過程控制工程第一章單回路控制系統(tǒng)

1、 單回路反饋控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng) 工作過程：工作過程：A.CA.C 控制器控制器控制閥控制閥被控被控對象對象測量測量變送變送偏差偏差給定給定 測量測量 液位液位給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號）。也稱為參考輸入量（信號）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使之與輸入統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產(chǎn)生量進行比較，產(chǎn)生偏差偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的（給定信

2、號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為返回過程稱為反饋反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號反饋信號。 維持被控參數(shù)保持在設定值上，偏差越小越好維持被控參數(shù)保持在設定值上，偏差越小越好偏差控制：糾正偏差偏差控制：糾正偏差 過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)按被控參數(shù)分類：按被控參數(shù)分類： 溫度控制回路、壓力控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控制回路單回路反饋控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng)1.1 單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2 被控變量的選擇被控變量的

3、選擇1.3 對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4 控制閥的選擇控制閥的選擇1.5 測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6 控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8 單回路系統(tǒng)的投運和整定單回路系統(tǒng)的投運和整定 實驗：單回路控制系統(tǒng)連接、投運和整定、質(zhì)量研究實驗：單回路控制系統(tǒng)連接、投運和整定、質(zhì)量研究控制系統(tǒng)的設計目標控制系統(tǒng)的設計目標 被控變量的選擇被控變量的選擇即，要控制什么即，要

4、控制什么 基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響生產(chǎn)（產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)安全）生產(chǎn)（產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)安全） 最基本的熱工參數(shù)，一般是可以直最基本的熱工參數(shù)，一般是可以直接進行測量和控制的參數(shù)接進行測量和控制的參數(shù) 溫度、壓力、液位、流量溫度、壓力、液位、流量 質(zhì)量指標，以及一些特殊的參數(shù)質(zhì)量指標，以及一些特殊的參數(shù)成份、物性參數(shù)等，在一般條件下，成份、物性參數(shù)等，在一般條件下，無法直接測量和控制無法直接測量和控制 應根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可應根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可測的參數(shù)，間接進行控制測的參數(shù)，間接進行控制苯、甲苯二元精餾系統(tǒng)苯、甲苯二元精餾系統(tǒng) 質(zhì)量指標是最

5、重要的控制參數(shù)質(zhì)量指標是最重要的控制參數(shù) 如塔頂產(chǎn)品的純度如塔頂產(chǎn)品的純度 x xD D 但但 x xD D 目前無法直接測量，因此，只能用間接控制參數(shù)進行控制。目前無法直接測量，因此，只能用間接控制參數(shù)進行控制。 根據(jù)精餾原理，根據(jù)精餾原理，x xD D = f (T = f (TD D, p), , p), 即與溫度和壓力成非線性函數(shù)即與溫度和壓力成非線性函數(shù)關(guān)系。關(guān)系。 理論上，固定一項，就可用另一項控制理論上，固定一項，就可用另一項控制x xD D 。 一般的，實際中都采用恒定一般的，實際中都采用恒定p p，通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分，通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分。 選擇原則：選

6、擇原則： （1 1） 測量滯后測量滯后 P P （2 2） 工藝合理性工藝合理性 T T工藝合理性：規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分離度，保證效率工藝合理性：規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分離度，保證效率 各塊塔板壓力恒定，各塊塔板壓力恒定，X XD D與與T T有對應關(guān)系有對應關(guān)系選擇選擇X XD D=F=F（T T）PTfXD,0 50 100%0 50 100%DXP一定T一定一定DX精餾塔精餾塔: : F1F2FnY 必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中 選擇一個，作為選擇一個，作為操縱變量操縱變量 其它影響量則只能視作其它影響量則只能視作干擾量干擾量了了用操縱量克服干擾量對被控變

