第7章 简单控制系统
随着现代石油化工等过程装置的日益大型化、复杂化，智能仪表和计算机控制系统的
日益普及，各类控制系统特别是复杂控制和先进控制系统在生产过程中的作用越来越显得重要。目前，占控制系统绝大多数的仍然是简单控制系统，简单控制系统也是各类复杂控制和先进控制系统的基础。因此，掌握简单控制系统的基本原理和设计方法非常重要。由于简单控制系统的工作原理在前述章节已做介绍与讨论，本章以简单控制系统的设计、投运与整定为主要内容。
7.1 简单控制系统结构与组成
从第一章已知，自动控制系统是由被控对象和自动化装置两大部分组成，即 测量元件及变送器 自动化装置 自动控制器（调节器） 自动控制系统 （起控制作用） 执行器（控制阀）
被控对象 受控制的物理装置（生产设备） （对象）
由于构成自动控制系统的这两大部分(主要是指自动化装置)的数量、连接方式及其目的不同，自动控制系统可以有许多类型。所谓简单控制系统，通常是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。
图7-l所示的液位控制系统与图7-2所示的温度控制系统都是简单控制系统的例子。 图7-1所示的液位控制系统中，贮槽是被控对象，液位是被控变量，变送器LT将反映液位高低的信号送往液位控制器LC。控制器的输出信号送往执行器，改变控制阀开度使贮槽输出流量发生变化以维持液位稳定。
图7-1 液位控制系统 图7-2 温度控制系统
图7-2所示的温度控制系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持换热器出口物料的温度在工艺规定的数值上。
需要说明的是在本系统中画出了变送器LT及TT这个环节，根据第一章中所介绍的控
231
制流程图，按自控设计规范，测量变送环节是被省略不画的，所以在本书以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。
图7-3是图7-1和图7-2所示控制系统的方块图，也简单控制系统的典型方块图。由图可知，简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象(简称对象)、测量变送环节、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统(例如图7-1和图7-2所示的系统)，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方块图来表示，这就便于对它们的共性进行研究。
图7-3 简单控制系统方块图
由图7-3还可以看出，在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的，这是简单反馈控制系统的又一特点。
简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。因此，这种控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用。据某大型化肥厂统计，简单控制系统约占控制系统总数的85％左右。
由于简单控制系统是最基本的、应用最广泛的系统，因此，学习和研究简单控制系统的结构、原理及使用是十分必要的。同时，简单控制系统是复杂控制系统的基础，学会了简单控制系统的分析，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。
前面几章已经分别介绍了组成简单控制系统的各个组成部分，包括被控对象、测量变送装置、控制器、执行器等。本章将介绍组成简单控制系统的基本原则；被控变量及操纵变量的选择；控制器控制规律的选择及控制器参数的工程整定等。
7.2 被控变量的选择
自动控制的目的：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设定的数值上（或按预定规律变化）。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。在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要，它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。如果被控变量选择不当，不管组成什么型式的控制系统，也不管配上多么精密先进的工业自动化装置，都不能达到预期的控制效果。
被控变量的选择是与生产工艺密切相关的，而影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动控制。所以，必须深入实际，调查研究，分析工
231
艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。所谓“关键”变量，是指这样一些变量：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；或者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。
根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制型式：直接指标控制与间接指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则称为直接指标控制； 如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压
力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。 被控变量的选择，有时是一件十分复杂的工作，除 图7-4 精馏过程示意图
了前面所说的要找出关键变量外，还要考虑许多其 1-精溜塔；2-蒸汽加热器 他因素，下面先举一个例子来略加说明，然后再归纳出选择被控变量的一般原则。 图7-4是精馏过程的示意图。它的工作原理是利用被分离物各组分的挥发度不同，把混合物中的各组分进行分离。假定该精馏塔的操作是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定的纯度，那么塔顶（或塔底）馏出物的组分xD（或xw）应作为被控变量，因为它就是工艺上的质量指标。
