【正文】 比值控制系統(tǒng) 主流量控制環(huán)實(shí)現(xiàn)定值控制，從流量控制環(huán)實(shí)現(xiàn)自身的穩(wěn)定控制和對(duì)主流量變化的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)主、從流量的比值恒定。 ⑵ 將積分時(shí)間置于最大值，由大到小逐步改變比例度，直到在階躍干擾下過渡過 程處于振蕩與不振蕩的臨界過程為止。故應(yīng)采用 PI 控制方式，并將過渡過程整定成非周期臨界情況，這時(shí)過渡過程既不振蕩反應(yīng)又快。 比值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器確定及工程整定 ㈠ 單閉環(huán)控制系統(tǒng) 從動(dòng)量控制回路是跟隨主動(dòng)量而變化的隨動(dòng)系統(tǒng)。如此反復(fù)試湊，直到有一組合適的積分時(shí)間和比例帶。 3） 保持積分時(shí)間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無改善則反方向修改比例帶，直到滿意為止。 2） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 由最大調(diào)整到某一值，由于積分時(shí)間的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，這時(shí)應(yīng)將比例帶 ? 值適當(dāng)增大，一般為純比例作用的 倍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例帶? 值。經(jīng)驗(yàn)法可以說是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為 止。 經(jīng)驗(yàn)法 如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常受到擾動(dòng)影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)確切的階躍響應(yīng)曲線就很困難，因此臨界比例帶法和衰減曲線法都不能得到滿意的結(jié)果。從表 32可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 ?? ，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)相對(duì)于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律是引入了積分作用，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降，仍然能得到 ?? 的衰減率，就須將 s? 放大 倍后作為比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶值。 表 32 衰減曲線法計(jì)算公式 ? 規(guī)律 ? iT dT P PI PID s? ? ? — — — ? 規(guī)律 ? iT dT P PI PID s? ? ? — 2rt — — 3）按計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作階 躍 擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。記錄下 4:1（或 10:1）的衰減振蕩過程曲線。 2） 在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階 躍 擾動(dòng)試驗(yàn)，應(yīng)觀察控制過程。 衰減曲線法 衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的 4:1 衰減振蕩（ ?? ）過程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶 s? 即過程上升時(shí)間 rt ，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 將計(jì)算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)器過程滿意為止。一般振蕩持續(xù) 4～ 5個(gè)振幅即可，試驗(yàn)記錄曲線。 臨界比例帶的具體步驟是： 1） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，即 iT?? ；置微分時(shí)間 0dT? ；置比例帶 ?于一個(gè)較大的值。 臨界比例帶法 臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。因此，計(jì)算還是有必要的。 在熱工生產(chǎn)過程中，比較實(shí)用的是現(xiàn)場(chǎng)整定方法，即通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來選擇調(diào)節(jié)器內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 的參數(shù)。另外，對(duì)控制系統(tǒng)中的一些非線性環(huán)節(jié)要近似為線性環(huán)節(jié)，甚至要對(duì)調(diào)節(jié)器本身在計(jì)算時(shí)也只能看作是線性的理想調(diào)節(jié)器。采用各種計(jì)算方法，求出閉環(huán)系統(tǒng)特征根的分布情況，對(duì)振蕩頻率、靜態(tài)偏差、動(dòng)態(tài)偏差、控制過程時(shí)間等有 明確的結(jié)論，根據(jù)所得結(jié)論能夠比較在不同的調(diào)節(jié)規(guī)律、不同參數(shù)值的情況下過渡過程的品質(zhì)和實(shí)現(xiàn)保證衰減率大于所規(guī)定的數(shù)值的要求。另一方面，在主設(shè)備完善、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理、設(shè)備安裝等均已完善的條件下，只有經(jīng)過正確的整定，才能達(dá)到預(yù)期的控制質(zhì)量。 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定法 控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對(duì)象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) ( idTT?、 、 )使控制儀表的特性和控制對(duì)象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。因?yàn)楸戎悼刂葡到y(tǒng)對(duì)象一般都是流量對(duì)象，滯后時(shí)間都比較小。 （ 3）靜差問題 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各比值控制的閉環(huán)均為定值控制，故系統(tǒng)跟蹤不應(yīng)存在靜差。