第 11章 简单控制系统
? 简单控制系统的结构与组成
? 控制的目的, 被控变量的选择
? 对象特性, 控制变量的选择
? 测量滞后, 测量信号处理
? 负荷变化, 调节阀选择
? 控制规律的选择
? 控制系统的投运与参数整定
这一章主要回答三个问题
1.控制什么？
2.拿什么来控制？
3.通过什么方式控制？
第一个问题：控制什么？
答：控工艺要求的指标
具体分为两种情况,
1.工艺要求的指标可以直接在线测量
直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）
2.工艺要求的指标 不 可以直接在线测量
寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，
通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）
例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒
定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压
力存在单值对应关系，根据 P173中的分析，最终可以确定,
固定压力,通过控制温度来间接控制组分 是合理的
第二个问题：拿什么控制？
答：拿一个对被控变量影响较
显著的变量来控。
K大一些,T小一些,τ 最好为 0
测量仪表的选用和安装,
量程、材质、精度等满足工艺要求
测量仪表本身要反应快
应选择有代表性位置进行安装
仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后 (至少要满足要求 )
执行器的选用和安装,
口径（流通能力）、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求
本身反应快（气信号不要进行远距离传输、必要时可以采用电气转换器、
阀门定位器）
阀门安装位置应尽可能靠近被控设备（二者中间不能有很长的工艺管路，
否则会人为增大广义对象的纯滞后）
第三个问题：以什么方式控制？
答：没有标准答案
（选择合适的调节规律）
最常用的调节规律,
位式控制,P,PI,PD,PID
（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）
后续问题：如何整定 PID参数？
答：临界比例度法＋经验
衰减曲线法＋经验
经验凑试法
最好的方法就是, 经验,
第一节 概述
四个基本环节,
? 测量变送环节
? 控制器
? 执行器
? 被控对象
被控变量
控制器 执行器 被控对象
测量变送环节
干扰
偏差 设定值
＋
－
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
控制器
(LC或 TC)
执行器
（控制阀）
被控对象
（液位储槽或换热器
）
测量、变送环节
（ LT或 TT）
被控变量
（ 液位或温度 ）
干扰
偏差 设定值
＋
－
广义对象
简单控制系统方块图
载
热
体
冷流体
换热器
温度控制系统 液位控制系统
常见的两种简单控制系统,
第二节 被控变量的选择
明确
控制目的
使生产过程自动按照预定的目标进行，并使
工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预
定规律变化）
分析
生产工艺
“关键”变量：对产品的产量、质量以及生
产过程的安全具有决定作用的变量
确定
被控变量
两种控制类型,直接指标控制 和 间接指标控制
当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞
后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应
关系而反应又快的变量做为间接控制指标。
选择被控变量 选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
精馏过程示意图
冷却水 T
D
p
进料
Q入, X入, T入
回流 F
塔底产品
塔顶产品
QZ
蒸汽
TH
苯－二甲苯的 T-x图
TD
℃
XD%
苯－二甲苯的 P-x图
P
MPa
XD%
塔顶易挥发组分纯度 XD、塔顶温度 TD、塔顶压力 P三者之
间的关系为,XD= f (TD,P)，两个独立变量。
精馏塔系统的被控变量选择
? 要有代表性 。 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, 一般都是工艺过程中比较重要的变量 。
? 应该独立可控 。 简单控制系统的被控变量应避免和其他控
制系统的被控变量有关联 （ 耦合 )关系 。
? 滞后要小 。 采用直接指标作为被控变量最直接也最有效 。
当无法获得直接指标信号, 或其测量和变送环节滞后很大时,
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 。
? 灵敏度要高 。 被控变量应能被测量出来, 并具有足够大的
灵敏度 。