7、量的影響用操縱量克服干擾量對被控變量的影響F F1 1(s)(s)F F2 2(s)(s)U(s)U(s)Y(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：結(jié)論：結(jié)論： 越大，系統(tǒng)的余差也越大，越大，系統(tǒng)的余差也越大， 控制質(zhì)量越差控制質(zhì)量越差分析過程：分析過程： 結(jié)論：結(jié)論：越大，個數(shù)越多，干擾對被控變量的影響越小，系統(tǒng)越大，個數(shù)越多，干擾對被控變量的影響越小，系統(tǒng)的動態(tài)偏差越小，的動態(tài)偏差越小， 控制質(zhì)量提高控制質(zhì)量提高 干擾進入系統(tǒng)的位置：越離被控變量近的干擾，對被控變干擾進入

8、系統(tǒng)的位置：越離被控變量近的干擾，對被控變量的影響也越大量的影響也越大 ( )()y ty t干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)靜態(tài)質(zhì)量的影響動態(tài)質(zhì)量的影響Kf增加余差增加無影響Tf增加無影響過渡過程時間減小，振蕩幅值減小f增加無影響無影響靜態(tài)靜態(tài)：控制通道放大倍數(shù)控制通道放大倍數(shù)K K0 0大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式（大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式（1-71-7）動態(tài)動態(tài)：控制系統(tǒng)衰減比控制系統(tǒng)衰減比與與Kc Kc 與與K K0 0的乘積有關(guān)，見式（的乘積有關(guān)，見式（1-181-18），且），且 Kc KKc K0 0越大，越大，越小，穩(wěn)定性差，因此，要保證越小，穩(wěn)定性差，因此，要保證Kc

9、 KKc K0 0= =常數(shù)。常數(shù)。在在Kc KKc K0 0= =常數(shù)情況下，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差不變。常數(shù)情況下，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差不變。從控制角度看，從控制角度看，K K0 0大些，說明控制通道對系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)節(jié)，大些，說明控制通道對系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)節(jié)，因此，一般希望因此，一般希望K K0 0大些好大些好從控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導進行分析從控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導進行分析 結(jié)論：結(jié)論：控制通道的時間常數(shù)大，經(jīng)過的容量數(shù)多，系統(tǒng)的工作控制通道的時間常數(shù)大，經(jīng)過的容量數(shù)多，系統(tǒng)的工作 頻率低，控制不及時、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。頻率低，控制不及時、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。 一般希望控制通

10、道時間常數(shù)小些好。一般希望控制通道時間常數(shù)小些好。 但控制通道時間常數(shù)過小，將使得系統(tǒng)過于靈敏，也會使穩(wěn)定性但控制通道時間常數(shù)過小，將使得系統(tǒng)過于靈敏，也會使穩(wěn)定性變差，如流量系統(tǒng)變差，如流量系統(tǒng) 結(jié)論：結(jié)論：純滯后純滯后 的存在，使得控制不及時，增加動態(tài)偏差，的存在，使得控制不及時，增加動態(tài)偏差， 降低穩(wěn)定性。降低穩(wěn)定性。 控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素，會嚴重影響控控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素，會嚴重影響控制系統(tǒng)品質(zhì)，以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散，造成嚴重后果，因此，制系統(tǒng)品質(zhì)，以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散，造成嚴重后果，因此，實際工程中，必須重視。實際工程中，必須重視。 兼顧考慮工藝的

11、合理性，工藝上不易頻繁改變的量也兼顧考慮工藝的合理性，工藝上不易頻繁改變的量也不宜作為操縱變量。不宜作為操縱變量。 實質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。實質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。原則：原則：（1 1） 操縱變量必須可控操縱變量必須可控（2 2） 選擇通道放大倍數(shù)相對大的選擇通道放大倍數(shù)相對大的（3 3）選擇通道時間常數(shù)相對小的（干擾通道）選擇通道時間常數(shù)相對小的（干擾通道時間常數(shù)大些）時間常數(shù)大些）（4 4）選擇通道的純滯后盡量小）選擇通道的純滯后盡量?。? 5）選擇使干擾點遠離被控變量而靠近控制閥）選擇使干擾點遠離被控變量而靠近控制閥控制通道特性對控制質(zhì)量的影響圖特性參數(shù)對靜態(tài)質(zhì)量的影響對動態(tài)