因此，在干擾較大的場(chǎng)合，如工業(yè)過程的現(xiàn)場(chǎng)，控制系統(tǒng)應(yīng)有足夠的穩(wěn)定裕量。 干擾對(duì)過程控制的影響主要體現(xiàn)在：系統(tǒng)模型識(shí)別精確性降低、系統(tǒng)模型參數(shù)離散性變大、系統(tǒng)遠(yuǎn)離原模型靜態(tài)工作點(diǎn)、系統(tǒng)工作進(jìn)入非線性區(qū)等。 （ 1）穩(wěn)定問題 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件。在設(shè)計(jì)與調(diào)試過程中，若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則可能會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩和控制精度較低的后果；反之，若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，則又會(huì)使系 統(tǒng)的振蕩加劇，甚至引起不穩(wěn)定。若系統(tǒng)的最終誤差為零，則稱為無差系統(tǒng) ,否則稱為有差系統(tǒng)。系統(tǒng)響應(yīng)越快，說明系統(tǒng)的輸出復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)。 快速性是通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長(zhǎng)短來表征的，過程時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然。顯然，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。 穩(wěn)定性是這樣來表述的：系統(tǒng)受到外作用后，其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。由動(dòng)態(tài)過程可以反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞，而常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)也是從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。所以，當(dāng)給定值變化時(shí)，被控量不可能立即等于給定值，而需要經(jīng)過一個(gè)過渡過程，即動(dòng)態(tài)過程。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 第三章 控制系統(tǒng)的工程整定 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求 在控制過程中，一個(gè)理想的控制系統(tǒng)，始終應(yīng)使其被控量 (輸出 )等于給定值 (輸入 )。在時(shí)間較長(zhǎng)后，微分作用消失，直到為零。 圖 23 微分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng) 由圖 23也可以看出，當(dāng)偏差信號(hào)做幅度為 E 的階躍變化時(shí)，微分作用將立即產(chǎn)生，其值為偏差的 KD倍。 （ 217） 式中 TD微分時(shí)間； KD微分增益。 式（ 216）是理論上的微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因?yàn)樵谄铍A躍變化時(shí)的瞬間，控制作用將為無窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)現(xiàn)的。因此對(duì)象在受到較小的擾動(dòng)后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時(shí)由于自身動(dòng)作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動(dòng)作 ,這樣，經(jīng)過一段時(shí)間后，偏差將積累成一個(gè)較大的 值。被調(diào)量的變化速度往往反映了對(duì)象流入量與流出量之間的不平衡狀態(tài)，因此對(duì)慣性較大的對(duì)象，在調(diào)節(jié)器中加入微分調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，無疑將大大改善調(diào)節(jié)過程。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，偏差信號(hào)的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即 dt tdcTdt tdeTtu dd )()()( ?? （ 215） 式中 Td微分時(shí)間。由此可見，比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時(shí)不能 消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分作用控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。 不過在現(xiàn)實(shí)中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)對(duì)方的不足。這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差必然為零。由下式可知： iTtedttdu )()( ? （ 212） 上式表明，控制作用在積分時(shí)間 TI越小時(shí)越強(qiáng)。從這一點(diǎn)看，積分調(diào)節(jié)作用是不及時(shí)的。 積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如 圖 22所示。 然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差，因此對(duì)于一些要求較高的控制（定值調(diào)節(jié) ） 還需 引入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在稱為有差調(diào)節(jié)，這是比例調(diào)節(jié)規(guī)律的又一特點(diǎn)。因?yàn)椴捎帽壤{(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，其輸出的控制作用大小與偏差大小成比例關(guān)系， 一定大小的控制作用是抵消擾動(dòng)的影響、使系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來的保證。從這一點(diǎn)看，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)之一就是調(diào)節(jié)及時(shí)、迅速。 