? 成本要低 。 选择被控变量时, 必须考虑工艺的合理性和国
内仪表产品现状 。
被控变量选择的一般原则
操纵变量与干扰变量
第三节 操纵 变量的选择
Q入
T入
X入
QZ
F
TH
被控变量 TD
影响塔顶温度的各种输入示意图
被
控
对
象
原则上,在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控
变量 影响显著 而且 可控性良好 的输入作为 控制变量 后，
其它所有未被选中的输入则成了为系统的 干扰变量 。
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
精馏过程示意图
冷却水 T
D
p
进料
Q入, X入, T
入
回流
F
塔底产品
塔顶产品
QZ
蒸汽
TH 进料流量 Q入 不可控
进料成分 X入 不可控
进料温度 T入 不可控
回流流量 F 可控
回流温度 TH 不可控
加热蒸汽流量 QZ 可控
冷凝器冷却温度 不可控
塔压 P 不可控
精馏塔系统的操纵变量选择
控制通道
干扰通道 干扰变量
控制变量
被控变量
干扰作用与控制作用之间的关系
被控对象
控制质量 系统的过渡过程形式 ——超调量、衰减比,
余差、过渡时间、振荡周期
对象特性 系统的输入输出关系
分为对象静态性质和对象动态性质
考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操
纵变量
对象特性对控制质量的影响
放大系数 绝对放大系数 ?Y
?X
?Y/(YMAX-YMIN)
?X/(XMAX-XMIN)
相对放大系数
控制通道的稳态特性由控制通道放大系数 K0表征
从 控制有效性 考虑,K0应适当的大一些
干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数 Kf表征
希望 Kf小一些,Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小
操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变
量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可
控变量作为操纵变量。
对象稳态性质对控制质量的影响
对象动态性质对控制质量的影响
控制通道时间常数 T0
控制通道滞后时间 τ 0
T0小一点好，不能过大,否则会使控制变量的校正作
用迟缓，超调量增大，过渡时间增长
在选择操纵变量构成控制回路时，应尽量避免控制
通道纯滞后 τ 0的存在，无法避免时应使之尽可能小。
A,无纯滞后时的校正作用
B,有纯滞后时的校正作用
C,不受控下的输出曲线
D,无纯滞后时的输出曲线
E,有纯滞后时的输出曲线
干扰通道时间常数 Tf
Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利
于改善控制质量
干扰通道纯滞后 τ f的影响
无纯滞后
有纯滞后
干扰通道滞后时间 τ f
干扰通道的纯滞后 τ f不会影
响控制质量
操纵变量的选择原则
? 操纵变量应是 可控 的, 即工艺上允许调节的变量 。
? 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加 灵敏 。
为此, 应通过合理选择操纵变量, 使控制通道的放大倍数适
当大, 时间常数适当小 (但不宜过小, 否则易引起振荡 ),纯
滞后时间尽量小 。 为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小,
应使干扰通道的放大系数尽可能小, 时间常数尽可能大 。
? 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 。 一般说来不宜选择生产负
荷作为控制变量, 因为生产负荷直接关系到产品的产量, 是
不宜经常波动的 。
根据稳态性质选择操纵变量
薄
板
冷
却
器
热物料
冷物料
TT
FT
LC
液氨 液氨
PT
气氨
气氨
液
氨
储
罐
氨直冷式薄板冷却系统示意图
被控变量,物料出口温度
待选的操纵变量,
热物料温度
热物料的流量
液氨的流量
气氨的回气压力
热物料流量 F对冷物料出口温度 T的放大系数为,
1
1 0 0 0k 0, 3???温度变化的百分数
流量变化的百分数
12-0＝
3 0 - 1 0 5 0 - 0
气氨回气压力 P对冷却器物料出口温度 T的放大系数为,
2
1 0 0 0k 1, 6???温度变化的百分数
压力变化的百分数
12-0＝
2 7 5 - 2 4 5 4 0 0 - 0
根据动态性质选择控制变量
乳化物干燥系统示意图
乳
化
物
高位槽
过滤器
1
2
WWW
3
蒸
汽
空
气
产
品
GQ(S)
GP(S)
T1
T2
GF(S)
工艺要求 在 保证产品含水率合格的前提下,
保证最大产量 。
被控变量 产品含水率－ > 干燥温度 T1
影响被控变量的主要输入变量
乳化物流量 fw
旁路空气流量 fQ
加热蒸汽压力流量 fp
