第四章 单回路控制系统
第一节、概述
第二节、对象特性对控制质量的影响
第三节、单回路控制系统的分析
第四节、单回路控制系统的整定
第五节、单回路控制系统实例
1
第一节 概述
调节器调节器和控制对象控制对象是单回路控制系统的两个
主要的组成部分
单回路控制系统原理框图
WT(S) W0(S)WZ(S)
Wm
(S)
VTr
Vm
(内扰)
调节器调节器
控制对象控制对象
广义控制对象广义控制对象
2
第一节 概述
调节器有正作用和反作用，单回路控制系统中
调节器的正反作用方式选择的目的是使闭环系统
在信号关系上形成负反馈。
确定调节器正、反作用的次序一般为:首先
根据生产过程安全等原则确定调节阀的形式、
测量变送单元正反特性，然后确定被控对象的
正反特性，最后确定调节器的正反作用。使系
统正常工作时组成该系统的各个环节的极性(可
用其静态放大系数表示)相乘必须为负。。
3
各环节极性规定
环节的环节的输入量输入量增加，其增加，其输出量输出量也增加，该环也增加，该环
节为正特性，其静态放大系数为正。节为正特性，其静态放大系数为正。
如：测量变送单元，控制对象如：测量变送单元，控制对象
W0(S)
KZ
Km
VT
Vm
4
执行器及阀门配合类型
5
调节器偏差=测量值-给定值，即
控制系统偏差的定义：
正作用调节器正作用调节器：当系统的测量值减给定值增：当系统的测量值减给定值增
加时，调节器的输加时，调节器的输 出也增加出也增加 。。
6
调节器正反作用定义：
正作用：e´ ↑ (e↓) →u↑，即KC为正
反作用： e´ ↑ (e↓) →u↓，即KC为负
设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统
PID 广义被控对象
给定值r 被调量ye u
控制器（调节器）
-1 e´
7
总 结
控制系统各环节的极性的规定：
正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节
器的输出亦增加，其静态放大系数K
c
取正；
反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节
器的输出减小，其静态放大系数K
c
取负；
气开式调节阀：其静态放大系数K
v
取正；
气关式调节阀：其静态放大系数K
v
取负；
正作用被控过程：其静态放大系数K
0
取正；
反作用被控过程：其静态放大系数K
0
取负。
过程控制系统要能正常工作，则该系统的各个环节
的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为负。
8
正反作用的判断方法:
PIDr ye u
-
例：过热蒸汽温度控制系统
对象K为负，要求其静态放大系数相乘必须为
负,则KC为正，控制器为正作用
9
第二节 对象特性对控制质量的影响
控制作用
被调量
干扰作用
热工对象
W0λ（s）
W0μ（s）
干扰通道
控制通道
控制质量是用衰减率或衰减比n、动态偏差ym（）、静态
偏差y（）或e（）、控制时间ts等 。。
描述对象特性的特征参数是放大系数K 、时间常数Tc（T）、迟
延时间τ（n） 。。
10
控制器为比例控制规律其放大系数为控制器为比例控制规律其放大系数为KKPP
控制通道的传递函数控制通道的传递函数
干扰通道的传递函数为干扰通道的传递函数为
WT(S) W0(S)
VT y
（扰动）
W (S)
11
一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响
11．放大系数．放大系数KK对控制质量的影响对控制质量的影响
∴ 在单位阶跃扰动下,系统稳态值：
干扰通道的放大系数K越大 , 在扰动作用下系统的动态
偏差、稳态误差(静态偏差)越大。
12
一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响
22．时间常数．时间常数TT对控制质量的影响对控制质量的影响
T增加，被调量y对扰动的响应速度变慢，动态偏差减少
扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的动态
偏差减小。
n增加,使闭环系统的动态偏差减小
13
一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响
33．迟延时间对控制质量的影响．迟延时间对控制质量的影响
当扰动通道存在迟延τ时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节
扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平移了
一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统的控制质
量。
14
一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响
15
一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响
44．多个扰动对控制质量的影响．多个扰动对控制质量的影响
扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统控制质量影响就越小。
16
二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、控制通道的特征参数对控制质量的影响
