化工儀表及自動化第6章簡單控制系統(tǒng)設(shè)計

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第六章第六章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成n 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計n被控變量的選擇被控變量的選擇n操縱變量的選擇操縱變量的選擇n測量元件特性的影響測量元件特性的影響n控制器控制規(guī)律的選擇控制器控制規(guī)律的選擇n 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定n臨界比例度法臨界比例度法n衰減曲線法衰減曲線法n經(jīng)驗湊試法經(jīng)驗湊試法1第一節(jié)第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成2 通常是指由一個測量元件、變送器、一個通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對

2、象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖7-1 液位控制系統(tǒng)圖7-2 溫度控制系統(tǒng) 在本課件以后的控制系統(tǒng)圖中，也將不再畫出測量、在本課件以后的控制系統(tǒng)圖中，也將不再畫出測量、變送環(huán)節(jié)，但要注意在實際的系統(tǒng)中總是存在這一環(huán)節(jié)，變送環(huán)節(jié)，但要注意在實際的系統(tǒng)中總是存在這一環(huán)節(jié)，只是在畫圖時被省略罷了。只是在畫圖時被省略罷了。 第一節(jié)第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成3圖7-3簡單控制系統(tǒng)的方塊圖 簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。 在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該

3、系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進行控制的。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計n 一、被控變量的選擇一、被控變量的選擇4 生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。 它們對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的； 人工操作雖然可以滿足要求，但是，這種操作是既緊張而又頻繁的。第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計直接指標(biāo)控制；直接指標(biāo)控制；間接指標(biāo)控制。間接指標(biāo)控制。5第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計6圖7-4精餾過程示意圖1精餾塔；2蒸汽加熱器圖7-5苯-甲苯溶液

4、的T-x圖圖7-6 苯-甲苯溶液的p-x圖舉例舉例第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟性。 在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應(yīng)關(guān)系。 所選變量有足夠的靈敏度。7第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計8（1）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量。 （2）被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。 （3）盡

5、量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（4）被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。 （5）選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。（6）被控變量應(yīng)是獨立可控的。 9第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計n 二、操縱變量的選擇二、操縱變量的選擇10 在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。 最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。操作變量操作變量系統(tǒng)的干擾系統(tǒng)的干擾通過工藝分析通過工

6、藝分析確定確定第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計11圖7-7精餾塔流程圖如果根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板（一般為靈敏板）的溫度作為被控變量。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計圖7-8影響提餾段溫度的各種因素示意圖進料的流量（Q入）、成分（x入）、溫度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液溫度（T回）、加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。 12第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計13圖7-9干擾通道與控制通道的關(guān)系由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；由控制通道施加到對象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。

7、 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，對象干擾通道的放大系數(shù)Kf小些。 控制通道的時間常數(shù)不能過大，否則會使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過渡時間長。要求對象控制通道的時間常數(shù)T小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。 14第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計15 控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時間。這樣造成的純滯后O對控制質(zhì)量是有影響的。圖7-10所示為純滯后對控制質(zhì)量影響的示意圖。 圖7-10 純滯后0對控制質(zhì)量的影響在選擇操縱變量構(gòu)成控制系在選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，應(yīng)使對象控制通道的純統(tǒng)時，應(yīng)使對象控制通道的純

8、滯后時間滯后時間0 0盡量小。盡量小。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計16 干擾通道的時間常數(shù)Tf越大，表示干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。 如果干擾通道存在純滯后f，控制作用也推遲了時間f，使整個過渡過程曲線推遲了時間f，要控制通道不存在純滯后，通常是不會影響控制質(zhì)量的，如圖7-11所示。 圖7-11干擾通道純滯后f的影響第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計17 操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。 操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。 在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。 第二節(jié)第二

9、節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計n 三、測量元件特性的影響三、測量元件特性的影響18圖7-12測量元件時間常數(shù)的影響 測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數(shù)，易造成測量滯后。第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計19 測量元件的時間常數(shù)越大，測量滯后現(xiàn)象愈測量元件的時間常數(shù)越大，測量滯后現(xiàn)象愈加顯著?？刂葡到y(tǒng)中的測量元件時間常數(shù)不能太加顯著?？刂葡到y(tǒng)中的測量元件時間常數(shù)不能太大，最好選用惰性小的快速測量元件。大，最好選用惰性小的快速測量元件。 當(dāng)測量元件的時間常數(shù)當(dāng)測量元件的時間常數(shù)Tm小于對象時間常數(shù)小于對象時間常數(shù)的的110時，對系統(tǒng)的控

10、制質(zhì)量影響不大。時，對系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大。 測量元件安裝是否正確，維護是否得當(dāng)，也測量元件安裝是否正確，維護是否得當(dāng)，也會影響測量與控制。會影響測量與控制。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計20當(dāng)測量存在純滯后時，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖7-13pH值控制系統(tǒng)示意圖延遲時間延遲時間0 022110vlvl 這一純滯后使測量信號不能及時反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計21 由現(xiàn)場測量變送裝置的信號傳送到控制室的控制器所引起的滯后。 由控制室內(nèi)控制器的輸出控制信號傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器所引起的滯后。 第二節(jié)第二節(jié)

11、 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計n 四、控制器控制規(guī)律的選擇四、控制器控制規(guī)律的選擇22圖7-14簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖 比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。eKpP%1001PK對于單元組合儀表 控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 控制器的輸出與偏差成比例。 當(dāng)負荷變化時，比例控制器克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。 在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采用的。 純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時存在余差。負荷變化越大，余差就越大。 23第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)

12、計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。edtTeKpIP1比例放大系數(shù)KP（或比例度）和積分時間TI。控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。 積分作用會使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過渡過程的時間也加長。 25第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計26 比例積分微分控

