第12章 單回路控制系統(tǒng)

1、劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)第十二章單回路控制系統(tǒng)第一節(jié) 概述第二節(jié) 被控量與操縱量的選擇第三節(jié) 檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)的考慮第四節(jié) 控制閥的選擇第五節(jié) 控制器控制規(guī)律及作用方向的選擇第六節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定第七節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的投運(yùn)第八節(jié) 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)第一節(jié) 概述一、單回路控制系統(tǒng)組成與工作原理 由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)執(zhí)行器和對(duì)象組成，由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)執(zhí)行器和對(duì)象組成，僅有一個(gè)閉合回路的系統(tǒng)叫僅有一個(gè)閉合回路的系統(tǒng)叫單回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)。 在選擇控制方案時(shí)，只有在簡(jiǎn)單在選擇控制方案時(shí)，只有在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)過程控制的要控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)過程

2、控制的要求時(shí)，才考慮采用兩個(gè)回路以上組成求時(shí)，才考慮采用兩個(gè)回路以上組成的復(fù)雜控制系統(tǒng)。的復(fù)雜控制系統(tǒng)。 檢測(cè)檢測(cè)/變送變送控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對(duì)象對(duì)象實(shí)際值實(shí)際值期望值期望值SP方框圖方框圖劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)二、如何確定控制方案 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是在了解工藝要求基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是在了解工藝要求基礎(chǔ)上，選擇合適的控制方案、確定相應(yīng)的控制裝置，以使選擇合適的控制方案、確定相應(yīng)的控制裝置，以使被控量按預(yù)期自動(dòng)運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)被控量按預(yù)期自動(dòng)運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)： (1) 被控量被控量(輸出輸出)和操縱量和操縱量(輸入輸入)的確定；的確定； (2) 檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的

3、考慮檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的考慮(信息的獲取與變送信息的獲取與變送)； (3) 控制作用和控制閥的選擇；控制作用和控制閥的選擇； (4) 控制系統(tǒng)的工程整定和投運(yùn)?？刂葡到y(tǒng)的工程整定和投運(yùn)。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)第二節(jié) 被控量和操縱量的選擇一、一、 被控量的選擇原則被控量的選擇原則 作為被控量，必須能夠獲得檢測(cè)信號(hào)并有足夠大的靈敏作為被控量，必須能夠獲得檢測(cè)信號(hào)并有足夠大的靈敏度，滯后要小。度，滯后要小。 必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀表的現(xiàn)狀，檢測(cè)點(diǎn)的選必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀表的現(xiàn)狀，檢測(cè)點(diǎn)的選取必須合適取必須合適。被控量的選擇方法被控量的選擇方法 (1) 選直接參數(shù)選直接參數(shù)。即能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量

4、和質(zhì)量，。即能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運(yùn)行的參數(shù)以及安全運(yùn)行的參數(shù)(如鍋爐水位控制如鍋爐水位控制) 。 (2) 選間接參數(shù)選間接參數(shù)。當(dāng)選直接參數(shù)有困難時(shí)采用，間接指標(biāo)。當(dāng)選直接參數(shù)有困難時(shí)采用，間接指標(biāo)與直接指標(biāo)之間必須是一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系與直接指標(biāo)之間必須是一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 (如鋅精礦沸騰爐如鋅精礦沸騰爐的爐溫控制，爐溫是反映焙砂質(zhì)量的一個(gè)間接指標(biāo)的爐溫控制，爐溫是反映焙砂質(zhì)量的一個(gè)間接指標(biāo))。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)二、操縱量的選擇操縱量是克服擾動(dòng)影響、使系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行的積極操縱量是克服擾動(dòng)影響、使系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行的積極因素。應(yīng)該遵循快速、有效地克服干擾的原則去選擇操縱量

5、。因素。應(yīng)該遵循快速、有效地克服干擾的原則去選擇操縱量。操縱量的選擇原則(1) 控制通道對(duì)象放大系數(shù)適當(dāng)?shù)卮笮?，時(shí)間常數(shù)適中，純控制通道對(duì)象放大系數(shù)適當(dāng)?shù)卮笮?，時(shí)間常數(shù)適中，純滯后越小越好；滯后越小越好；(2) 擾動(dòng)通道對(duì)象的放大系數(shù)應(yīng)盡可能小，時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可擾動(dòng)通道對(duì)象的放大系數(shù)應(yīng)盡可能小，時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能大；能大；(3) 擾動(dòng)作用點(diǎn)應(yīng)盡量靠近控制閥或遠(yuǎn)離檢測(cè)元件，增大擾擾動(dòng)作用點(diǎn)應(yīng)盡量靠近控制閥或遠(yuǎn)離檢測(cè)元件，增大擾動(dòng)通道的容量滯后，可減少對(duì)被控量的影響；動(dòng)通道的容量滯后，可減少對(duì)被控量的影響；(4) 操縱量的選擇不能單純從自動(dòng)控制的角度出發(fā)，還必需操縱量的選擇不能單純從自動(dòng)控制的角度出發(fā)

