自動(dòng)化儀表與過(guò)程第七章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

1、第七章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)） 由一個(gè)受控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。TC冷流體載熱體TT換熱器簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)方框圖 )(sGv)(sGo)(sGm)(sR)(sE)(sGc)(sQ)(sY)(1sF)(sFn簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 被控變量的選擇被控變量的選擇 方法一方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于 測(cè)量的參數(shù)作為被控變量，稱為直接參數(shù)法。例如 溫度、壓力、液位、流量反映等生產(chǎn)工藝狀態(tài)的參 數(shù)。方法二方法二：選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù) 有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于測(cè)量的參數(shù)作為被

2、控變量， 稱為間接參數(shù)法。例如組分（某物質(zhì)含量）、轉(zhuǎn)化 率等。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量的選擇實(shí)例被控變量的選擇實(shí)例氨合成塔控制 合成塔中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)QNHHN32223 LTTM催化劑層深度與溫度關(guān)系催化劑層深度合成塔內(nèi)溫度熱點(diǎn)要正確選擇被控變量必須充分了解工藝過(guò)程、工藝特點(diǎn)及對(duì)控制的要求要正確選擇被控變量必須充分了解工藝過(guò)程、工藝特點(diǎn)及對(duì)控制的要求簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量的選擇原則被控變量的選擇原則1. 1. 選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境 保護(hù)保護(hù) 具有決定性作用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)為被控變量。具有決定性作

3、用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)為被控變量。2. 2. 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時(shí)，可選擇一個(gè)與直接參數(shù)當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時(shí)，可選擇一個(gè)與直接參數(shù)有有 單值函數(shù)關(guān)系單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。 滿足工藝的合理性滿足工藝的合理性 具有盡可能大的靈敏度且線形好具有盡可能大的靈敏度且線形好 測(cè)量變送裝置的滯后小。測(cè)量變送裝置的滯后小。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操縱變量的選擇操縱變量的選擇被控變量（輸出量） 擾動(dòng)變量（輸入量）操縱變量（輸入量） 從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4、原則對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為 擾動(dòng)通道放大倍數(shù)為f 的大小表征了操縱變量對(duì)被控變量的影響程度 f的大小表征了擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響程度小結(jié)小結(jié)：選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，擾動(dòng)通道的放大倍數(shù)f越小越好，控制通道放大倍數(shù)希望適當(dāng)大適當(dāng)大些，以使控制通道靈敏些。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（一）對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（一）設(shè): 擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)為f，純滯后為f 對(duì)擾動(dòng)通道特性的影響對(duì)擾動(dòng)通道特性的影響 ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2ff簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控

5、制質(zhì)量的影響（二）對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（二）設(shè)：控制通道的時(shí)間常數(shù)為o，純滯后時(shí)間為o時(shí)間常數(shù)O小，反映靈敏，控制及時(shí)，有利于克服干擾的影響時(shí)間常數(shù)O過(guò)大，造成控制作用遲緩，使被控變量的超調(diào)量加大，過(guò)渡時(shí)間增長(zhǎng)純滯后時(shí)間0使操縱變量對(duì)被控變量的作用推遲了一段時(shí)間，由于控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過(guò)渡過(guò)程振蕩加劇，過(guò)渡時(shí)間增長(zhǎng)，控制質(zhì)量變壞。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操縱變量的選擇原則操縱變量的選擇原則 要構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大的要構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大的 放大系數(shù)、比較小的時(shí)間常數(shù)及盡可能小的純滯后時(shí)放大系數(shù)、比較小的時(shí)間常數(shù)及盡

6、可能小的純滯后時(shí) 間。間。 系統(tǒng)主要擾動(dòng)通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時(shí)間常數(shù)系統(tǒng)主要擾動(dòng)通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時(shí)間常數(shù) 和盡可能小的放大系數(shù)。和盡可能小的放大系數(shù)。 考慮工藝上的合理性。如生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的考慮工藝上的合理性。如生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的 質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。測(cè)量變送問(wèn)題測(cè)量變送問(wèn)題-純滯后純滯后 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則電極酸槽LCACl1中和槽l2=2211vlvl1l、2l 為主管道，分管道的長(zhǎng)度1v2v為主管道，分管道流體的流速 測(cè)量元件的安裝位置測(cè)量元件的安裝位置簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則測(cè)量變送問(wèn)題測(cè)量變送問(wèn)題-傳遞滯后傳遞滯后 盡可