12、質(zhì)量的影響K0增加余差減?。ǚ€(wěn)定前提下）系統(tǒng)趨向于振蕩T0增加無影響過渡過程時間增加，系統(tǒng)頻率變慢0增加無影響穩(wěn)定程度大大降低 流量特性：指流體通過閥門的相對流量和閥門相對開度流量特性：指流體通過閥門的相對流量和閥門相對開度 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相對流量相對流量 f(L/Lmax)相對開度相對開度 一般的，生產(chǎn)負荷變化一般的，生產(chǎn)負荷變化對象特性發(fā)生變化對象特性發(fā)生變化 如，熱交換器：如，熱交換器： 負荷（被加熱的流體）增大：負荷（被加熱的流體）增大： 通過熱交換器的時間縮短，通過熱交換器的時間縮短， 純滯后減小；純滯后減??； 特性改變特性改變

13、 流速增大，傳熱效果變好流速增大，傳熱效果變好 控制系統(tǒng)投運時，已經(jīng)整定好了控制系統(tǒng)投運時，已經(jīng)整定好了PIDPID參數(shù)，一旦對象參數(shù)，一旦對象特性發(fā)生變化時，原來好的特性發(fā)生變化時，原來好的PIDPID參數(shù)就變得不好了參數(shù)就變得不好了（1 1）選擇自整定調(diào)節(jié)器，代價大）選擇自整定調(diào)節(jié)器，代價大（2 2）通過控制閥的特性選擇進行彌補）通過控制閥的特性選擇進行彌補 K 1 / KK 1 / K0 0G G0 0如對象負荷靜態(tài)部分如對象負荷靜態(tài)部分K K0 0與控制閥流量與控制閥流量F F成反比，成反比，對象負荷動態(tài)部分對象負荷動態(tài)部分G G0 0與控制閥流量與控制閥流量F F成正比，成正比，控制

14、閥特性取線性；控制閥特性取線性；P15 P15 表表1-1 1-1 控制閥流量特性的選擇控制閥流量特性的選擇 課本課本P15P15分析的例子分析的例子P16 P16 表表1-2 1-2 控制閥流量特性經(jīng)驗選擇控制閥流量特性經(jīng)驗選擇解決辦法：解決辦法：直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、蝶閥、蝶閥、隔膜閥、三通閥隔膜閥、三通閥適用于不同工藝場合適用于不同工藝場合表表1-41-4 ABC 控制閥的輔助裝置控制閥的輔助裝置 接受控制器信號，輸出控制控制閥接受控制器信號，輸出控制控制閥 作用：作用： 提高控制閥控制精度，準確定位；提高控制閥控制精度，準確定位； 功率放大

15、；功率放大； 可改變控制閥流量特性；可改變控制閥流量特性； 可實現(xiàn)分程控制可實現(xiàn)分程控制 控制質(zhì)量：控制質(zhì)量：系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的動態(tài)誤差系統(tǒng)的動態(tài)誤差PID 三作用控制器三作用控制器PID：Proportional Integral DerivativePID控制對偏差信號對偏差信號 (t)進行比例、積分和微分進行比例、積分和微分運算變換后形成的一種控制規(guī)律。運算變換后形成的一種控制規(guī)律。 01tpdidu tKe tedTe tTdt其中： Kpe (t) 比例控制項，比例控制項， Kp 為比例系數(shù)為比例系數(shù) 積分控制項，積分控制項，T Ti 為積分時