1
100S+1
1
100S+1
e-3S e-2S
(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
fP
T1
fQ f
W
乳化物干燥系统被控对象对象方块图
乳
化
物
高位槽
过滤器
1
2
WWW
3
蒸
汽
空
气
产
品
GQ(S)
GP(S)
T1
T2
GF(S)
乳化物干燥系统示意图
= 1 GW(S) (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
e-2S
= 1 GQ(S) (100S+1)
= 1 GP(S) (100S+1)(100S+1)
GF(S) = e-3S
Fw-T1
FQ-T2
FP-T2
T2-T1
传递函数
方案 1：乳化物流量为控制变量
fW
P 1 100S+1 1 100S+1 e-3S
fQ
e-2S
(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
T
控制器
TC
偏
差
设定值
＋ －
干
扰
方案 2：旁路空气流量 fQ为控制变量
设定值
P
1
100S+1
e-3S
100S+1
fQ
e-2S
(8.5S+1)3
T
控制器
TC
偏差
＋ －
fW
干扰
方案 3：蒸汽流量 fp为控制变量
e-2S
(8.5S+1)3
1
100S+1
e-3S
100S+1
fQ
T
控制器
TC
偏差 设定值
＋ －
fW
P
乳
化
物
高位槽
过滤器
1
2
WWW
3
蒸
汽
空
气
产
品
GQ(S)
GP(S)
T1
T2
GF(S)
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
第四节 控制器 控制规律的选择
常用的几种控制规律
? 位式控制
适用于对控制质量要求不高, 被控对象是单容量的, 且容
量较大, 滞后较小, 负荷变化不大也不太激烈, 工艺允许被
控变量波动范围较宽的场合 。
? 比例控制
优点：比例控制克服干扰能力强, 控制及时, 过渡时间短 。
缺点：在过渡过程终了时存在余差
适用于控制通道滞后较小, 负荷变化不大, 工艺允许被控
变量存在余差的场合 。
? 比例微分控制
优点：利用微分超前的作用, 在被控对象具有较大滞后的
场合下, 将会有效地改善担制质量 。
缺点：有可能会使系统产生振荡, 严重时使系统失控而发
生事故 。
? 比例积分微分控制
比例积分微分控制综合了比例, 积分, 微分控制规律的优
点 。 适用于容量滞后较大, 负荷变化大, 控制要求高的场合 。
? 比例积分控制
优点：系统在过渡过程结束时无余差
缺点：系统的超调量, 振荡周期都会相应增大, 过渡时间
也会相应增加 。
适用于控制通道滞后较小, 负荷变化不大, 工艺不允许被
控变量存在余差的场合 。
控制器正、反作用的选择
保证整个控制系统形成负反馈。
在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器
都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器
的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对
控制器的正反作用进行调整。
所谓作用方向, 就是指输入变化后, 输出的变化方向 。
当输入增加时, 输出也增加, 则称该环节为, 正作用, 方
向；反之, 当环节的输人增加时, 输出减小, 则称该环节
为, 反作用, 方向 。
何谓“正”、“反”作用？
控制器正 反作用选择的基本原则
控制器正 反作用选择的步骤
1,判断被控对象的正反作用方向, 由工艺机理确定 ；
2,判断执行器的正反作用方向, 由工艺安全条件选定, 其
选择原则是：控制信号中断时, 应保证设备和操作人员的
安全；
3,确定广义对象的正反作用方向, 一般 测量变送环节为正
作用方向, 根据被控对象和执行器的作用方向, 确定广义
对象的正反作用方向；
4,确定控制器的正反作用方向, 广义对象正作用方向, 则
控制器应选择为反作用, 反之亦然 。
被控变量
控制器 执行器 被控对象
测量变送环节
干扰
偏差 设定值
＋
－
广义对象
燃料气
TC
加热炉出口温度控制
控制器正 反作用选择的实例
液位控制
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
第五节 控制系统的投运与参数整定
控制系统的投运
（ 1） 熟悉被控对象和整个控制系统, 检查所有仪表及连接
管线, 气管线, 电源, 气源等, 以保证接线的正确性, 及
故障时能及时确定故障原因；
（ 2） 根据经验或估算比例度 δ, 积分时间 TI和微分时间 TD
的数值, 或将控制器放在纯比例作用, 比例度放在较大位
置；
（ 3） 确认控制阀的气开, 气关作用；确认控制器的正, 反
作用；
（ 4） 手动操作执行器, 待工况稳定后, 将控制器由手动状
态切换到自动状态, 控制系统由开环控制变为闭环控制 。
初步投运过程基本结束 。 但控制系统的过渡过程不一定
