前述有关方
法求取过程的数学模型。
返回
机理建模方法,
根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡和
有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是机理
建模方法，又称为过程动态学方法。建立的模型称
为白箱模型。
建立机理模型的方法是,
? 列写基本方程：物料平衡和能量平衡方程等；
? 消去中间变量，建立状态变量 x、控制变量 u和输出
变量 y的关系；
? 增量化：在工作点处对方程进行增量化，获得增量
方程；
? 线性化：在工作点处进行线性化处理，简化过程特
性；
? 列写状态和输出方程。
机理模型的优点是,
? （ 1）可以充分利用已知的过程知识，从事物的本
质上去认识外部特性（ 2）可以验前得出，在流程
和设备的设计阶段即能求取；（ 3）有较大的适用
范围，操作条件变化是可以类推。
? 但也有两个弱点：（ 1） 对于复杂的过程，人们对
基本方程的某些参数不完全掌握，例如，换热器的
K值，由传热学书籍提供的公式可能有 ± 10～ 30％
的误差。又如，象精馏塔的塔板效率、塔板流体中
的汽液比值等参数，很难预先精确估计；（ 2）如
不经过输入输出数据的验证，则近乎纸上谈兵，难
以判断其正确性。
下一页
返回
上一页
返回
混合方法,
? 把两种途径结合，可兼采两者之长，补各
自之短。介于上述两种方法之间的建模方
法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模
型。
返回
一、测量性能
返回
二、动态特性
返回
三、滤波和信号处理
返回
1、执行器的类型
控制框图
返回
执行器的传递函数描述
返回
2、执行机构的分析
死区的影响 返回
返回
3、调解机构的分析
返回
控制阀流量特性
返回 特性曲线 等百分比流量特性
第一页
下一页
返回
第二页
下一页
返回
上一页
第三页
下一页
上一页
返回
第四页
下一页
上一页
返回
第五页
下一页
上一页
返回
第六页
下一页
上一页
返回
第七页
下一页
上一页
返回
等百分比流量特性
特性曲线 返回
快开流量特性
返回 特性曲线
抛物线流量特性
特性曲线 返回
随动控制系统, 设定值 R变化
返回
定值控制系统, 负荷变化
返回
定值控制系统, 阀前后的压力变化
返回
从动态性能考虑控制阀的工作特性
返回
根据压降比 S选择控制阀的理想特性
返回
根据被控变量选择控制阀的理想特性
返回
换热器定值控制系统中 控制阀的选择
返回
选择控制法特性时的注意事项
返回
控制阀气开、气关形式的选择
返回
压降比 S的考虑
返回
阀门定位器的工作原理
返回
阀门定位器的功能
返回
其他执行器
返回
基本控制算法分析
返回
P作用控制算法
返回
比例度
返回
控制器的正反作用
返回
方框图和传递函数
返回
控制器增益对控制品质的影响
返回
控制器增益 Kc对最大偏差的影响
? 最大偏差 ---对于二阶衰减振荡
)11(
1)]1e x p (1[1 2 nKK
FK
KK
FKA
oc
f
oc
f ?
??????? ?
??
可见，随着过程增益 Kc的增加,
最大偏差减小，但稳定性变差。
液位控制的余差
返回
随动控制系统 — 单比例
余差
RKKKK RKKRyRe ococ oc ????????? 1 11)()(
nKK
RKK
KK
RKKB
oc
oc
oc
oc 1
1)1e x p (1 2 ?????? ?
??