如果检测塔顶馏出物的组分xD（或xw）尚有困难，或滞后太大，那么就不能直接以xD（或xw）作为被控变量进行直接指标控制。这时可以在与xD（或xw）有关的参数中找出合适的变量作为被控变量，进行间接指标控制。
在二元系统的精馏中，当气液两相并存时，塔顶易挥发组分的浓度xD、塔顶温度TD、压力p三者之间有一定的关系。当压力恒定时，组分xD和温度TD之间存在有单值对应的关系。图7-5所示为苯、甲苯二元系统中易挥发组分苯的百分浓度与温度之间的关系。易挥发组分的浓度越高，对应的温度越低；相反，易挥发组分的浓度越低，对应的温度越高。
231
图7-5 苯-甲苯溶液的T-x图 图7-6 苯-甲苯溶液的p-x图
当温度TD恒定时，组分xD和压力p之间也存在着单值对应关系，如图7-6所示。易挥发组分浓度越高，对应的压力也越高；反之，易挥发组分的浓度越低，对应的压力也越低。由此可见，在组分、温度、压力三个变量中，只要固定温度或压力中的一个，另一个变量就可以代替xD作为被控变量。在温度和压力中，究竟应选哪一个参数作为被控变量呢? 从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。这是因为：第一，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。如塔压波动，就会破坏原来的汽液平衡，影响相对挥发度，使塔处于不良工况。同时，随着塔压的变化，往往还会引起与之相关的其他物料量的变化，影响塔的物料平衡，引起负荷的波动。第二，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。由此可见，固定压力，选择温度作为被控变量是可能的，也是合理的。
在选择被控变量时，还必须使所选变量有足够的灵敏度。在上例中，当xD变化时，温度TD的变化必须灵敏，有足够大的变化，容易被测量元件所感受，且使相应的测量仪表比较简单、便宜。
此外，还要考虑简单控制系统被控变量间的独立性。假如在精馏操作中，塔顶和塔底的产品纯度都需要控制在规定的数值，据以上分析，可在固定塔压的情况下，塔顶与塔底分别设置温度控制系统。但这样一来，由于精馏塔各塔板上物料温度相互之间有一定联系，塔底温度提高，上升蒸汽温度升高，塔顶温度相应亦会提高；同样，塔顶温度提高，回流液温度升高，会使塔底温度相应提高。也就是说，塔顶的温度与塔底的温度之间存在关联问题。因此，以两个简单控制系统分别控制塔顶温度与塔底温度，势必造成相互干扰。使两个系统都不能正常工作。所以采用简单控制系统时，通常只能保证塔顶或塔底一端的产品质量。工艺要求保证塔顶产品质量，则选塔顶温度为被控变量；若工艺要求保证塔底产品质量，则选塔底温度为被控变量。如果工艺要求塔顶和塔底产品纯度都要保证，则通常需要组成复杂控制系统，增加解耦装置，解决相互关联问题。
从上面举例中可以看出，要正确地选择被控变量，必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分析各变量之间的相互关系。选择被控变量时，一般要遵循下列原则： 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，一般都是工艺过程中比较重要的变量；
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。为维持被控变量的恒定，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； ④被控变量应能被测量出来（可测性），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（可控性）。
7.3 操纵变量的选择
7.3.1 操纵变量与干扰变量
231
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。此外，也有以转速、电压等作为操纵变量的。在本章第一节举的例子中，图7-1所示的液位控制系统，其操纵变量是出口流体的流量；图7-2所示的温度控制系统，其操纵变量是载热体的流量。
当被控变量选定以后，接下去应对工艺进行分析，找出有哪些因素会影响被控变量发生变化的。一般来说，影响被控变量的外部输入往往有若干个而不是一个，在这些输入中，有些是可控（可以调节）的，有些是不可控的。原则上，是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，作为操纵变量，而其他未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。下面举一实例加以说明。 图7-7是炼油和化工厂中常见的精馏设备。如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为温度变化最灵敏的板，称为灵敏板）的温度作为被控变量。那么，自动控制系统的任务就是通过维持灵敏板上温度恒定，来保证塔底产品的成分满足工艺要求。
从工艺分析可知，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等。这些因素都会影响被控变量(T灵)变化，如图7-8所示。现在的问题是选择哪一个变量 作为操纵变量。为此，可先将这些影响因素分为两大类，即可控的和不可控的。从工艺角度看，本例中只有回流量和蒸汽流量为可控因素，其他一般为不可控因素。当然，在不可控因素中，有些也是可以调节的，例如Q入、塔压等，只是工艺上一般不允许用这些变量去控制塔的温度(因为Q入的波动意味着生产负荷的波动；塔压的波动意味着塔的工况不稳定，并会破坏温度与成分的单值对应关系，这些都是不允许的。因此，将这些影响因素也看成是不可控因素)。在两个可控因素中，蒸汽流量对提馏段温度影响比起回流量对提馏段温度影响来说更及时、更显著。同时，从节能角度来讲，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小，所以通常应选择蒸汽流量作为操纵变量。