满足要求, 需要进一步整定比例度 δ, 积分时间 TI和微分
时间 TD三个参数 。
控制器参数的工程整定
就是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，使控制质量能满足工艺生产的要求。
对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈 4:1至 10:1
的衰减振荡过程。
什么是“参数整定”？
y
t
4:1
y
t
10:1
参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，
分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）
1、临界比例度法
先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小
地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这
时的比例度称为 临界比例度 δ K，周期称为 临界振荡周期 Tk。
然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。
Tk
t t
f y
临界振荡过程
临界比例度法参数计算公式
控制作用 比例度 % 积分时间 (min) 微分时间 (min)
比例 2δK
比例＋积分 2.2δK 0.85Tk
比例＋微分 1.8δK 0.85Tk
比例＋积分＋微分 1.7δK 0.5Tk 0.125Tk
注意,
当不存在临界比例度、临界比例度过小、不允许等幅振
荡时，该方法不适用。
2、衰减曲线法
将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地
逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现 4,1衰减比为止，
这时的比例度称为 衰减比例度 δ S,周期称为 衰减周期 Ts。
然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。
控制作用 比例度 % 积分时间
(min)
微分时间
(min)
比例 δS
比例＋积分 1.2δS 0.5Ts
比例＋积分＋微分 0.8δS 0.3Ts 0.1Ts
4:1衰减法参数计算公式表
f
y
t
Ts
t 4:1
控制作用 比例度 % 积分时间 (min) 微分时间 (min)
比例 δS
比例＋积分 1.2δS 2T升
比例＋积分＋微分 0.8δS 1.2T升 0.4 T升
10:1衰减法参数计算公式表
y
t
T升
f
t
10:1
采用衰减曲线法必须注意以下几点,
(1) 加的干扰幅值不能太大, 一般为额定值的 5％ 左右 ;
(2) 必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰, 否则得不
到正确的 δ S、, Ts,T升 。
(3) 对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液
位控制等，要在记录曲线上严格得到 4,1衰减曲线比较困难
。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认
为达到 4,1衰减过程了。
3、经验凑试法
被控对象 对象特性 比例度
％
积分时间
(min)
微分时间
(min)
流量 对象时间常数小，参数有波
动,δ 要大,TI要短，不用
微分
40～ 100 0.3～ 1 0.5～ 0.3
温度 对象容量滞后大，参数变化
迟缓,δ 应小,TI要长，一
般需加微分
20～ 60 3～ 10
压力 对象容量滞后不大，一般不
用微分
30～ 70 0.4～ 3
液位 对象时间常数范围较大,δ
应在一定范围内选取，一般
不用微分
20～ 80 0.4～ 3
“看曲线，调参数,
比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，都会产生周
期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期
较长；比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大
引起的振荡周期最短
三种振荡曲线比较图 比例度, 积分时间过大比较图
被
控
变
量
被
控
变
量
比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢，
一般来说，比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则地、较
大幅度地偏离给定值，形状像波浪般起伏变化，如图曲线
a所示。如果曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复
到给定值，这说明积分时间过大，如图曲线 b所示。
