基础控制理论

控制模式

自动温度控制可能包括阀门，执行器，控制器和传感器检测房间内的空间温度。当空间温度传感器不超过控制系统所需的温度时，控制系统被称为“平衡”。当空间传感器寄存在温度变化（温度偏差）时，控制阀会发生什么取决于所使用的控制系统的类型。阀门的运动与受控介质中温度的变化之间的关系被称为控制或控制动作模式。

存在两种模式的变化，现在将更详细地检查。

开/关控制
有时也称为两步或两位控制，这是最基本的控制模式。

考虑到图5.2.1所示的水箱，目的是使用简单的蒸汽线圈给出的能量加热水箱中的水。在向线圈的流管中，配合双端口阀和致动器，配有恒温器，置于罐中的水中。

恒温器被设置为60°C，这是水箱中水的所需温度。根据逻辑，如果开关点实际处于60°C，系统将无法正常运行，因为阀门将不知道在60°C时是开启还是关闭。从那时起，它能迅速打开和关闭，造成磨损。
因此，恒温器将具有上下切换点。这对于防止过度快速循环至关重要。在这种情况下，上部切换点可能是61°C（恒温器告诉阀门关闭的点），下部开关点可能为59°C（阀门被告知打开时的点）。因此，在60°C设定点的恒温器中存在恒温器内置的切换差。
该2°C（±1°C）称为开关差分。（恒温器之间会有所不同）。恒温器的切换动作图看起来像图5.2.2所示的图表。
在要求阀门打开之前，罐内容物的温度将落到59°C，并将在指示阀门关闭之前升至61°C。

图5.2.2显示了直的转换线路，但对从盘管到水的传热的影响不会是立即的。盘管里的蒸汽影响水箱里水的温度需要时间。不仅如此，水箱中的水还会上升到61°C的上限，下降到59°C的下限。这可以通过对照图5.2.2和5.2.3加以解释。然而，首先有必要描述正在发生的事情。
在一种（59°C，图5.2.3）恒温器开启，引导阀门宽开放。从线圈传递热量需要时间以影响水温，如图5.2.3的水温图所示。在B.（61°C）恒温器关闭，允许阀门关闭。然而，线圈仍然充满了蒸汽，继续冷凝并放弃热量。因此，在最终落下之前，水温继续上升到上部开关温度以上，并在C处'过冲'。

从这一点开始，水箱中的水温继续下降，直到在D点（59°C），恒温器通知阀门打开。蒸汽通过盘管进入，但同样需要时间才能产生效果，水温持续下降一段时间，在E点到达下冲槽。
峰值和槽之间的差异被称为操作差异。恒温器的切换差异取决于所用恒温器的类型。操作差异取决于罐的施加的特性，其内容物，其内容，线圈的传热特性，将热量传递到恒温器的速率等。
基本上，随着开/关控制，有上下开关限制，阀门完全打开或完全关闭 - 没有中间状态。
然而，控制器可用，其提供比例时间控制，其中可以改变“在”“时间”时间与“关闭”时间来控制受控条件的比率。该比例动作发生在设定点周围的选定带宽内;设定点是带宽中点。
如果受控条件超出带宽，则来自控制器的输出信号是
完全打开或完全关闭，充当开/关设备。如果受控条件在带宽范围内，则相对于受控条件和设定点之间的偏差，控制器输出接通和断开。
通过受控条件处于设定点，“ON”时间为“关闭”时间为1：1，即“ON”时间等于“关闭”时间。如果受控条件低于设定点，则'ON'时间将比“关闭”时间长，而如果在设定点上方，则相对于带宽内的偏差，“关闭”时间将更长。
开/关控制的主要优点是它的成本简单而且非常低。这就是为什么它经常在国内类型的应用中找到，例如中央供暖锅炉和加热器风扇。
其主要缺点是操作差异可能落在过程所需的控制公差之外。例如，在食品生产线上，通过精确的温度控制确定味道的味道和可重复性，开/关控制可能是不合适的。
相比之下，在空间加热的情况下，通常存在大的存储容量（大面积为热或冷却，响应温度变化缓慢变化），并且所需值的微小变化是可接受的。在许多情况下，ON / OFF控制非常适合这种应用。
如果ON / OFF控制不适合，因为需要更精确的温度控制，则下一个选项是连续控制。

连续控制

连续控制通常称为调制控制。这意味着阀门能够不断地移动以改变阀门开口或关闭的程度。它不仅移动到完全打开或完全关闭，如开/关控制。
有三种基本控制操作通常适用于连续控制：