图7-7 精馏塔流程图 图7-8 影响提馏段温度的各种因素示意图
7.3.2 对象特性对选择操纵变量的影响
231
前面已经说过，在诸多影响被控变量的因素中，一旦选择了其中一个作为操纵变量，那么其余的影响因素都成了干扰变量。操纵变量与干扰变量作用在对象上，都会引起被控变量变化。图7-9是其示意图。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。这是一对相互矛盾的变量，它们对被控变量的影响都与对象特性有密切的关系。因此在选择操纵变量时，要认真分析对象特性，以提高控制系统的控制质量。
图7-9 干扰通道与控制通道之间的关系 图7-10 纯滞后o对控制质量的影响
（1）对象静态特性的影响
在选择操纵变量构成自动控制系统时，一般希望控制通道的放大系数Ko要大些，这是因为Ko的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度。Ko越大，表示控制作用对被控变量影响越显著，使控制作用更为有效。所以从控制的有效性来考虑，Ko越大越好。当然，有时Ko过大，会引起过于灵敏，使控制系统不稳定，这也是要引起注意的。
另一方面，对象干扰通道的放大系数Kf，则越小越好。Kf小，表示干扰对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量不大，故确定控制系统时，也要考虑干扰通道的静态特性。 总之，在诸多变量都要影响被控变量时，从静态特性考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。 （2）对象动态特性的影响
① 控制通道时间常数的影响 控制器的控制作用，是通过控制通道施加于对象去影响被控变量的。所以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，使之反应灵敏、控制及时，从而获得良好的控制质量。例如在前面列举的精馏塔提馏段温度控制中，由于回流量对提馏段温度影响的通道长，时间常数大，而加热蒸汽量对提馏段温度影响的通道短，时间常数小，因此选择蒸汽量作为操纵变量是合理的。
② 控制通道纯滞后o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o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。
图中C表示被控变量在干扰作用下的变化曲线（这时无校正作用）；A和B分别表示无纯滞后和有纯滞后时操纵变量对被控变量的校正作用；D和E分别表示无纯滞后和有纯滞后情况下被控变量在干扰作用与校正作用同时作用下的变化曲线。
231
对象控制通道无纯滞后时，当控制器在t0时间接收正偏差信号而产生校正作用A，使被控变量从t0以后沿曲线D变化；当对象有纯滞后0时，控制器虽在t0时间后发出了校正作用，但由于纯滞后的存在，使之对被控变量的影响推迟了0时间，即对被控变量的实际校正作用是沿曲线B发生变化的。因此被控变量则是沿曲线E变化的。比较E、D曲线，可见纯滞后使超调量增加；反之，当控制器接收负偏差时所产生的校正作用，由于存在纯滞后，使被控变量继续下降，可能造成过渡过程的振荡加剧，以致时间变长，稳定性变差。所以，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0尽量小。 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，这是有利于控制的。所以，在确定控制方案时，应设法使干扰到被控变量的通道长些，即时间常数要大一些。
④ 干扰通道纯滞后f的影响 如果干扰通道存在纯滞后f，即干扰对被控变量的影响推迟了时间f，因而，控制作用也推迟了时间f，使整个过渡过程曲线推迟了时间f，只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。
7.3.3 操纵变量的选择原则
根据以上分析，概括来说，操纵变量的选择原则主要有以下几条。
①操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 图7-11干扰通道纯滞后f的影响 ②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，使控制通道的放大系数适当大、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减小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。
③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操纵变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。
7.4 测量元件特性的影响
测量变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。所以，要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。假如测量不准确，使操作人员把不正常工况误认为是正常的，或把正常工况认为不正常，形成混乱，甚至会处理错误造成事故。测量不准确或不及时，会产生失调或误调，影响之大不容忽视。
7.4.1 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，因而造成测量滞后。
测量元件时间常数对测量的影响，如图7-12所示。若被控变量y作阶跃变化时，测量
231
值z慢慢靠近y，如(a)所示，显然，前一段两者差距很大；若y作递增变化，而z则一直跟 不上去，总存在着偏差，如(b)所示；若y作周期性变化，z的振荡幅值将比y减小，而且落后一个相位，如(c)所示。
图7-12 测量元件时间常数的影响