? 简单控制系统的结构与组成
? 控制的目的, 被控变量的选择
? 对象特性, 控制变量的选择
? 测量滞后, 测量信号处理
? 负荷变化, 调节阀选择
? 控制规律的选择
? 控制系统的投运与参数整定
这一章主要回答三个问题
1.控制什么？
2.拿什么来控制？
3.通过什么方式控制？
第一个问题：控制什么？
答：控工艺要求的指标
具体分为两种情况,
1.工艺要求的指标可以直接在线测量
直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）
2.工艺要求的指标 不 可以直接在线测量
寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，
通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）
例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒
定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压
力存在单值对应关系，根据 P173中的分析，最终可以确定,
固定压力,通过控制温度来间接控制组分 是合理的
第二个问题：拿什么控制？
答：拿一个对被控变量影响较
显著的变量来控。
K大一些,T小一些,τ 最好为 0
测量仪表的选用和安装,
量程、材质、精度等满足工艺要求
测量仪表本身要反应快
应选择有代表性位置进行安装
仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后 (至少要满足要求 )
执行器的选用和安装,
口径（流通能力）、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求
本身反应快（气信号不要进行远距离传输、必要时可以采用电气转换器、
阀门定位器）
阀门安装位置应尽可能靠近被控设备（二者中间不能有很长的工艺管路，
否则会人为增大广义对象的纯滞后）
第三个问题：以什么方式控制？
答：没有标准答案
（选择合适的调节规律）
最常用的调节规律,
位式控制,P,PI,PD,PID
（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）
后续问题：如何整定 PID参数？
答：临界比例度法＋经验
衰减曲线法＋经验
经验凑试法
最好的方法就是, 经验,
第一节 概述
四个基本环节,
? 测量变送环节
? 控制器
? 执行器
? 被控对象
被控变量
控制器 执行器 被控对象
测量变送环节
干扰
偏差 设定值
＋
－
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
控制器
(LC或 TC)
执行器
（控制阀）
被控对象
（液位储槽或换热器
）
测量、变送环节
（ LT或 TT）
被控变量
（ 液位或温度 ）
干扰
偏差 设定值
＋
－
广义对象
简单控制系统方块图
载
热
体
冷流体
换热器
温度控制系统 液位控制系统
常见的两种简单控制系统,
第二节 被控变量的选择
明确
控制目的
使生产过程自动按照预定的目标进行，并使
工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预
定规律变化）
分析
生产工艺
“关键”变量：对产品的产量、质量以及生
产过程的安全具有决定作用的变量
确定
被控变量
两种控制类型,直接指标控制 和 间接指标控制
当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞
后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应
关系而反应又快的变量做为间接控制指标。
选择被控变量 选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
精馏过程示意图
冷却水 T
D
p
进料
Q入, X入, T入
回流 F
塔底产品
塔顶产品
QZ
蒸汽
TH
苯－二甲苯的 T-x图
TD
℃
XD%
苯－二甲苯的 P-x图
P
MPa
XD%
塔顶易挥发组分纯度 XD、塔顶温度 TD、塔顶压力 P三者之
间的关系为,XD= f (TD,P)，两个独立变量。
精馏塔系统的被控变量选择
? 要有代表性 。 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, 一般都是工艺过程中比较重要的变量 。
? 应该独立可控 。 简单控制系统的被控变量应避免和其他控
制系统的被控变量有关联 （ 耦合 )关系 。
? 滞后要小 。 采用直接指标作为被控变量最直接也最有效 。
当无法获得直接指标信号, 或其测量和变送环节滞后很大时,
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 。
? 灵敏度要高 。 被控变量应能被测量出来, 并具有足够大的
灵敏度 。
