5.5 控制系统设计 5.5.1概述连续生产过程是一个非常复杂的工业过程，离开自动控制系统，生产就无法进行。合理的设计每一个控制系统，对稳定生产、提高产品质量和产量，节能降耗，保护环境是十分重要的。 一个较合理的控制系统，首先应该是稳定的，而且要有一定的稳定裕量。其次，控制系统要有较好的动态性能。一般情况下，都希望动态过程具有衰减振荡特性。因为这样的系统响应快，调节时间短。过程控制中绝大多数控制系统都是恒值调节系统。这样的系统给定值很少变动，系统的主要任务是快速消除各种干扰的影响，维持被控变量于给定值一致，所以描述动态过程的动态性能指标主要是强

5.4 执行器 执行器是控制系统中极其重要的装置。执行器的作用是接受控制器的输出信号，直接调节生产过程中相关介质的输送量，从而使温度、压力、流量等过程参数得到控制。在控制系统的设计中，执行器选择不当，会直接影响到系统的控制品质。 执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动部分，按控制信号产生相应的力或力矩。调节机构最常见的就是控制阀。又称调节阀。 按所使用的能源，执行器可分为气动、电动、液动3种类型。气动执行器是以压缩空气为动力源，通常气动压力信号的范围为0.02-0.1MPa。气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。气动执行器结构简单、紧凑

5.3 过程控制的基本控制规律与控制器 在反馈控制系统中控制器的作用就是接受由给定值和反馈信号之间形成的偏差信号 按一定的控制规律产生控制信号 。图5.12表明了控制器的作用。当控制方案确定后，控制器的作用起着决定作用。控制系统的动态品质和稳态精度能否满足要求，取决于能否正确地选择控制器的控制规律及确定控制器的控制参数。 图5.12 控制器的作用 5.3.1 基本控制规律 过程控制的基本规律有4种：位式控制、比例控制、积分控制和微分控制。1.位式控制位式控制又称为开关控制，是最简单的一种控制方式。图5.13是位式控制的特性。位式控制的输出只有2个值，不是最大，就是最小。对

5.2 被控对象的动态特性 过程控制中应用最多的，也是最基本的控制系统如图5.1所示。 图5.1 过程控制系统结构图 图中， 是控制器的传递函数， 是执行机构的传递函数， 是测量变送器的传递函数， 是被控对象的传递函数。图5.1中，控制器，执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，

5.1 过程控制 在工业生产中，有一类按照一定的工艺流程（或程序）进行连续不间断的生产的工业生产过程，例如电力、石油、化工、冶金等，这些工业在经济发展中占有举足轻重的地位，我们称之为连续过程工业。与其他工业（称为离散过程工业或间断过程工业）相比，连续过程工业的控制问题有其完全不同的特点，形成了控制技术中的一个分支，称为生产过程控制或过程控制。过程控制的任务，就是要经过自动化技术，提高产品的质量和产量，节能降耗，降低成本，减少污染，提高劳动生产率，增强企业对市场需求的适应性。 过程控制主要有以下几个特点：（1）连续工业生产过程是与化学反应、

4.7 控制器的设计 4.7.1 控制系统的校正在控制工程中，为了满足特定任务的要求，总是预先给出系统的性能指标，要求设计出一个良好性能的控制系统。控制系统的性能指标，主要反映了对控制系统的稳定性，控制过程的快速性、超调量和控制精度方面的要求。 组成控制系统的被控对象、传感器、信号变换器、执行机构等是控制系统的重要设备和装置。但这些设备和装置的性能往往不可变动或只能允许稍作变动。我们可以认为这是控制系统的不可变部分。如果只由这些设备组成控制系统，控制系统的性能当然也是不可变动的。这个系统的性能很难满足预先给定的性能指标，但又无法调整。解决这个问题

4.6 频率特性与系统的动态性能 4.6 频率特性与系统的动态性能 控制系统的频率特性与系统的动态性能之间有密切的关系。分析控制系统的动态特性，可以利用开环频率特性，也可以利用闭环频率特性。二阶系统的频率特性与动态性能的时域指标之间又确定的关系，而高阶系统则不存在确定的函数关系。 4.6.1 开环频率特性与系统的动态响应若把系统的开环对数频率特性划分为低频段，中频段和高频段，这三部分对控制系统动态过程的影响是不同的。开环频率特性的低频段主要影响阶跃响应动态过程的最后阶段，而开环频率特性的高频段主要影响阶跃响应动态过程的起始阶段。对动态性能影响最重要的是

4.5 稳定性分析 4.5 稳定性分析 频率法中对系统稳定性的分析是应用奈奎斯特（Nyquist）判据进行的。奈奎斯特判据 是根据控制系统的开环频率特性判断闭环系统是否稳定的判据。应用奈奎斯特判据，不仅能解决系统是否稳定的问题，而且还能了解系统稳定的程度，并找出改善系统动态特性的途径。因此，奈奎斯特判据是频域分析的基础。 4.5.1映射定理设F(s)是一个单值解析的复变函数。对于s平面上一条不通过任何奇点的封闭曲线C，在F(s)平面上必有一条封闭的曲线 与之对应，该封闭曲线 是曲线C的映射。如果s平面上的封闭曲线C 内部包含了F(s)的P个极点和Z 个零点，且动点s是沿顺时针方向在封闭曲线上变