也需要考虑这些组合如P +我,P + D P +我+ D虽然可以结合不同的行动,和所有帮助生产所需的反应,重要的是要记住,积分和导数的行为通常是矫正功能的基本比例控制行动。

以下三项控制操作如下所示。

比例控制

这是连续控制模式的最基本，通常通过使用字母的“P”来提及。比例控制的原理目标是在条件变化时控制过程。

本节显示：

• 比例带越大，控制越稳定，但偏移量越大。

• 比例频段较窄，过程越稳定，但偏移越小。

因此，目的应该是引入最小可接受的比例频带，这些频带始终将过程保持稳定，最小偏移。

在解释比例控制时，必须引入几个新术语。

为了定义这些，可以考虑一个简单的类比 - 冷水箱通过浮动操作控制阀提供水，并在出口管阀'V'上有一个地球阀，如图5.2.4所示。两个阀门的尺寸相同，具有相同的流量和流量特性。

坦克中所需的水位是点b（等于级别控制器的设定点）。

可以假设，阀门' V '半开，(50%负载)有合适的流量的水通过浮子操作阀进入，提供所需的流量通过排放管，并保持槽内的水位在点B.．

该系统可以说是平衡（进入和离开坦克的水流量相同）;在控制下，在稳定的情况下（水平不变化），并且精确地所需的水位（B）;提供所需的流出。
随着阀门的阀门关闭，罐中的水位上升到点一种浮动操作阀切断水供应（见下图5.2.5）。
该系统仍处于控制状态和稳定，但控制高于水平B.．B级和实际控制级之间的差异，一种，与控制系统的比例带有关。
再一次，如果阀门' V '打开一半以提供50%的负载，水箱中的水位将返回到所需的水平点B.

图5.2.6下面，阀门'V'完全打开（100％负载）。浮动操作阀需要掉落以打开入口阀宽，并承认更高的水流，以满足排出管的增加的需求。当它达到级别时，足够的水将进入以满足排放需求，水位将保持在点C．

该系统处于控制率和稳定，但存在偏移;点之间的水平偏差B.和C．图5.2.7结合了本示例中使用的三个条件。
点之间的水平差异一种和C被称为比例带或p波段，因为这是控制阀从完全打开到完全关闭的电平（或温度控制的情况下的温度）的变化。
比例带的一个识别的符号是xP.．
这个类比说明了与比例控制相关的几个基本和重要的要点：

• 从设定点，控制阀与水位中的误差（或温度控制的情况下的温度偏差）成比例地移动
• 只能为一个特定的负载条件维护设定点。
• 虽然在点之间将实现稳定的控制一种并且c，任何导致B级别差异的负载将始终提供偏移量。

注意：通过更改支点位置，系统比例带更改。更近的浮动给出一个较窄的P波段，而靠近阀门给出更宽的P频段。图5.2.8说明了为什么这么做。不同的支点位置需要不同的水位变化，以使阀门完全打开以完全关闭。在这两种情况下，可以看出它的水平B.代表50％的负载水平，一种表示0％的负载水平，和C代表100％的负载水平。还可以看出，在与更广泛的比例频带的任何相同的负载中如何更大。

图5.2.4至5.2.8中描绘的实施例描述了将阀门从完全打开完全关闭所需的水平（或可能的温度或压力等）的比例频带。这对机械系统方便，但更一般（更正）的比例频带的定义是在输出100％变化所需的测量值中的百分比变化。因此，它通常以百分比表示，而不是在诸如摄氏度的工程单位中表达。
对于电气和气动控制器，设定值位于比例带的中间。
通过使用温度控制，可以用稍微不同的示例来描述改变电气或气动系统的P波段的效果。
建筑物的空间温度由水（散热器型）加热系统使用与电动致动器驱动的阀门和电子控制器和室温传感器的比例动作控制来控制。所选择的控制具有6％的比例带（P波段或XP）
在0° - 100°C的控制器输入范围内，所需的内部空间温度为18°C。
在某些载荷条件下，阀门为50％，在18℃下所需的内部温度正确。
发生在外部温度下，导致建筑物的热量损失率增加。因此，内部温度会降低。这将由室温传感器检测，这将使阀门发出通知阀门，以移动到更开放的位置，允许通过房间散热器的更热的水。
阀门被指示通过与室温下降成比例的量打开。简化术语，如果室温下降1°C，则阀门可开口10％;如果室温下降2°C，则阀门将打开20％。
在适当的过程中，外部温度稳定，内部温度停止落下。为了提供较低外部温度所需的额外热量，阀门将稳定在更开放的位置;但实际的内部温度将略低于18°C。
例5.2.1和图5.2.9使用6°C的p波段进一步解释了这一点。