? 成本要低 。 选择被控变量时, 必须考虑工艺的合理性和国
内仪表产品现状 。
被控变量选择的一般原则
操纵变量与干扰变量
第三节 操纵 变量的选择
Q入
T入
X入
QZ
F
TH
被控变量 TD
影响塔顶温度的各种输入示意图
被
控
对
象
原则上,在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控
变量 影响显著 而且 可控性良好 的输入作为 控制变量 后，
其它所有未被选中的输入则成了为系统的 干扰变量 。
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
精馏过程示意图
冷却水 T
D
p
进料
Q入, X入, T
入
回流
F
塔底产品
塔顶产品
QZ
蒸汽
TH 进料流量 Q入 不可控
进料成分 X入 不可控
进料温度 T入 不可控
回流流量 F 可控
回流温度 TH 不可控
加热蒸汽流量 QZ 可控
冷凝器冷却温度 不可控
塔压 P 不可控
精馏塔系统的操纵变量选择
控制通道
干扰通道 干扰变量
控制变量
被控变量
干扰作用与控制作用之间的关系
被控对象
控制质量 系统的过渡过程形式 ——超调量、衰减比,
余差、过渡时间、振荡周期
对象特性 系统的输入输出关系
分为对象静态性质和对象动态性质
考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操
纵变量
对象特性对控制质量的影响
放大系数 绝对放大系数 ?Y
?X
?Y/(YMAX-YMIN)
?X/(XMAX-XMIN)
相对放大系数
控制通道的稳态特性由控制通道放大系数 K0表征
从 控制有效性 考虑,K0应适当的大一些
干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数 Kf表征
希望 Kf小一些,Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小
操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变
量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可
控变量作为操纵变量。
对象稳态性质对控制质量的影响
对象动态性质对控制质量的影响
控制通道时间常数 T0
控制通道滞后时间 τ 0
T0小一点好，不能过大,否则会使控制变量的校正作
用迟缓，超调量增大，过渡时间增长
在选择操纵变量构成控制回路时，应尽量避免控制
通道纯滞后 τ 0的存在，无法避免时应使之尽可能小。
A,无纯滞后时的校正作用
B,有纯滞后时的校正作用
C,不受控下的输出曲线
D,无纯滞后时的输出曲线
E,有纯滞后时的输出曲线
干扰通道时间常数 Tf
Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利
于改善控制质量
干扰通道纯滞后 τ f的影响
无纯滞后
有纯滞后
干扰通道滞后时间 τ f
干扰通道的纯滞后 τ f不会影
响控制质量
操纵变量的选择原则
? 操纵变量应是 可控 的, 即工艺上允许调节的变量 。
? 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加 灵敏 。
为此, 应通过合理选择操纵变量, 使控制通道的放大倍数适
当大, 时间常数适当小 (但不宜过小, 否则易引起振荡 ),纯
滞后时间尽量小 。 为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小,
应使干扰通道的放大系数尽可能小, 时间常数尽可能大 。
? 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 。 一般说来不宜选择生产负
荷作为控制变量, 因为生产负荷直接关系到产品的产量, 是
不宜经常波动的 。
根据稳态性质选择操纵变量
薄
板
冷
却
器
热物料
冷物料
TT
FT
LC
液氨 液氨
PT
气氨
气氨
液
氨
储
罐
氨直冷式薄板冷却系统示意图
被控变量,物料出口温度
待选的操纵变量,
热物料温度
热物料的流量
液氨的流量
气氨的回气压力
热物料流量 F对冷物料出口温度 T的放大系数为,
1
1 0 0 0k 0, 3???温度变化的百分数
流量变化的百分数
12-0＝
3 0 - 1 0 5 0 - 0
气氨回气压力 P对冷却器物料出口温度 T的放大系数为,
2
1 0 0 0k 1, 6???温度变化的百分数
压力变化的百分数
12-0＝
2 7 5 - 2 4 5 4 0 0 - 0
根据动态性质选择控制变量
乳化物干燥系统示意图
乳
化
物
高位槽
过滤器
1
2
WWW
3
蒸
汽
空
气
产
品
GQ(S)
GP(S)
T1
T2
GF(S)
工艺要求 在 保证产品含水率合格的前提下,
保证最大产量 。
被控变量 产品含水率－ > 干燥温度 T1
影响被控变量的主要输入变量
乳化物流量 fw
旁路空气流量 fQ
加热蒸汽压力流量 fp
1
100S+1
1