（一）放大系数（一）放大系数KKoo对控制质量的影响对控制质量的影响
控制通道的放大系数Kp·Ko 是一种互补
关系，如果Kp保持不变，Ko增大时控制
系统的稳定性裕度下降，被调量的静态偏
差减小(给定值输入），控制系统的过渡过
程的时间将加长 。。
17
二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、控制通道的特征参数对控制质量的影响
（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响
（（11））nn阶惯性对象对控制质量的影响阶惯性对象对控制质量的影响
讨论时间常数T和阶次n
控制通道的时间常数T如果增大,系统的反应速度慢,工作频率
将下降,系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数，
能提高控制系统的控制质量。
惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使
控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。
18
二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、控制通道的特征参数对控制质量的影响
（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响
（（11））nn阶惯性对象对控制质量的影响阶惯性对象对控制质量的影响
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二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、控制通道的特征参数对控制质量的影响
（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响
（（22）有迟延对象对控制质量的影响）有迟延对象对控制质量的影响
讨论时间常数Tc和迟延时间为τ
当控制通道有迟延时, 迟延时间对调节是不利的，控制质
量主要取决于迟延和时间常数的比值τ/Tc ,比值越大则控制质
量越差。
对象特性的其它条件不变时,迟延越大, 动态偏差、控制过程
的时间越大。
对象特性的其它条件不变时,时间常数越大, 动态偏差、控制
过程的时间减小，稳定性裕度增大，时间常数Tc增大能提高系
统的控制质量。
20
二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、控制通道的特征参数对控制质量的影响
（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响
（（22）有迟延对象对控制质量的影响）有迟延对象对控制质量的影响
迟延时间τ一定
Tc1=25
Tc2=110
Tc2=150
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第三节 单回路控制系统的分析
一、采用一、采用PP调节器的系统调节器的系统
WT
(S)
W0
(S)
VT y
（扰动）
W
(S)**利用频率法分析系利用频率法分析系
统稳定性统稳定性
**分析系统静态偏差分析系统静态偏差
结论：结论：
Kp↑,δ↓,稳定性下降，静
态偏差↓，动态偏差↓
P调节器适合于干扰较小，对
象滞后、时间常数较小，调
节精度不高的场合
22
二、采用二、采用II调节器的系统调节器的系统
KI/S K/(TS+1)
VT y
（扰动）
-K
/(TS+1)
23
结论：结论：
*KI越大(Ti越小),积分调节作用越强,会使调节过程加
剧振荡,稳定性降低,但被调量的动态偏差有所减小。
*控制过程结束之后无静态偏差。
*调节器一般只用在时间常数小而自平衡率很大的单
容对象上。
24
三、采用三、采用PIPI调节器的系统调节器的系统
引入积分作用消除了静引入积分作用消除了静
态偏差，但降低了系统态偏差，但降低了系统
的稳定性；的稳定性；
为了保持控制系统原来为了保持控制系统原来
的衰减率必须适当加大的衰减率必须适当加大
比例带以补偿积分作用比例带以补偿积分作用
带来的稳定性的下降，带来的稳定性的下降，
所以所以PIPI控制系统是以控控制系统是以控
制系统动态品质的下降制系统动态品质的下降
来换取稳态性能的提高。来换取稳态性能的提高。
WT K/(TS+1
)
VT y
（扰动）
-K
/(TS+1)
25
四、采用四、采用PDPD调节器的系统调节器的系统
存存在在静静态态偏偏差差，，静静态态偏偏差差的的大大
小小与与调调节节器器的的比比例例带带有有关关；；由由
于于微微分分作作用用的的加加入入提提高高了了PDPD
控控制制系系统统的的稳稳定定性性，，为为了了达达到到
和和PP控控制制系系统统相相同同的的衰衰减减率率，，
可可以以适适当当地地减减小小比比例例带带（（）），，
这这样样使使PDPD控控制制系系统统的的静静态态偏偏
差差减减小小，，这这是是微微分分作作用用引引入入后后
产生的间接效果。产生的间接效果。
26
总 结
主要分析调节器参数比例带、积分时间Ti、微分时间Td对控制过程的影响
控制器类型 P PI PID 说明
整定参数 δ↑ δ↑ Ti↑ δ↑ Ti↑ Td↑
↑:表示增加
↓:表示减小
Td 过大时，
将出现较高
频率的振荡
而衰减率减
小.