7、能縮短傳送管線長(zhǎng)度，一般氣壓信號(hào)管路長(zhǎng)度不超過(guò) 300m，管徑應(yīng)大于mm?；蛟跉饴?0m距離間加氣動(dòng)繼動(dòng) 器，提高氣信號(hào)傳輸功率，減小傳輸時(shí)間。 采用氣-電、電-氣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換傳遞，或用閥門定位器等。信號(hào)傳遞過(guò)程中引起的滯后信號(hào)傳遞過(guò)程中引起的滯后克服傳遞滯后采取以下措施：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則控制器控制規(guī)律的選擇原則控制器控制規(guī)律的選擇原則1. 對(duì)于一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求對(duì)于一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求 又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面，又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面， 以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。以

8、及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。2. 2. 對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，但不允許有余差的對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，但不允許有余差的 情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制 系統(tǒng)往往采用控制器。系統(tǒng)往往采用控制器。3. 3. 當(dāng)對(duì)象滯后較大，如溫度、值等控制系統(tǒng)則需引入微分當(dāng)對(duì)象滯后較大，如溫度、值等控制系統(tǒng)則需引入微分 作用。一般在對(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又作用。一般在對(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又 要求較高時(shí)，可選用比例（要求較高時(shí)，可選用比例（P P）積分（）積分（I I）微分（）微

9、分（D D）控制器。）控制器。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則執(zhí)行器的選擇原則執(zhí)行器的選擇原則1. 1. 控制閥結(jié)構(gòu)類型及材質(zhì)的選擇?？刂崎y結(jié)構(gòu)類型及材質(zhì)的選擇。2. 2. 控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇。控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇。3. 3. 控制閥流量特性的選擇?？刂崎y流量特性的選擇。4. 4. 控制閥口徑大小的選擇?？刂崎y口徑大小的選擇。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)投運(yùn)控制系統(tǒng)投運(yùn)-通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩?dòng)工作狀態(tài)平穩(wěn)地通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩?dòng)工作狀態(tài)平穩(wěn)地 轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。準(zhǔn)備工作：準(zhǔn)備工作：1. 1. 詳細(xì)了解工藝，對(duì)投運(yùn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題有所估計(jì)。詳細(xì)了解工藝，對(duì)投運(yùn)中可

10、能出現(xiàn)的問(wèn)題有所估計(jì)。2. 2. 吃透控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖。吃透控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖。3. 3. 在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作對(duì)有關(guān)儀表（包括控制閥）的在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作對(duì)有關(guān)儀表（包括控制閥）的 功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判斷。功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判斷。4. 4. 設(shè)置好控制器正反作用和、參數(shù)。設(shè)置好控制器正反作用和、參數(shù)。5. 5. 按無(wú)擾動(dòng)切換（指手、自動(dòng)切換時(shí)閥上信號(hào)基本不變）按無(wú)擾動(dòng)切換（指手、自動(dòng)切換時(shí)閥上信號(hào)基本不變） 的要求將控制器切入自動(dòng)。的要求將控制器切入自動(dòng)。控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定-對(duì)已定的控制系統(tǒng)求取保證控制過(guò)程對(duì)已定的控制

11、系統(tǒng)求取保證控制過(guò)程 質(zhì)量為最好的控制器參數(shù)（比例度質(zhì)量為最好的控制器參數(shù)（比例度 %、 積分時(shí)間積分時(shí)間T TI I、微分時(shí)間、微分時(shí)間T TD D ）控制器的參數(shù)整定方法控制器的參數(shù)整定方法 理論計(jì)算參數(shù)整定法理論計(jì)算參數(shù)整定法已知廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)已知廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù) 系統(tǒng)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求，通過(guò)計(jì)算確定相應(yīng)系統(tǒng)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求，通過(guò)計(jì)算確定相應(yīng) 的的PIDPID參數(shù)。參數(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)工程整定法現(xiàn)場(chǎng)工程整定法條件：在工藝過(guò)程手操穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。條件：在工藝過(guò)程手操穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。 1 1）經(jīng)驗(yàn)法）經(jīng)驗(yàn)法 2 2）衰減曲線法）衰減曲線法 3 3）臨界比例度法）臨界比