100S+1
e-3S e-2S
(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
fP
T1
fQ f
W
乳化物干燥系统被控对象对象方块图
乳
化
物
高位槽
过滤器
1
2
WWW
3
蒸
汽
空
气
产
品
GQ(S)
GP(S)
T1
T2
GF(S)
乳化物干燥系统示意图
= 1 GW(S) (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
e-2S
= 1 GQ(S) (100S+1)
= 1 GP(S) (100S+1)(100S+1)
GF(S) = e-3S
Fw-T1
FQ-T2
FP-T2
T2-T1
传递函数
方案 1：乳化物流量为控制变量
fW
P 1 100S+1 1 100S+1 e-3S
fQ
e-2S
(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
T
控制器
TC
偏
差
设定值
＋ －
干
扰
方案 2：旁路空气流量 fQ为控制变量
设定值
P
1
100S+1
e-3S
100S+1
fQ
e-2S
(8.5S+1)3
T
控制器
TC
偏差
＋ －
fW
干扰
方案 3：蒸汽流量 fp为控制变量
e-2S
(8.5S+1)3
1
100S+1
e-3S
100S+1
fQ
T
控制器
TC
偏差 设定值
＋ －
fW
P
乳
化
物
高位槽
过滤器
1
2
WWW
3
蒸
汽
空
气
产
品
GQ(S)
GP(S)
T1
T2
GF(S)
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
第四节 控制器 控制规律的选择
常用的几种控制规律
? 位式控制
适用于对控制质量要求不高, 被控对象是单容量的, 且容
量较大, 滞后较小, 负荷变化不大也不太激烈, 工艺允许被
控变量波动范围较宽的场合 。
? 比例控制
优点：比例控制克服干扰能力强, 控制及时, 过渡时间短 。
缺点：在过渡过程终了时存在余差
适用于控制通道滞后较小, 负荷变化不大, 工艺允许被控
变量存在余差的场合 。
? 比例微分控制
优点：利用微分超前的作用, 在被控对象具有较大滞后的
场合下, 将会有效地改善担制质量 。
缺点：有可能会使系统产生振荡, 严重时使系统失控而发
生事故 。
? 比例积分微分控制
比例积分微分控制综合了比例, 积分, 微分控制规律的优
点 。 适用于容量滞后较大, 负荷变化大, 控制要求高的场合 。
? 比例积分控制
优点：系统在过渡过程结束时无余差
缺点：系统的超调量, 振荡周期都会相应增大, 过渡时间
也会相应增加 。
适用于控制通道滞后较小, 负荷变化不大, 工艺不允许被
控变量存在余差的场合 。
控制器正、反作用的选择
保证整个控制系统形成负反馈。
在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器
都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器
的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对
控制器的正反作用进行调整。
所谓作用方向, 就是指输入变化后, 输出的变化方向 。
当输入增加时, 输出也增加, 则称该环节为, 正作用, 方
向；反之, 当环节的输人增加时, 输出减小, 则称该环节
为, 反作用, 方向 。
何谓“正”、“反”作用？
控制器正 反作用选择的基本原则
控制器正 反作用选择的步骤
1,判断被控对象的正反作用方向, 由工艺机理确定 ；
2,判断执行器的正反作用方向, 由工艺安全条件选定, 其
选择原则是：控制信号中断时, 应保证设备和操作人员的
安全；
3,确定广义对象的正反作用方向, 一般 测量变送环节为正
作用方向, 根据被控对象和执行器的作用方向, 确定广义
对象的正反作用方向；
4,确定控制器的正反作用方向, 广义对象正作用方向, 则
控制器应选择为反作用, 反之亦然 。
被控变量
控制器 执行器 被控对象
测量变送环节
干扰
偏差 设定值
＋
－
广义对象
燃料气
TC
加热炉出口温度控制
控制器正 反作用选择的实例
液位控制
选择被控变量
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运
参数整定
概述
第五节 控制系统的投运与参数整定
控制系统的投运
（ 1） 熟悉被控对象和整个控制系统, 检查所有仪表及连接
管线, 气管线, 电源, 气源等, 以保证接线的正确性, 及
故障时能及时确定故障原因；
（ 2） 根据经验或估算比例度 δ, 积分时间 TI和微分时间 TD
的数值, 或将控制器放在纯比例作用, 比例度放在较大位
置；
（ 3） 确认控制阀的气开, 气关作用；确认控制器的正, 反
作用；
（ 4） 手动操作执行器, 待工况稳定后, 将控制器由手动状
态切换到自动状态, 控制系统由开环控制变为闭环控制 。
初步投运过程基本结束 。 但控制系统的过渡过程不一定