测量元件的时间常数越大，以上现象愈加显著。假如将一个时间常数大的测量元件用于控制系统，那么，当被控变量变化的时候，由于测量值不等于被控变量的真实值，所以控制器接收到的是一个失真信号，它不能发挥正确的校正作用，控制质量无法达到要求。因此，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，例如用快速热电偶代替工业用普通热电偶或温包。必要时也可以在测量元件之后引入微分作用，利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。
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。这时就没有必要盲目追求小时间常数的测量元件。
有时，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。特别是流量测量元件和温度测量元件，例如工业用的孔板、热电偶和热电阻元件等。如安装不正确，往往会影响测量精度，不能正确地反映被控变量的变化情况，这种测量失真的情况当然会影响控制质量。同时，在使用过程中要经常注意维护、检查，特别是在使用条件比较恶劣的情况（如介质腐蚀性强、易结晶、易结焦等）下，更应该经常检查，必要时进行清理、维修或更换。例如当用热电偶测量温度时，有时会因使用一段时间后，热电偶表面结晶或结焦，使时间常数大大增加，以致严重地影响控制质量。
7.4.2 测量元件的纯滞后
当测量存在纯滞后时，也和对象控制通道存在纯滞后一样，会严重地影响控制质量。 测量的纯滞后有时是由于测量元件安装位置引起的。例如图7-13中的pH值控制系统，
231
图7-13 PH值控制系统示意图
如果被控变量是中和槽内出口溶液的pH值，但作为测量元件的测量电极却安装在远离中和槽的出口管道处，并且将电极安装在流量较小、流速很慢的副管道（取样管道）上。这样一来，电极所测得的信号与中和槽内溶液的pH值在时间上就延迟了一段时间0，其大小为：
ll012
v1v2式中，l1，l2—分别为电极离中和槽的主、副管道的长度； v1，v2—分别为主、副管道内流体的流速。
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。目前，以物性作为被控变量时往往都有类似问题，这时引入微分作用是徒劳的，加得不好，反而会导致系统不稳定。所以在测量元件的安装上，一定要注意尽量减小纯滞后。对于大纯滞后的系统，简单控制系统往往是无法满足控制要求的，须采用复杂控制系统。
7.4.3 信号的传送滞后
信号传送滞后通常包括测量信号传送滞后和控制信号传送滞后两部分。
测量信号传送滞后是指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。对于电信号来说，可以忽略不计，但对于气信号来说，由于气动信号管线具有一定的容量，所以，会存在一定的传送滞后。
控制信号传送滞后是指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。对于气动薄膜控制阀来说，由于膜头空间具有较大的容量，所以控制器的输出变化到引起控制阀开度变化，往往具有较大的容量滞后，这样就会使得控制不及时，控制效果变差。
信号的传送滞后对控制系统的影响基本上与对象控制通道的滞后相同，应尽量减小。所以，一般气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动继动器增大输出功率，以减小传送滞后。在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递，必要时可用气—电转换器将气信号转换为电信号，以减小传送滞后。
7.5 控制器控制规律的选择
在选择控制器时，不仅要确定控制器的控制规律，而且要确定控制器的正、反作用。
7.5.1 控制器控制规律的确定
前面已经讲过，简单控制系统是由被控对象、控制器、执行器和测量变送装置四大基本部分组成的。在现场控制系统安装完毕或控制系统投运前，往往是被控对象、测量变送装置和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。这时可将对象、测量变送装置和执行器合在一起，称之为广义对象。于是控制系统可看成由控制器与广义对象两部分组成，如图7-14所示。在广义对象特性已经确定的情况下，如何通过控制器控制规律的选择与控制器参数的工程整定，来提高控制系统的稳定性和控制质量，这就是本节与下一节所要讨论的主要问题。
231
图7-14 简单控制系统简化方块图
目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律：比例控制规律（P）比例积分控制规律（PI）和比例积分微分控制规律（PID）。
选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。 （1）比例控制器（P）
比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e（实际上是指它们的变化量）之间的关系为：
pKPe 比例控制器的可调整参数是比例放大系数KP，或比例度，对于单元组合仪表来说，它们的关系为：
1100% KP 比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。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。但是，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。
比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。 （2）比例积分控制器（PI）
比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的输出p与输入偏差e的关系为：
1pKPeedt TI 比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数KP(或比例度)和积分时间TI。