6、，還必需考慮生產(chǎn)工藝的合理性考慮生產(chǎn)工藝的合理性經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)第三節(jié) 檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)的考慮 一、檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)任務(wù)、作用及要求一、檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)任務(wù)、作用及要求v 任務(wù)：任務(wù)：對(duì)被控量進(jìn)行正確測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被控量進(jìn)行正確測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)。信號(hào)。v 要求：要求：能能正確、及時(shí)正確、及時(shí)地反映被控量的狀況，提供操地反映被控量的狀況，提供操 作人員判斷生產(chǎn)工況和系統(tǒng)進(jìn)行控制作用的作人員判斷生產(chǎn)工況和系統(tǒng)進(jìn)行控制作用的 依據(jù)。依據(jù)。二、檢測(cè)變送環(huán)節(jié)特性二、檢測(cè)變送環(huán)節(jié)特性 通常等效為帶滯后的一階慣性特性通常等效為帶滯后的一階慣性特性 【理想特性理想特性為比例環(huán)節(jié)為比例環(huán)

7、節(jié)】。三、選型注意事項(xiàng)三、選型注意事項(xiàng) 應(yīng)應(yīng)盡量減少其時(shí)間常數(shù)與滯后時(shí)間盡量減少其時(shí)間常數(shù)與滯后時(shí)間。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng) (1)流量特性流量特性(實(shí)際上就是選線性還是對(duì)數(shù)特性，因?yàn)閽佄飳?shí)際上就是選線性還是對(duì)數(shù)特性，因?yàn)閽佄锞€特性閥通常用的很少，而蝶閥當(dāng)導(dǎo)通角為線特性閥通常用的很少，而蝶閥當(dāng)導(dǎo)通角為0-70o時(shí)近似為對(duì)數(shù)時(shí)近似為對(duì)數(shù)特性特性) ；(2)結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式；(3)開閉形式開閉形式； (4)口徑計(jì)算口徑計(jì)算。ZXP(ZJHP)型新系列型新系列氣動(dòng)薄膜直通單座閥氣動(dòng)薄膜直通單座閥 ZAZN型電動(dòng)雙座閥型電動(dòng)雙座閥 第四節(jié) 控制閥的選擇劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)一、控制閥的流量特性選擇劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)二、控制閥結(jié)

8、構(gòu)形式的選擇控制閥選用時(shí)需注意兩點(diǎn)：控制閥選用時(shí)需注意兩點(diǎn)： (1) 被控介質(zhì)的工藝條件，如溫度、壓力、流量；被控介質(zhì)的工藝條件，如溫度、壓力、流量； (2) 被控介質(zhì)的流量特性，如黏度、腐蝕性、毒性、是被控介質(zhì)的流量特性，如黏度、腐蝕性、毒性、是否含懸浮顆粒、液態(tài)還是氣態(tài)等。否含懸浮顆粒、液態(tài)還是氣態(tài)等。(a)單座控制閥單座控制閥 (b)雙座控制閥雙座控制閥 (c)角形控制閥角形控制閥 (d)套筒控制閥套筒控制閥1-閥桿；閥桿；2-上閥蓋；上閥蓋；3-填料；填料；4-閥芯；閥芯；5-閥座；閥座；6-閥體閥體部分控制閥結(jié)構(gòu)部分控制閥結(jié)構(gòu)劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)控制閥結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)及適用場(chǎng)所直通單直通單座閥座

9、閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，泄漏小，但受流體沖擊不平衡力大。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，泄漏小，但受流體沖擊不平衡力大。適用于小口徑適用于小口徑Dg25mm 的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。 直通雙直通雙座閥座閥 受流體沖擊不平衡力影響小，但關(guān)不嚴(yán)滲漏較大，適用于大受流體沖擊不平衡力影響小，但關(guān)不嚴(yán)滲漏較大，適用于大口徑管道的場(chǎng)合?？趶焦艿赖膱?chǎng)合。 角形閥角形閥 閥體受流體的沖擊小，體內(nèi)不易結(jié)污，對(duì)粘度高、有懸浮物閥體受流體的沖擊小，體內(nèi)不易結(jié)污，對(duì)粘度高、有懸浮物和顆粒物的流體尤為適用，并且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好。和顆粒物的流體尤為適用，并且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好。 蝶閥蝶閥 流阻小，適用于低差壓大流量的氣體及含有固體懸浮物的介流阻小，