满足要求, 需要进一步整定比例度 δ, 积分时间 TI和微分
时间 TD三个参数 。
控制器参数的工程整定
就是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，使控制质量能满足工艺生产的要求。
对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈 4:1至 10:1
的衰减振荡过程。
什么是“参数整定”？
y
t
4:1
y
t
10:1
参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，
分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）
1、临界比例度法
先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小
地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这
时的比例度称为 临界比例度 δ K，周期称为 临界振荡周期 Tk。
然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。
Tk
t t
f y
临界振荡过程
临界比例度法参数计算公式
控制作用 比例度 % 积分时间 (min) 微分时间 (min)
比例 2δK
比例＋积分 2.2δK 0.85Tk
比例＋微分 1.8δK 0.85Tk
比例＋积分＋微分 1.7δK 0.5Tk 0.125Tk
注意,
当不存在临界比例度、临界比例度过小、不允许等幅振
荡时，该方法不适用。
2、衰减曲线法
将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地
逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现 4,1衰减比为止，
这时的比例度称为 衰减比例度 δ S,周期称为 衰减周期 Ts。
然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。
控制作用 比例度 % 积分时间
(min)
微分时间
(min)
比例 δS
比例＋积分 1.2δS 0.5Ts
比例＋积分＋微分 0.8δS 0.3Ts 0.1Ts
4:1衰减法参数计算公式表
f
y
t
Ts
t 4:1
控制作用 比例度 % 积分时间 (min) 微分时间 (min)
比例 δS
比例＋积分 1.2δS 2T升
比例＋积分＋微分 0.8δS 1.2T升 0.4 T升
10:1衰减法参数计算公式表
y
t
T升
f
t
10:1
采用衰减曲线法必须注意以下几点,
(1) 加的干扰幅值不能太大, 一般为额定值的 5％ 左右 ;
(2) 必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰, 否则得不
到正确的 δ S、, Ts,T升 。
(3) 对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液
位控制等，要在记录曲线上严格得到 4,1衰减曲线比较困难
。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认
为达到 4,1衰减过程了。
3、经验凑试法
被控对象 对象特性 比例度
％
积分时间
(min)
微分时间
(min)
流量 对象时间常数小，参数有波
动,δ 要大,TI要短，不用
微分
40～ 100 0.3～ 1 0.5～ 0.3
温度 对象容量滞后大，参数变化
迟缓,δ 应小,TI要长，一
般需加微分
20～ 60 3～ 10
压力 对象容量滞后不大，一般不
用微分
30～ 70 0.4～ 3
液位 对象时间常数范围较大,δ
应在一定范围内选取，一般
不用微分
20～ 80 0.4～ 3
“看曲线，调参数,
比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，都会产生周
期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期
较长；比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大
引起的振荡周期最短
三种振荡曲线比较图 比例度, 积分时间过大比较图
被
控
变
量
被
控
变
量
比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢，
一般来说，比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则地、较
大幅度地偏离给定值，形状像波浪般起伏变化，如图曲线
a所示。如果曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复
到给定值，这说明积分时间过大，如图曲线 b所示。