主
要
性
能
衰减率 ↑ ↑ 略有↑ ↑ 略有↑ 略有↑
动态偏差 ↑ ↑ 略有↑ ↑ 略有↑ ↓
振荡频率 ↓ ↓ 略有↓ ↓ 略有↓ ↑
复原速度 — — ↓ — ↓ —
稳态偏差
(负荷扰动时)
↑
Ti过大时，输出响应缓慢地趋向其稳
态值， 对于振荡过程输出偏向在稳
态值之上(或下)振荡.
27
第四节 单回路控制系统的整定
控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定、控制仪表与
控制对象等都处在正常状态的情况下,适当选择调节器的参数(δ、
Ti 、Td) 使控制仪表的特性和控制对象的特性配合,从而使控制系
统的运行达到最佳状态,取得最好的控制效果 。
控制系统的整定方法有：
理论计算方法：广义频率特性法
工程整定方法：响应曲线法
临界曲线法临界曲线法
衰减曲线法衰减曲线法
28
一、广义频率特性法一、广义频率特性法
广义频率特性法是通过改变系统的整定参数,使控制系统的
开环频率特性变成具有规定相对稳定性裕度的衰减频率特性,从
而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。
∵开环传递函数为:
∴ 广义特征方程：
mm为衰减指数为衰减指数
29
说明：
（1）如果调节器只有一个整定参数,就可求得唯一解。
（2）如果调节器有两个或三个整定参数, 能得出无穷多组解。
所求出的各组调节器整定参数值使系统瞬态响应中的主导振荡
成分的衰减率等于指定的数值,但振荡频率(和振幅)并不一样。
此时,应该用其他指标进一步从中选定最合适的调节器整定参
数值。一般情况下,为保证主导振荡成分具有规定的衰减率,应
选择其中频率最低的一组解 。。
一、广义频率特性法一、广义频率特性法
30
一、广义频率特性法一、广义频率特性法
(一) 单参数调节器整定
(其中 To 值已知 )
,以系统瞬态响应的衰减率ψ=
为整定指标,求调节器参数δ的数值。
解：
[例4-1]对象的传递函数Wo(s)为
调节器的传递函数为
31
ψ= 时,m=,把m值代入上式,得： Toω =
注：系统在不同衰减率时的计算结果注：系统在不同衰减率时的计算结果
指定衰减率ψ 0
与ψ值相应的m 0 1
Toω
振荡周期T/To 10 15
Kp
δ
32
一、广义频率特性法一、广义频率特性法
( ( 二二 ) ) 双参数调节器的整定双参数调节器的整定
对于具有一个以上整定参数的调节器 ，只规定m值，其解是不确
定的。为此，应采用其他性能指标，从中选择最佳一组整定参数。
1. 调节器为比例积分作用
比例积分调节器的广义频率特性为：
33
( ( 二二 ) ) 双参数调节器的整定双参数调节器的整定
或者由：
可得：
34
( ( 二二 ) ) 双参数调节器的整定双参数调节器的整定
通常选取KpKI为
最大这组参数作为最住参数
35
2. 调节器为比例微分作用
调节器的广义频率特性为:
给定m值,就可在调节参数Kd ～Kp平面
上画出以ω为参变量的等衰减率曲线
为了在保证系统瞬态响应的衰减率一定
的前提下尽量减小稳态偏差,应选择尽可能
大的KP值。因此,在等衰减率曲线上以KP
数值最大的点作为调节器的整定参数
36
( ( 三三 ) ) 三参数调节器的整定三参数调节器的整定
(1) 写出比例积分微分调节器的广义频率特性；
(2) (2) 根据广义频率特性求得KI、Kp的表达式。