比例积分控制器的特点是：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。所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的，这是它的显著优点。但是，加上积分作用，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，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。
比例积分控制器是使用最普遍的控制器。它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。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。
（3）比例积分微分控制器（PID）
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
231
器。理想的三作用控制器，其输出p与输入偏差e之间具有下列关系：
1depKPeedtT DTdtI 比例积分微分控制器的可调整参数有三个，即比例放大系数KP(或比例度)、积分时间
TI 和微分时间TD。
比例积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。
比例积分微分控制器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控制系统与成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定。
值得提出的是，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。
7.5.2 控制器正、反作用的确定
前面已经讲到过，自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。也就是说，如果被控变量值偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量值偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。这里，就有一个作用方向的问题。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。
在控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。它们如果组合不当，使总的作用方向构成正反馈，则控制系统不但不能起控制作用，反而破坏了生产过程的稳定。所以，在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向，其目的是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。
所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加（或输入减少时，其输出也减少），则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。
对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的，所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可不考虑测量元件及变送器的作用方向（因为它总是“正”的），只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。
对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀（注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用”混淆）。气开阀在没有控制信号输入时，阀门处于关闭状态；当控制器输出信号（即执行器的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“正”方向。反之，气关阀在没有控制信号输入时，阀门处于
231
全开状态；当气关阀接收的控制信号增加时，气关阀的开度减小，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”方向。执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确定。
对于被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的。反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。
由于控制器的输出决定于被控变量的测量值与给定值之差，所以被控变量的测量值与给定值变化时，对输出的作用方向是相反的。对于控制器的作用方向是这样规定的：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加(或给定值减小)时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。
在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件确定，而控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。下面举两个例子加以说明。
图7-15 加热炉出口温度控制 图7-16 液位控制
图7-15是一个简单的加热炉出口温度控制系统。在这个系统中，加热炉是对象，燃料气流量是操纵变量，被加热的原料油出口温度是被控变量。由此可知，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。这样才能当炉温升高时，控制器TC的输出减小，因而关小燃料气的阀门(因为是气开阀，当输入信号减小时，阀门是关小的)，使炉温降下来。 图7-16是一个简单的液位控制系统。执行器采用气开阀，在一旦停止供气时，阀门自动关闭，以免物料全部流走，故执行器是“正”方向。当控制阀开度增加时，液位是下降的，所以对象的作用方向是“反”的。这时控制器的作用方向必须为“正”，才能使当液位升高时，LC输出增加，从而开大出口阀，使液位降下来。