13、制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。 dtdeTedtTeKpDIP1理想的三作用控制器， 存在比例放大系數(shù)KP（或比例度）、積分時間TI和微分時間TD。第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整、TI、TD參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。 容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度、成分控制系統(tǒng)。 27第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計2

14、8 目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時具有目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時間分時間TD置于，就成了比例積分控制器，如置于，就成了比例積分控制器，如果同時將積分時間果同時將積分時間TI置于無窮大，便成了比例置于無窮大，便成了比例控制器?？刂破?。第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計29 控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 輸入變化后，輸出的變化方向。 當(dāng)某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，則稱

15、該環(huán)節(jié)為“正作用”方向。 當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時，輸出減少的稱“反作用”方向。 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計作用方向一般是“正”的。作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。作用方向隨具體對象的不同而各不相同。 當(dāng)給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當(dāng)測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測量值增加時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。30第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計31 第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計32一個簡單的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。加熱爐燃料氣流量圖7-

16、15加熱爐出口溫度控制第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 當(dāng)操縱變量燃料氣流量增加時，被控變量是增加當(dāng)操縱變量燃料氣流量增加時，被控變量是增加的，故對象是的，故對象是“正正”作用方向。如果從工藝安全條件作用方向。如果從工藝安全條件出發(fā)選定執(zhí)行器是氣開閥（停氣時關(guān)閉），以免當(dāng)氣出發(fā)選定執(zhí)行器是氣開閥（停氣時關(guān)閉），以免當(dāng)氣源突然斷氣時，控制閥大開而燒壞爐子。那么這時執(zhí)源突然斷氣時，控制閥大開而燒壞爐子。那么這時執(zhí)行器便是行器便是“正正”作用方向。為了保證由對象、執(zhí)行器作用方向。為了保證由對象、執(zhí)行器與控制器所組成的系統(tǒng)是負反饋的，控制器就應(yīng)該選與控制器所組成的系統(tǒng)是負反饋的，控制

17、器就應(yīng)該選為為“反反”作用。作用。 33第二節(jié)第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計34圖7-16液位控制一個簡單的液位控制系統(tǒng)一個簡單的液位控制系統(tǒng) 執(zhí)行器是執(zhí)行器是“正正”方向。方向。 對象是對象是“反反”方向。方向。 控制器為控制器為“正正”方向。方向。 圖7-17控制器正、反作用開關(guān)示意圖 控制器的正、反作用可以通過控制器的正、反作用可以通過改變控制器上的正、反作用開關(guān)改變控制器上的正、反作用開關(guān)自行選擇。自行選擇。 一臺正作用的控制器，只要將一臺正作用的控制器，只要將其測量值與給定值的輸入線互換其測量值與給定值的輸入線互換一下，就成了反作用的控制器。一下，就成了反作用的控制器。

18、 第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定n 一、臨界比例度法一、臨界比例度法35 按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。即確定最合適的控制器比例度、積分時間TI和微分時間TD。 理論計算的方法和工程整定法。 先通過試驗得到臨界比例度k和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。 第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定36圖7-18 臨界振蕩過程控制作用控制作用比例度比例度/%積分時間積分時間TI/min微分時間微分時間TD/min比例比例比例比例+積分積分比例比例+微分微分比例比例+積分積分+微分微分2 k2.2k1.8k1.7

19、k0.85 Tk0.5 Tk0.1 Tk0.125 Tk表 7-1臨界比例度法參數(shù)計算公式表 比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定n 二、衰減曲線法二、衰減曲線法37通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值。圖7-1941和101衰減振蕩過程控制作用控制作用/%/%TI/minTD/min比例比例s s比例比例+ +積分積分1.21.2s s 0.5 0.5 TS比例比例+ +積分積分+ +微分微分0.80.8s s 0.3 0.3 TS0.1 0.1 TS控制作用控制作用/%/%TI/minTD/min比例比例s s 比

20、例比例+ +積分積分1.2s s 2T升升比例比例+ +積分積分+ +微分微分0.8 s s 1.2 T升升0.4T升升表7-241衰減曲線法控制器參數(shù)計算表表7-3101衰減曲線法控制器參數(shù)計算表第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定s38第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定39（1 1）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般為額定值的來定，一般為額定值的5 5左右，也有例外的情況。左右，也有例外的情況。（2 2）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否則得不到正

21、確的則得不到正確的S、TS或或S和和T升升值。值。（3 3）對于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容）對于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到4141衰減衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)定，就可以近似地認為達到定，就可以近似地認為達到4141衰減過程了。衰減過程了。 第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定n 三、經(jīng)驗湊試法三、經(jīng)驗湊試法根據(jù)經(jīng)驗先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，直接在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過

22、程曲線，運用、TI、TD對過渡過程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對比例度、積分時間TI和微分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。 40第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定41控制對象控制對象對象特征對象特征/%/%TI/minTD/min流量流量溫度溫度壓力壓力液位液位對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動， 要大；要大；TI要短；不用微分要短；不用微分對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾候變對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾候變化遲緩；化遲緩；應(yīng)小；應(yīng)??；TI要長；一般需加微分要長；一般需加微分對象的容量滯后一般，不算大，一般不對象的容量滯后一般，不算大，一般

23、不加微分加微分對象時間常數(shù)范圍較大。要求不高時，對象時間常數(shù)范圍較大。要求不高時，可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分4010020 6030 7020 800.3 13 100.4 30.5 3表7-4 控制器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定42第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定43圖7-20三種振蕩曲線比較圖圖7-21比例度過大、積分時間過大時兩種曲線比較圖比例度過小、積分時間過小或微分時間過大，產(chǎn)生的周期性激烈振蕩。 如果比例度過大或積分時間過大，過渡過程變化緩慢的情形。第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定44（2）先按表7-