16、間常數(shù)為積分時間常數(shù)； 01tiedT 微分控制項，微分控制項， d 為微分時間常數(shù)為微分時間常數(shù)； ddTe tdtPIDPID控制的傳遞函數(shù)：控制的傳遞函數(shù)：( )1( )1( )cpdiU sG sKT sE sTsPID控制是控制工程中技術(shù)成熟、理論完善、應用最為廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型結(jié)構(gòu)。在很多情形下，PID 控制并不一定需要全部的三項控制作用，而是可以方便靈活地改變控制策略，實施P、PI、PD 或PID 控制。顯然，比例控制部分是必不可少的。PID 不僅適用于數(shù)學模型已知的控制系統(tǒng)，而且對大多數(shù)數(shù)學模型難以確定的工業(yè)過程也可應用。P

17、ID 控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)靈活，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應用效果。R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)2222(1)(21)( )(1)(21)okllovijjKT sT sTsG ssTsT sT s( )1/F ss001lim ( )lim( )lim( )tssce tsE sG s終值定理：1( )11ccciiiKG sKTsTsTs結(jié)論結(jié)論： 當控制器為純比例作用時，系統(tǒng)余差與放大倍當控制器為純比例作用時，系統(tǒng)余差與放大倍數(shù)成反比，即與比例度成正比，比例度數(shù)成反比，即與比例度成正比，比例度越大，越大，余差越大；余差越大； 當

18、控制器引入積分作用時，可消除余差；當控制器引入積分作用時，可消除余差； 微分作用對余差沒有影響。微分作用對余差沒有影響。 0cuK eu0ty(t) 01ciuKeedtuT0ty(t)P P、I I、D D三參數(shù)相互配合三參數(shù)相互配合控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定 0cDdeuKeTudt 提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng)提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng) TCLCGc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)jiGc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)Gc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U

19、1(s)U2(s)uuy11yuy11相對增益的計算：相對增益的計算： 相互關(guān)聯(lián)程度ijijijyuuyyuijijyuuyyuij1，ij1，ij=0ij，ij1TKK PCFCGc(s)Gv(s)Go(s) Gm(s)R(s)E(s)Y(s)LC一般，對于儀表控制器，都帶有正反作用開關(guān)，一般，對于儀表控制器，都帶有正反作用開關(guān)，對于計算機控制，可以通過程序設置對于計算機控制，可以通過程序設置 025( )(41)(201)G sss（1 1）臨界比例度法）臨界比例度法步驟：步驟： 系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán) TITI最大、最大、TDTD最小最小 （沒有積分、微分作用）（沒有積分、微分作用） 比例度比

20、例度放到放到100%100%（K=1K=1），由大往小逐漸改變，每改變一），由大往小逐漸改變，每改變一次，通過設定值的改變給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，觀察輸出次，通過設定值的改變給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，觀察輸出Y Y的變化的變化 若若Y Y衰減振蕩，則繼續(xù)減小衰減振蕩，則繼續(xù)減??；若；若Y Y發(fā)散振蕩，則應增大發(fā)散振蕩，則應增大 當當Y Y出現(xiàn)等幅振蕩（臨界振蕩），此時出現(xiàn)等幅振蕩（臨界振蕩），此時kk稱為臨界比例度，稱為臨界比例度，振蕩周期振蕩周期TkTk稱為臨界周期。稱為臨界周期。有了有了k和和Tk后，按經(jīng)驗公式確定后，按經(jīng)驗公式確定、Ti、TD，按此參數(shù)可使控制系統(tǒng)，按此參數(shù)可使控制系統(tǒng)呈呈4：1衰減。若還有差距，可適當調(diào)整衰減。若還有差距，可適當調(diào)整 0tTk等幅振蕩曲線等幅振蕩曲線 臨界周期臨界周期 %Ti，minTD，minP 2k PI2.2k0.85Tk PID1.7k0.5Tk0.13Tk。 （2 2） 與臨界法類似與臨界法類似 4