图7-17 控制器正、反作用开关示意图
231
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一下，就成了反作用的控制器，其原理如图7-17所示。
7.6 控制器参数的工程整定
一个自动控制系统的过渡过程或者控制质量，与被控对象、干扰形式与大小、控制方案的确定及控制器参数整定有着密切的关系。在控制方案、广义对象的特性、控制规律都已确定的情况下，控制质量主要就取决于控制器参数的整定。所谓控制器参数的整定，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。具体来说，就是确定最合适的控制器的比例度、积分时间TI和微分时间TD。当然，这里所谓最好的控制质量不是绝对的，是根据工艺生产的要求而提出的所期望的控制质量。例如，对于单回路简单控制系统，一般希望过渡过程呈4:1(或10:1)的衰减振荡过程。
控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。
理论计算的方法是根据已知的广义对象特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得到推广和应用。
工程整定法是在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种方法是工艺技术人员在现场经常遇到的。下面介绍其中的几种常用工程整定法。
7.6.1 临界比例度法
这是目前辈使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度k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。具体作法如下：
在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，即将TI放在“”位置上，TD放在“0”位置上，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（即临界振荡），如图7-18所示。这时的比例度叫临界比例度k，周期为临界振荡周期Tk。记下k和Tk，然后按表7-l中的经验公式计算出控制器的各参数整
定数值。 图7-18 临界振荡过程
表7-1 临界比例度法参数计算公式表
控制作用 比例 比例+积分 比例+积分 比例+积分+微分 比例度% 2k 2.2k 1.8k 1.7k 0.85Tk 0.5Tk 积分时间TI/min 微分时间TD/min 0.1Tk 0.125Tk 临界比例度法比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。但是对于临界比例度很小的系统不适用。因为临界比例度很小，则控制器输出的变化一定很大，被调参
231
数容易超出允许范围，影响生产的正常运行。
临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后，才能找出k与Tk，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。
7.6.2 衰减曲线法
衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，具体作法如下： 在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4:1衰减比为止，见图7-19(a)，记下此时的比例度s（叫4:1衰减比例度），从曲线上得到衰减周期Ts。然后根据表7-2中的经验公式，求出控制器的参数整定值。
表7-2 41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 比例度/% s 1.2s 0.8s 积分时间TI/min 0.5Tss 0.3Ts 微分时间TD/min 0.1Tss 有的过程，4:1衰减仍嫌振荡过强，可采用10:l衰减曲线法。方法同上，得到10:1衰减曲线[见图7-19(b)]后，记下此时的比例度s和最大偏差时间T升（又称上升时间），然后根据表7-3中的经验公式，求出相应的、TI、TD值。
图7-19 4:1和10:1衰减振荡过程 表7-3 101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
比例度/% s 1.2s 0.8s 积分时间TI/min 2T升 1.2T升 微分时间TD/min 0.4T升 231
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，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的5％左右，也有例外的情况。
(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s、Ts或s、和T升值。 (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:l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:l衰减过程了。
衰减曲线法比较简便，适用于一般情况下的各种参数的控制系统。但对于干扰频繁，记录曲线不规则，不断有小摆动的情况，由于不易得到准确的衰减比例度s和衰减周期Ts，使得这种方法难于应用。
7.6.3 经验凑试法
经验凑试法是在长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD。逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。
各类控制系统中控制器参数的经验数据，列于表7-4中，供整定时参考选择。
表7-4 控制器参数的经验数据表