由圖可以看出，在 t0 時(shí)刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)； t0 時(shí)刻偏差信號(hào) e(t)發(fā)生階躍變化，對(duì)于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍變化，調(diào)節(jié)輸出控制作用 u(t)將成比例的變化，而且?guī)缀跏峭瑫r(shí)產(chǎn)生的。如 ? =20%，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化 100%時(shí)，需要其輸入信號(hào)變化 20%。 比例控制對(duì)控制性能的影響 2211WQK ??1 m a x 1 m a x2 m a x 2 m a xWQk K K??內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用 u(t)與其偏差輸入信號(hào) e(t)之間成比例關(guān)系， )()( teKtu P? （ 27） 其中， pK 比例增益。流量和壓力的關(guān)系可概括為： Q c p?? （ 24） 式中， c 為差壓式流量計(jì)的比例系數(shù)， p? 為壓力或壓差。流量的非線性檢測(cè)一次儀表有差壓式流量計(jì)、靶式流量計(jì)等。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 該類儀表的流量測(cè)量原理可概括為： Q cW? （ 21） 式中， Q 表示流量； c 表示比例系數(shù)； W 表示直接測(cè)量值，如轉(zhuǎn)速、高度等。 常見的流量檢測(cè)有： ? 差壓式流量計(jì)通過測(cè)量流動(dòng)過程中兩點(diǎn)的壓力差，然后根據(jù)壓力差與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)； ? 靶式流量計(jì)通過測(cè)量流動(dòng)過程中某一點(diǎn)的靶面壓力，然后根據(jù)靶面壓力與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)； ? 浮子流量計(jì)通過將流動(dòng)過程中某一點(diǎn)處流體引入浮子流量計(jì)，測(cè)量浮子懸浮的高度，然后根據(jù)懸浮高度與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)；橢圓齒輪式容積流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦計(jì)流量計(jì)是將該流量計(jì)引入流動(dòng)過程中某一點(diǎn)，測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)； ? 電磁流量計(jì)則用于測(cè)量導(dǎo)電液體，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利 用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量流量。 比值系數(shù)計(jì)算 比值控制系統(tǒng)的控制過程是通過對(duì)主、從動(dòng)量以及第三參量的檢測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)的。 （ 4）流量大小原則 選擇流量較小的物料作從物料，這樣控制過程中控制閥的開度較小，系統(tǒng)控制靈敏，當(dāng)然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能也會(huì)小些。 （ 3）主導(dǎo)作用原則 在多物料參與生產(chǎn)的過程中，如化工或制藥工業(yè)中，經(jīng)常將物 料分成主料和輔料，生產(chǎn)圍繞主料進(jìn)行，輔料作為控制過程的調(diào)節(jié)物料。 （ 2）不可控原則 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 某物料不可控制時(shí)，該物料選為主物料，其它為從物料。實(shí)現(xiàn)以貴重物料為主進(jìn)行控制，其他非貴重物料根據(jù)控制過程需要增減變化。 主從物料的選擇 在比值控制中，主從物料的 選擇影響系統(tǒng)的控制方向、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性及安全性。 （ 2）雙閉環(huán)比值控制選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；擾動(dòng)引起的主、副流量變化較大；不適用于只有一種物料可控，其它物料不可控制情況；要求總生產(chǎn)能力或主、副物料總量恒定；經(jīng)常需要升降負(fù)荷時(shí)，可選用雙閉環(huán)比值控制方案。 （ 1）單閉環(huán)比值控制的選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；外干擾引起的主流量波動(dòng)變化可以容忍；只有一種物料可控，其它物料不可控制；對(duì)由主流量波動(dòng)引起的副流量波動(dòng)和總生產(chǎn)能力變化沒有限制時(shí)，可選用此方案。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 圖 110 變比值控制系統(tǒng)控制方框圖 第二章 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本 章主要介紹比值控制系統(tǒng)中的比值控制方式的選擇原則、主從物料的選擇原則、比值系數(shù)的計(jì)算及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定。 （ 2）當(dāng)從物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)， 和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)及雙閉環(huán)比值控制 系統(tǒng)一樣，調(diào)節(jié)從物料流量，保證主物料 量和從物料量比值不變。 系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，主被控變量（即第三參量）穩(wěn)定，主控制器的輸出也穩(wěn)定不變并和比值控制器信號(hào)相等，從物料量控制閥門穩(wěn)定于某一開度，控制器的比值恒定。通過第三參量的變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變比值控制。當(dāng)?shù)谌齾⒘侩S輸入物料的配比不同變化時(shí)，對(duì)第三參量的控制問題，變成了調(diào)節(jié)物料配比問題，這就是變比值控制，其控制的工藝圖和控制方框圖分別如圖 19， 110 所示 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 實(shí)際生產(chǎn)過程中，物料按比例輸入并不是最終目的，一般最終目的是生產(chǎn)過程的結(jié)果，如發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生