示例5.2.1考虑具有以下特征的空间加热应用：
1.建筑物所需的温度为18°C。
2.室温目前为18°C，阀门打开50％。
比例带设定为100°C = 6°C的6％，其给出18°C设定点的3°C。
图5.2.9显示了室温和阀门关系：

例如，将室温下降至16°C。从图表中可以看出，新的阀门开度约为83％。
随着比例控制，如果负载变化，偏移量也是如此：

• 负载小于50％将导致室温高于设定值。
• 大于50％的负载将导致室温低于设定值。

控制器上的设定温度（设定点）与实际室温之间的偏差称为“比例偏移”。
例5.2.1中，只要负载条件不变，控制将保持稳定在阀开度83.3%;这被称为“持续抵消”。

调整p波段的效果

在电子和气动控制器中，P波段可调。这使用户能够找到适合于各个应用程序的设置。

增加p波段——例如，如果之前的应用程序使用12%的比例波段，相当于12°C，结果如图5.2.10所示。请注意，更宽的p波段导致“增益”线不那么陡峭。在相同的室温变化下，阀门的运动会更小。“增益”一词将在下一节讨论。

在这种情况下，室温下降2℃，从图5.2.10的图表中可以看出阀门开度约为68%。

减少P波段 - 相反，如果P频带减小，则每个温度增量的阀门运动增加。但是，将P波段缩减为零给出开/关控制。理想的P频带尽可能窄，而不会在实际室温中产生明显的振荡。

获得

术语“收益”通常与控制器一起使用，并且只是比例带的倒数。
控制器增益越大，给定错误的控制器输出越大。例如，对于1的增益，10％的误差将使控制器输出量为10％，因为增益为5，10％的误差会将控制器输出的尺寸变为50％，而增益10，10％的误差将通过100％的规模改变输出。
“程度术语”中的比例频带将取决于控制器输入比例。例如，对于具有200°C输入刻度的控制器：
X.P.20％= 20％的200°C = 40°C
X.P.10％= 10％的200°C = 20°C蒸汽和冷凝水环5.2.8
基本控制理论|模块5.2块5 |基础控制理论

5.2.2例子

设控制器的输入跨度为100℃。

提醒大家：

• 宽比例带（小增益）将提供较小的敏感响应，但稳定性更大。
• 狭窄的比例带（大增益）将提供更敏感的响应，但是可以设置XP的缩小有实际限制。
• 太窄的比例带（太多增益）将导致振荡和不稳定的控制。

对于各种P波段的任何控制器，可以如图5.2.11所示确定增益线，其中控制器输入跨度为100°C。

反向或直接作用控制信号

仔细看看迄今为止描述比例控制的效果的图所使用的附图表明该输出被假设是反向作用的。换句话说，过程温度的上升导致控制信号落下和阀门关闭。这通常是加热控制的情况。这种配置无法在冷却控制上工作;这里阀门必须在温度上升时打开。这被称为直接作用控制信号。图5.2.12和5.2.13描绘了相同阀动作的反向和直接作用控制信号之间的差异。

在机械控制器（例如气动控制器）上，通常能够通过旋转比例控制转盘来反转控制器的输出信号。因此，可以从同一表盘确定比例带和控制动作方向的大小。
在电子控制器上，通过键盘选择反向作用（RA）或直接作用（DA）。

增益线偏移或比例效应

根据比例控制的解释，应该清楚的是，只要负载在50％变化，就会清楚地存在控制偏移或实际值的偏差。
为了进一步说明这一点，认为实施例5.2.1具有12°C p波段，其中预期2°C的偏移。如果应用程序无法容忍偏移量，则必须消除它。
这可以通过将设定点重新定位（或复位）到更高的值来实现。这提供了手动复位后的相同阀门开口，但在18°C的室温下不16°C。

手动重置

可以手动或自动删除偏移量。手动复位的效果可以在图5.2.14中看到，通过将偏移施加到2°C的设定点来手动调整该值。
从图5.2.14和上面的文本应该清楚，效果与将设定值增加2°C的效果相同。相同的阀门开口66.7％现在在18℃下与室温重合。
手动复位的效果如图5.2.15所示。

积分控制 - 自动重置动作

在工艺装置中，手动复位通常是不令人满意的，因为每次负荷变化都需要进行复位操作。对于操作符来说，混淆两者之间的区别也是很常见的:

• 设置值-拨号上的值。
• 实际值 - 过程值是什么。
• 要求值-完美的工艺条件。

通过在自动控制器的机制内包含的复位动作克服了这些问题。
这种控制器主要是比例控制器。然后，它添加了一个重置功能，称为“积分动作”。自动复位使用电子或气动集成例行程序执行复位功能。自动复位最常用的术语是积分动作，其字母为一世．
积分动作的函数是通过连续并根据随时间集成的控制偏差来自动修改控制器输出来消除偏移。积分动作时间（我在）定义为控制器输出所花费的时间由于成分动作而导致的由于成比例动作等于输出变化。只要误差继续存在，积分动作就会稳步增加纠正措施。这种纠正措施将随着时间的推移而增加，因此，在一段时间内必须足以完全消除稳态误差，从而在发生另一个变化之前提供足够的时间。控制器允许调整积分时间以适应植物动态行为。
比例积分(P +我）成为包含这些特征的控制器的术语。
对控制器的积分作用通常限制在比例范围内。
典型的P + I响应如图5.2.16所示，用于负载的步骤变化。

IAT可在控制器内调整：

• 如果太短，过度反应和不稳定会导致。
• 如果它太长，则重置动作会非常慢才能生效。

IAT以时间为单位代表。在一些控制器上，整个动作的可调参数被称为“每分钟重复”，这是每分钟的次数，即积分动作输出因比例输出变化而变化。

• 每分钟重复= 1 /_{（分钟内）}
• IAT =无限 - 意味着没有积分行动
• IAT = 0 - 表示无限积分动作

检查控制器手册是值得一定是指定组成的行动。

过冲和'结束'

使用P + I控制器（和P控制器），当存在时可能会发生过冲
系统时间滞后。
典型的例子是突然变化负载之后。考虑一个过程应用，其中工艺热交换器设计用于在固定温度下维持水。
设定点为80°C，P波段设定为5°C（±2.5°C），负载突然变化，使得回水温度几乎瞬间降至60°C。
图5.2.16显示了对实际水温负荷负荷的突然（步骤变化）的效果。测量值几乎从稳定的80℃瞬时变为60°C的值。
通过集成过程的性质，积分控制动作的产生必须落后于比例控制动作，引入响应的延迟和更长的时间。这可能在实践中具有严重后果，因为这意味着在比例系统中的初始控制响应将是瞬间和快速的作用，现在遭受延迟并缓慢响应。这可能导致实际值用完控制和系统振荡。根据控制器增益的相对值和积分作用，这些振荡可能会增加或减少。如果应用积分操作，则必须确保必须肯定，如果需要，则是必要的，如果是这样，则应用正确的积分动作量。
积分控制也可以加重其他情况。如果误差长时间很大，例如在大量的步骤改变或关闭系统之后，积分的值可能会过度大，并且导致过冲或下冲，这需要长时间才能恢复。为了避免这个问题，这通常被称为“整体卷绕”，精致的控制器将抑制积分作用，直到系统相当接近均衡。
为了补救这些情况，测量实际温度的变化速度是有用的;换句话说，测量信号的变化率。另一种类型的控制模式是用来测量测量值的变化有多快，这被称为速率动作或微分动作。

衍生控制 - 速率行动

衍生行动（通过字母D）措施措施并响应流程信号的变化率，并调整控制器的输出以最大限度地减少过冲。
如果在具有时间滞后的系统上正确应用，衍生动作将在过程条件发生变化时最小化与设定点的偏差。值得注意的是，当过程信号发生变化时，衍生动作将仅适用。如果值稳定，无论偏移如何，那么不会发生导数动作。
衍生函数的一个有用功能是可以最小化过冲，尤其是在加载的快速变化上。但是，衍生行动不易申请;如果没有足够的使用，则实现了很少的好处，并且应用太多可能会导致它的问题更多。
D操作在控制器内再次可调节，并在时间单位中称为TD：
T._D.= 0 - 表示没有动作。
T._D.=无限 - 意味着无限D动作。
可以获得P + D控​​制器，但可能会经历比例偏移。值得注意的是，P控制的主要缺点是存在偏移。为了克服和删除偏移，“我的行动”被介绍。控制回路中的时间滞后的频繁存在解释了对第三动作D的需求。结果是P + I + D控​​制器，如果适当调谐，在大多数过程中可以提供快速稳定的响应，没有偏移和没有过冲。