控制对象 流 量 温 度 压 力 液 位 对 象 特 性 对象时间常数小，参数有波动，要大；TI要短；不用微分 对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，应小；TI要长；一般不需加微分 对象容量滞后一般，不算大，一般不需加微分 对象时间常数范围较大。要求不高时，可在一定范围内选取，一般不用微分 /% 20~60 30~70 20~80 TI/min TD/min 0.5~3 40~100 0.3~1 3~10 0.4~3 表中给出的只是一个大体范围，有时变动较大。例如，流量控制系统的值有时需在200%以上；有的温度控制系统，由于容量滞后大，TI往往要在15min以上。另外，选取值时尚应注意测量部分的量程和控制阀的尺寸，如果量程小（相当于测量变送器的放大系数Km大）或控制阀的尺寸选大了（相当于控制阀的放大系数Kv大）时，应适当选大一些，即Kc小一些，这样可以适当补偿Km大或Kv大带来的影响，使整个回路的放大系数保持在一定范围内。
整定的步骤有以下两种。
(1)先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。具体作法如下。
根据经验并参考表7-4的数据，选定一个合适的值作为起始值，把积分时间放在“”，微分时间置于“0”，将系统投入自动。改变给定值，观察被控变量记录曲线形状。如曲线不是4:1衰减（这里假定要求过渡过程是4:1衰减振荡的），例如衰减比大于4:1，说明选的偏大，适当减小值再看记录曲线，直到呈4:1衰减为止。注意，当把控制器比例度改
231
变以后，如无干扰就看不出衰减振荡曲线，一般都要稳定以后再改变一下给定值才能看到。若工艺上不允许反复改变给定值，那只好等候工艺本身出现较大干扰时再看记录曲线。值调整好后，如要求消除余差，则要引入积分作用。一般积分时间可先取为衰减周期的一半值，并在积分作用引入的同时，将比例度增加10％～20％，看记录曲线的衰减比和消除余差的情况，如不符合要求，再适当改变和TI值，直到记录曲线满足要求。如果是三作用控制器，则在已调整好和TI的基础上再引入微分作用，而在引入微分作用后，允许把值缩小一点，把TI值也再缩小一点。微分时间TD也要在表7-4给出的范围内凑试，以使过渡过程时间短，超调量小，控制质量满足生产要求。
经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”。因此，必须弄清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。一般来说，在整定中，观察到曲线振荡很频繁，须把比例度增大以减少振荡；当曲线最大偏差大且趋于非周期过程时，须把比例度减小。当曲线波动较大时，应增大积分时间；而在曲线偏离给定值后，长时间回不来，则须减小积分时间，以加快消除余差的过程。如果曲线振荡得厉害，须把微分时间减到最小，或者暂时不加微分作用，以免更加剧振荡；在曲线最大偏差大而衰减缓慢时，须增加微分时间。经过反复凑试，一直调到过渡过程振荡两个周期后基本达到稳定，品质指标达到工艺要求为止。
在一般情况下，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，如图7-20所示，曲线a的振荡是积分时间过小引起的，曲线b的振荡是比例度过小引起的，曲线c的振荡则是由于微分时间过大引起的。
图7-20 三种振荡曲线比较图 图7-21 比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较图 比例度过小、积分时间过小和微分时间过大引起的振荡，还可以这样进行判别：从给定值指针动作之后，一直到测量指针发生动作，如果这段时间短，应把比例度增加；如果这段时间长，应把积分时间增大；如果时间最短，应把微分时间减小。
如果比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢，如何判别这两种情况呢?一般地说，比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则地较大地偏离给定值，而且，形状像波浪般的起伏变化，如图7-21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7-21曲线b所示。应当注意，积分时间过大或微分时间过大，超出允许的范围时，不管如何改变比例度，都是无法补救的。
（2）经验凑试法还可以按下列步骤进行：先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD＝{⅓~¼}TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。 一般来说，这样凑试可较快地找到合适的参数值。但是，如果开始TI和TD设置得不合适，则可能得不到所要求的记录曲线。这时应将TD和TI作适当调整，重新凑试，直至记录
231
曲线合乎要求为止。
经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种控制系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。为了缩短整定时间，可以运用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值，这是由于对每一条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个很明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况极为相近。例如某初馏塔塔顶温度控制系统，如采用如下两组参数时：
=15％ TI=7.5 min =35％ TI=3 min
系统都得到10:l的衰减曲线，超调量和过渡时间基本相同。
最后必须指出，在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。由此可见，整定控制器参数是经常要做的工作，对工艺人员与仪表人员来说，都是需要掌握的。
习题与思考题
7-1 简单控制系统由哪几部分组成?各部分的作用是什么?