(3) 设定一系列Kd 值。在每一个Kd值上,计算KI、Kp 等衰减率曲线
;
(4) 对于每一个Kd 值,在KI、Kp等衰减率曲线上选出一组最适当的
KI、Kp值;
(5) 对于上述选出的各组KI、Kp 、Kd 值,分别作出控制系统阶跃响
应曲线 ,以其绝对值积分准则 最小的一组KI、
Kp 、Kd 值作为调节器的整定参数。
37
二、二、工程整定法工程整定法
广义频率特性整定调节器参数是以对象的传递函数为基础，计
算工作量很大，计算的结果还需通过现场试验加以修正，所以在工
程上采用的不多。
工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实
践总结出来的 。
38
二、二、工程整定法工程整定法
1. 1. 响应曲线法响应曲线法
响应曲线法是根据控制对象的飞升特性实验曲线求取对象的动
态特性参数，然后根据一些经验公式，就可以得到调节器的有关整
定参数。
响应曲线法整定参数计算表 (ψ=)(无自衡对象）
控制作用 调节器传递函数 比例带δ T
i
T
d
P WT(s)=1/δ ετ
PI WT(s)=1/δ(1+1/TiS) ετ τ
PD WT(s)=1/δ(1+TdS) ετ
Td=(～
)τ
PID WT(s)=1/δ(1+1/TiS+TdS) ετ 2τ τ
39
1. 1. 响应曲线法响应曲线法
响应曲线法整定参数计算表 (ψ=)（有自衡对象）
对象参数
整定参数 τ/ TC≤ <τ/ TC≤
控制作用 δ Ti Td δ Ti Td
P τ/ ρTC
(τ/ TC –)/
ρ(τ/ TC +)
PI τ/ ρTC τ
(τ/ TC –)/
ρ(τ/ TC +)
PID τ/ ρTC 2τ τ
(τ/ TC –)/
ρ(τ/ TC +)
+
τ
τ
40
1. 1. 响应曲线法响应曲线法
说明：
（1）该表适用于典型的多容热工控制对象；
（2）两表均只适用于ψ= 的控制系统,若要求更高的衰减率,则
需对公式进行修正；
（3）利用响应曲线法整定调节器参数必须作对象的阶跃响应曲线,
但试验所得到的阶跃响应曲线准确性不高,甚至有时不允许作阶跃
扰动试验 。。
41
2. 2. 临界曲线法临界曲线法（稳定边界法）（稳定边界法）
整定方法如下:
(1)先将调节器改成纯比例作用 (使Ti=∞,Td=0),并将比例带置于较大的数值,
然后把控制系统投入闭环运行。
(2)待系统运行稳定后,逐步减小比例带,观察不同δ值下的调节过程,直到调
节过程出现等幅振荡为止,记下此时的临界比例带δK和系统的临界振荡周期
TK。
(3) 根据求得的δK和TK , 由表4-6可求得调节器的整定参数。
(4) 将调节器参数按求得的数值设置好,此时比例带可设置得大一些,作系
统的阶跃扰动试验,观察控制过程,适当修改整定参数。
42
控制作用 调节器传递函数 比例带δ T
i
T
d
P WT(s)=1/δ
2 δk
δk
PI WT(s)=1/δ(1+1/TiS)
δk
δk
T
k
PID WT(s)=1/δ(1+1/TiS+TdS)
δk
δk
T
k
T i
临界曲线法参数表临界曲线法参数表
上上表每一栏有两个数据表每一栏有两个数据,,上面的数据适用于无自平衡能力的对象上面的数据适用于无自平衡能力的对象,,
下面的数据适用于有自平衡能力的对象。下面的数据适用于有自平衡能力的对象。