PID控制器

P和I和D被称为“术语”，因此P + I + D控​​制器通常称为三个术语控制器。

可以概括各种特性，如图5.2.17所示。

最后，控件工程师必须尝试避免对特定应用程序使用不必要的复杂控件的危险。应始终选择至少复杂的控制操作，该操作将提供所需的控制程度。

进一步的术语

时间常数

这被定义为：'控制器输出所花费的时间由于过程负载的步骤（或突然）变化而导致其总量的63.2％。
实际上，说明更涉及，因为时间常数是真正对信号或输出从其初始值实现最终值的时间，因此具有原始的增加速率。这个概念如图5.12.18所示。

例5.2.2对时间常数的实际升值

考虑两个水箱，在25℃的温度下，75℃的罐B水箱。传感器放置在罐A中并允许达到平衡温度。然后将其快速转移到罐B中。两个罐之间的温差为50°C，并且可以计算63.2％的温度跨度，如下所示：
63.2％的50°C = 31.6°C
初始基准温度为25°C，因此该简单示例的时间常数是传感器达到56.6°C所需的时间，如下所示：
25°C + 31.6°C = 56.6°C

狩猎

通常被称为不稳定性，循环或振荡。狩猎产生与正常操作点的偏差不断变化。这可能是由：

• 比例带过窄。
• 积分时间太短。
• 衍生时间太长了。
• 这些组合。

控制系统或过程本身中的长时间常数或死区时间

在图5.2.19中，热交换器为应用。精确的温度控制难以实现，并且可能导致大型比例带以实现稳定性。
如果系统负载突然增加，双端口阀将打开更宽，填充高温蒸汽的热交换器。传热速率极快地增加，导致水系统温度过冲。传感器拾取水温的快速增加，并将双端口阀引导到快速关闭。这导致水温下降，双端口阀再次打开。重复该循环，仅在调整PID术语时仅停止循环。以下示例（示例5.2.3）给出了狩猎蒸汽系统的影响。

例5.2.3狩猎在图5.2.19中的系统的效果

考虑图5.2.19中的水热交换器系统的蒸汽。在最小载荷条件下，热交换器的尺寸使得它使恒定流量的二次水从60℃加热至65℃，蒸汽温度为70℃。控制器的设定点为65°C和10°C的P波段。
考虑二次负荷突然增加，以致回水温度几乎立即下降40°C。从热交换器流出的水的温度也将下降40°C至25°C。传感器检测到这一点，当温度低于p波段时，它会指示气动驱动的蒸汽阀门完全打开。
观察到蒸汽温度几乎瞬间从70℃升至140℃。对二次水温的影响是什么以及控制系统的稳定性？
如模块13.2（热负荷，热交换器和蒸汽负载关系）中所示，热交换器温度设计常数TDC可以从观察到的操作条件和等式13.2.2计算：

在本例中，观测到的条件(最小负荷)如下:

当蒸汽温度上升到140°C时，由式13.2.5可以预测出出口温度:

热交换器出口温度为80°C，现在高于P波段，传感器现在向控制器发出关闭蒸汽阀的信号。

蒸汽温度迅速下降，导致出口水温下降;蒸汽阀再次打开。这些温度周围的系统循环，直到控制参数改变。这些症状被称为“狩猎”。控制阀及其控制器正在寻找稳定的条件。在实践中，其他因素将增加局势的不确定性，例如系统尺寸和对温度变化的反应和传感器的位置。
这种类型的摆动会导致系统部件（尤其是阀门和执行器）过早磨损，并导致控制不良。
例5.2.3不是典型的实际应用。实际上，正确的设计和蒸汽加热热交换器的正确设计和尺寸不会是一个问题。

落后

LAG是响应的延迟，并且在控制系统和控制过程中存在于控制系统中。
考虑一个由加热器温热的小型房间，由房间空间恒温器控制。打开大型窗户，承认大量冷空气。室温会下降，但会有延迟，而传感器的质量降低到新的温度 - 这称为控制滞后。延迟时间也称为死区时间。

然后要求从房间加热器获得更多的热量，这将需要一段时间才能发挥作用，使房间升温到恒温器能够满足的程度。这被称为系统滞后或热滞后。

范围内

这涉及控制阀，并且是最大可控流动与最小可控流动之间的比率，在此期间将保持阀门（线性，等百分比，快速开口）之间的比率。大多数控制阀，在达到完全关闭位置之前的某个点，不再根据阀特性对流量的限定控制。信誉良好的制造商将为阀门提供无限制的图。

调低比

调低比是最大流量与最小可控流动之间的比率。如果阀门过大，则大致小于阀门的范围。
尽管该定义仅与阀门有关，但它是整个控制系统的功能。