7-2 题7-2图是—反应器温度控制系统示意图。试画出这一系统的方块图，并说明各方块的含义，指出它们具体代表什么? 假定该反应器温度控制系统中，反应器内需维持一定温度，以利反应进行，但温度不允许过高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。
7-3 什么叫直接指标控制和间接指标控制?各使用在什么场合?
7-4 被控变量的选择原则是什么?
7-5 什么叫可控因素(变量)与不可控因素?当存
在着若干个可控因素时，应如何选择操纵变量才是 题7-2图 反应器温度控制系统 比较合理的控制方案?
7-6 操纵变量的选择原则是什么? 7-7 一个系统的对象有容量滞后，另一个系统由于测量点位置造成纯滞后，如果分别采用微分作用克服滞后，效果如何?
7-8 控制器控制规律选择的原则是什么?
7-9 比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器的特点分别是什么?各使用在什么场合?
7-10 为什么说比例控制作用是最基本的控制作用?
231
7-11 为什么要考虑控制器的作用方向? 如何选择?
7-12 被控对象、执行器、控制器的正、反作用各是怎样规定的?
7-13 试确定题7-13图所示两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。
题7-13图 温度控制系统
（1）题7-13(a) 图为一加热器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能过高，否则容易分解；
（2）题7-13(b) 图为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶。
7-14 题7-14图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。 (1)选择流入量Qi为操纵变量； (2)选择流出量Qo为操纵变量。
7-15 题7-15图所示为一锅炉汽包液位控制系统的示意图，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的方块图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服扰动的?
7-16 题7-16图所示为精馏塔温度控制系统的示意图，它通过控制进入再沸器的蒸汽量实现
被控变量的稳定。试画出该控制系统的方块图， 题7-14图 液位控制
确定控制阀的气开气关型式和控制器的正反作用，并简述由于外界扰动使精馏塔温度升高时该系统的控制过程(此处假定精馏塔的温度不能太高)。
231
题7-15图 锅炉气包液位控制系统 题7-16图 精馏塔温度控制系统
7-17 控制器参数整定的任务是什么?工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法?
7-18 某控制系统采用DDZ-Ⅲ型控制器，用临界比例度法整定参数。已测得k＝30％、Tk＝3min。试确定PI作用和PID作用时控制器的参数。
7-19 某控制系统用4:1衰减曲线法整定控制器的参数。已测得s＝50％、Ts＝5min。试确定PI作用和PID作用时控制器的参数。
7-20 临界比例度的意义是什么?为什么工程上控制器所采用的比例度要大于临界比例度?
7-21 试述用衰减曲线法整定控制器参数的步骤及注意事项。 7-22 如何区分由于比例度过小、积分时间过小或微分时间过大所引起的振荡过渡过程? 7-23 经验凑试法整定控制器参数的关键是什么?
231
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容