43
当生产过程不允许出现等幅振荡时,可将试验改为有一定衰减率的衰减振
荡过程。
具体作法如下 :
(1) 使调节器参数Ti= ∞ , Td=0,比例带δ置于较大的数值,将控制系统投入闭环
运行。
(2) 待系统运行稳定后,用给定值阶跃扰动作试验信号,观察控制过程。若ψ
大于要求的数值 ,则逐步减小比例带δ, 重复试验 ,直到出现ψ= 或
ψ=的控制过程为止,并记下此时的比例带δs
(3) 从控制过程曲线上求取ψ = 时的衰减周期TS , 或ψ = 的上升时间
tr。
(4) 按表 4-7 计算调节器参数δ、Ti 、Td。
(5) 先使调节器的比例带δ略大于计算值 , 然后将Ti 、Td 按计算值设置好 ,
再将δ置于计算值。作给定值阶跃扰动试验,观察控制过程,适当修改整定
参数,直到控制过程 满意为止。
3. 衰减曲线法
44
衰减曲线法整定参数计算表
衰减率 控制规律 比例带δ T
i
T
d
ψ=
P
PI
PID
δS
δS
δ S
T
S
T
S T S
ψ=
P
PI
PID
δS
δS
δ S
2 t
r
t
r
t
r
45
第五节 单回路控制系统实例
一、除氧器压力控制系统
除氧器工作原理
除氧器压力对象动态特性
除氧器压力对象的动
态特性
%
控制系统主要任务：
使除氧器压力保持稳定
被调量：除氧器内蒸汽空间压力
调节手段：进入除氧器的加热蒸
汽量
46
除氧器压力控制系统分析
PT
I/V
Δ
K ∫
T
≮≯
V/I
A T II
F(x)ZT
蒸汽
至给水
泵
排气
P
图 4-34 除氧器压力自动控制系统
除氧器 W0
(s)
Kz Ku
Km
图4-35 单回路控制系统方框图
V0
47
除氧器压力控制系统分析
PT
Δ
K ∫
T I I
f(x)
ZT
AI
AO
30kPa
A Δ
V≮
Δ
≯
∑>
-d
dt
A
35kPa
+
_
除氧器压力
+
_
A
Δ
AIH/L
B
考虑给水泵安全运行考虑给水泵安全运行,,除氧器除氧器
压力应维持最小压力压力应维持最小压力,,一般最一般最
小压力规定为小压力规定为 35Kpa 35Kpa。。
>>的作用的作用：使：使压力压力≥35Kpa≥35Kpa
H/LH/L的作用的作用：：如果偏差值超过如果偏差值超过
±20,±20,表示控制阀有故障表示控制阀有故障,,通通
过过H/L H/L （三态信号发生器）（三态信号发生器）
将发出报警信号并通过逻辑将发出报警信号并通过逻辑
控制电路使除氧器压力控制控制电路使除氧器压力控制
系统自动切换到手动方式运系统自动切换到手动方式运
行行( ( 即使即使TT切换到切换到BB端端))。。
48
二、除氧器水位控制系统
任务：保证除氧器给水箱保持规定的水位。
被调量：水位
调节手段：化学补充水阀
图4-37 除氧器水位对象的动态特性
49
除氧器水位控制系统分析
LT
I/V
Δ
K ∫
T
≮≯
V/I
A T II
F(x)ZT
补充
水
排气
除氧器
50
作业
1.试推导单容、双容水箱（有自平衡能力）对象的传
递函数，分析参数的物理意义，求阶跃响应曲线。
2.写出P、PI 、PID调节器的动态方程、传递函数、阶
跃响应曲线、控制特点、参数变化对系统性能的影
响 。
3. 对象的传递函数Wo(s)为 调节器的传
递函数为 以系统瞬态响应的衰减率
ψ=为整定指标,求调节器参数δ的数值。
,
51