12、例度法 4 4）響應(yīng)曲線法）響應(yīng)曲線法控制器參數(shù)的工程整定方法一：經(jīng)驗(yàn)法方法一：經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)(%)(%)T TI I ( ( min min) )T TD D( ( min min) )溫度溫度流量流量壓力壓力液面液面20206060404010010030307070202080803 3 10100.10.11 10.40.43 30.50.53 3（長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的一種整定方法）方法方法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的 控制系統(tǒng)中通過(guò)改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形控制系統(tǒng)中通過(guò)改變給定值以施加

13、干擾，看輸出曲線的形 狀，以狀，以 %、T TI I、T TD D，對(duì)控制過(guò)程的規(guī)律為指導(dǎo)，調(diào)整相應(yīng)，對(duì)控制過(guò)程的規(guī)律為指導(dǎo)，調(diào)整相應(yīng) 的參數(shù)進(jìn)行湊試，直到合適為止的參數(shù)進(jìn)行湊試，直到合適為止 控制器參數(shù)的工程整定方法二：臨界比例度法方法二：臨界比例度法臨界振蕩整定計(jì)算公式臨界振蕩整定計(jì)算公式 控制器參數(shù)控制器參數(shù) 控制規(guī)律控制規(guī)律(%)(%)TI (min)TD (min)P2K KPI2.2K KTk/1.2PID1.6K K0.5Tk0.25TI控制器參數(shù)的工程整定方法三：衰減曲線法方法三：衰減曲線法衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表 控制器參數(shù)控制器參數(shù) 控制規(guī)律控制

14、規(guī)律(%)(%)TI (min)TD (min)PS SPI1.2S S0.5TSPID0.8S S0.3TS0.1TS方法方法 在純比例作用下，由大到小在純比例作用下，由大到小調(diào)整比例度以得到具有衰減比調(diào)整比例度以得到具有衰減比（4：1）的過(guò)渡過(guò)程，記下此）的過(guò)渡過(guò)程，記下此時(shí)的比例度時(shí)的比例度 S S及振蕩周期及振蕩周期T TS S，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，求出相應(yīng)的積根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，求出相應(yīng)的積分時(shí)間分時(shí)間T TI I和微分時(shí)間和微分時(shí)間T TD D?？刂破鲄?shù)的工程整定方法四：響應(yīng)曲線法方法四：響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表響應(yīng)曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表 控制器參數(shù)控制器參數(shù) 控制規(guī)律控制規(guī)律K

15、c Ti Td PTP/ KPP PI0.9TP/ KPP3.3P PID1.2TP/ KPP2P0.5P （根據(jù)廣義對(duì)象的時(shí)間特性來(lái)整定參數(shù)）（根據(jù)廣義對(duì)象的時(shí)間特性來(lái)整定參數(shù)） 方法方法 將控制器處于將控制器處于“手操手操”，操作，操作“手操撥盤手操撥盤”使控制輸出有個(gè)階躍變化，由使控制輸出有個(gè)階躍變化，由記錄儀表記下被控變量的記錄值記錄儀表記下被控變量的記錄值Z(tZ(t) ) 。在反應(yīng)曲線拐點(diǎn)處作一切線，根據(jù)切。在反應(yīng)曲線拐點(diǎn)處作一切線，根據(jù)切線與初始值及穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)，就可獲得廣義對(duì)象的三個(gè)特征參數(shù)線與初始值及穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)，就可獲得廣義對(duì)象的三個(gè)特征參數(shù)K KP P、T TP P、 P P 單回路控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔噴霧式干燥塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)噴霧式干燥塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 碳酸鈣漿液干燥過(guò)程工藝流程。碳酸鈣漿液干燥過(guò)程工藝流程。生產(chǎn)工藝要求生產(chǎn)工藝要求 產(chǎn)品溫度要求穩(wěn)定，即含水產(chǎn)品溫度要求穩(wěn)定，即含水量波動(dòng)量波動(dòng) 不能太大。不能太大。 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求1. 1.選擇被控變量與操縱變量選擇被控變量與操縱變量2. 2. 過(guò)程檢測(cè)、控制設(shè)備的選用過(guò)程檢測(cè)、控制設(shè)備的選用單回路控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔選擇被