对于二阶衰减振荡
?随着增大 Kc，余差减小，而超调量增大。
超调量
随动控制系统
返回
定值控制系统
返回
幅频特性分析
返回
开环不稳定对象的示例
返回
比例积分控制算法
返回
对 PI控制作用的分析
返回
对稳定性的影响
返回
控制器积分时间变化时的输出曲线
返回 定值控制系统
控制器积分时间变化时的输出曲线
随动控制系统 返回
积分饱和
返回
示例
安全放空系统
返回
积分饱和的防止
积分外反馈
PI控制规则的实现
返回
积分外反馈
返回
比例微分控制算法
返回
比例微分控制算法使用注意事项
返回
比例积分微分控制算法
返回
PID控制作用对过渡过程的影响
返回
位置算法
返回
增量算法
返回
速度算法
返回
离散 PID算法特点
返回
采样周期的考虑 影响控制度因素
采样周期对控制品质的影响
返回
香农定理
返回
采样周期的选择
返回
影响控制度因素
返回
对积分作用的改进之一
返回
对积分作用的改进之二
返回
对积分作用的改进之三
返回
微分先行
不完全微分
输入滤波
实现数字控制算法时应注意的问题（输入）
返回
数字滤波
DDC系统框图
对检测变送信号的处理（局部放大）
返回
DDC系统原理框图
返回
实现数字控制算法时应注意的问题（信号量化和线性化）
返回
示例
信号量化示例
返回
实现数字控制算法时应注意的问题（输出）
返回
应注意的问题
返回
PID控制作用
? 比例作用 P是基本控制作用，输出与输入无相位差。
Kc越大控制作用越强，随着 Kc 的增加 (比例度 δ
减小 ),余差下降，最大偏差减小，但稳定性变
差。
? 比例作用 P引入积分作用 I后，可以消除余差。但
是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕度下降，为
保持同样稳定性裕度,Kc应减少 10-20%(比例
度 δ 应增加 10-20%)。积分时间 Ti越短，积分作
用越强,Ti趋向无穷大时无积分作用。应防积分
饱和。
PID控制作用
? 比例作用 P引入适当微分作用 D后，幅值增
加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保
持同样稳定性裕度,Kc应 增加 10-20%(
比例度 δ 应 减少 10-20%)。微分作用 D可
以克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分
时间 Td越大，微分作用越强,Td=0无微分
作用。
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数整定的若干原则
返回
控制器参数的经验整定法
返回
控制器参数经验数据
? 流 量：对象时间常数小，参数有波动,δ 要大
40―100% ； Ti要短 0.3―1min ；不用微分 。
? 温 度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓,
δ 应小 20―60% ； Ti要长 3―10min ；一般 需加微分
Td=0.5 ―3min
? 压 力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分
δ =30―70% Ti=0.4―3min
? 液 位：对象时间常数范围较大，要求不高时,δ 可在一
定范围内选取，一般不用微分,δ = 20―80 %
控制器参数的经验整定法
返回
控制器参数的半经验整定法
返回
临界比例度法
返回
控制度法
返回
Ziegler & Nichols法
返回
Lopez法
返回
Cohen-Coon法
返回
根轨迹法
返回
根轨迹法
返回
控制器正反作用的设置
返回
气
开
阀
例一
蒸
汽
气
开
阀
例二
气关阀
例三
自整定调节器
? 继电型自整定 -山武霍尼韦尔公司 TDC3000-SCC
Go(s)
d
h R Y
继电型自整定方法简单、可靠,
需要预先设定的参数就是 h和 d继电特性的参数
该方法的缺点是，被控对象须能在开关信号作用下产生等幅振荡，从而限制
了其使用范围。
横河北辰公司 -YEWSERIES-80自整定 PID控制器
FOXBORO-EXACT自整定 PID控制器
控制系统的投运和维护
返回
扰动进入系统位置的影响
返回
时间常数匹配的影响
返回
增益的影响
返回
时间常数的影响
返回
时滞的影响,
控制通道时滞的影响,
? 当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能
及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，控制
作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞
时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。
因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超
调增大，并引起系统不稳定。
? 用 τo/To反映时滞的相对影响。通常,τo/To≤0.3
时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当
τo/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程进
行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，
有时可增大时间常数以减小 τo/To。
返回
扰动通道时滞的影响,
? 时滞 τf的存在不影响系统闭环极点的分布，
因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动
进入系统的时间先后，即不影响控制系统
控制品质。
返回
被控变量和操纵变量的选择
? 深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控
变量；
? 尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为
被控变量；
? 操纵变量的选择原则,
? 选择对被控变量影响较大的操纵变量，即 Ko尽量大；
? 选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的
? τo/To应尽量小；
? 过程的 To/Tf 应尽量小；
? 使过程的 KfF尽量小；
? 工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。
返回