10、適用于低差壓大流量的氣體及含有固體懸浮物的介質(zhì)，通常流量特性與等百分比相似。質(zhì)，通常流量特性與等百分比相似。 隔膜閥隔膜閥 用于強(qiáng)腐蝕性粘度高帶懸浮物或帶纖維的介質(zhì)，但不耐高溫用于強(qiáng)腐蝕性粘度高帶懸浮物或帶纖維的介質(zhì)，但不耐高溫和高壓。和高壓。三通閥三通閥 分三通合流閥和三通分流閥，適用于介質(zhì)三個(gè)方向的流通。分三通合流閥和三通分流閥，適用于介質(zhì)三個(gè)方向的流通。對(duì)于三個(gè)系統(tǒng)的分合流控制非常有效。對(duì)于三個(gè)系統(tǒng)的分合流控制非常有效。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)三、控制閥開閉(作用)形式的選擇 控制閥的開控制閥的開( (信號(hào)增大時(shí)閥開大信號(hào)增大時(shí)閥開大) )閉閉( (信號(hào)壓力增大閥關(guān)小信號(hào)壓力增大閥關(guān)小) )形式選擇

11、主要基于以下幾點(diǎn)考慮：形式選擇主要基于以下幾點(diǎn)考慮： 安全角度：安全角度：出現(xiàn)意外，保證人員、設(shè)備安全；出現(xiàn)意外，保證人員、設(shè)備安全； 質(zhì)量角度：出現(xiàn)意外事故，考慮產(chǎn)品質(zhì)量；質(zhì)量角度：出現(xiàn)意外事故，考慮產(chǎn)品質(zhì)量； 消耗角度：消耗角度：考慮考慮原料、成品及動(dòng)力原料、成品及動(dòng)力等的因素等的因素； 介質(zhì)特點(diǎn)：特殊介質(zhì)，考慮結(jié)晶、蒸發(fā)等因素；介質(zhì)特點(diǎn)：特殊介質(zhì)，考慮結(jié)晶、蒸發(fā)等因素； 控制閥作用方式的選擇要和控制器作用方式的選擇匹控制閥作用方式的選擇要和控制器作用方式的選擇匹配以滿足控制通道作用方向的要求。配以滿足控制通道作用方向的要求。正正反反p0p0正反反正p0p0氣關(guān)閥氣關(guān)閥 氣開閥氣開閥劉玉長(zhǎng)

12、劉玉長(zhǎng)控制閥開閉選擇之安全原則：控制閥開閉選擇之安全原則： 控制閥開閉形式的選擇主要從生產(chǎn)安全角度考控制閥開閉形式的選擇主要從生產(chǎn)安全角度考慮，一般在控制閥氣慮，一般在控制閥氣/電源中斷時(shí)，應(yīng)切斷進(jìn)入被控電源中斷時(shí)，應(yīng)切斷進(jìn)入被控設(shè)備的原料或熱源，停止向設(shè)備外輸出產(chǎn)品。設(shè)備的原料或熱源，停止向設(shè)備外輸出產(chǎn)品。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)四、控制閥口徑計(jì)算 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇是由調(diào)節(jié)閥流通能力調(diào)節(jié)閥的口徑選擇是由調(diào)節(jié)閥流通能力C(或稱流量系數(shù)或稱流量系數(shù))決定的。調(diào)節(jié)決定的。調(diào)節(jié)閥口徑的選擇實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)特定的工藝條件閥口徑的選擇實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)特定的工藝條件(即給定的介質(zhì)流量與物性參即給定的介質(zhì)流量與物性參數(shù)及閥

13、前后的壓差等數(shù)及閥前后的壓差等)進(jìn)行進(jìn)行Cmax值的計(jì)算，然后按調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目值的計(jì)算，然后按調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄，選出相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥口徑，使得通過調(diào)節(jié)閥的流量滿足工藝要求的最大流錄，選出相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥口徑，使得通過調(diào)節(jié)閥的流量滿足工藝要求的最大流量且留有一定的裕度，但裕度不宜過大。量且留有一定的裕度，但裕度不宜過大。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)第五節(jié) 控制器控制規(guī)律及作用方向的選擇一、控制器控制規(guī)律的選擇一、控制器控制規(guī)律的選擇 控制系統(tǒng)品質(zhì)主要取決于控制器控制作用的選擇。選擇控制系統(tǒng)品質(zhì)主要取決于控制器控制作用的選擇。選擇控制規(guī)律時(shí)，需根據(jù)對(duì)象特點(diǎn)以及控制要求來進(jìn)行?？刂埔?guī)律時(shí)，需根據(jù)對(duì)象特點(diǎn)以及

14、控制要求來進(jìn)行。 基本的控制作用主要有位式、比例基本的控制作用主要有位式、比例(P)、比例積分、比例積分(PI)、比例微分比例微分(PD)和比例積分微分和比例積分微分(PID)等幾種，下表列出了它們等幾種，下表列出了它們各自特點(diǎn)以及使用場(chǎng)合以供選擇。各自特點(diǎn)以及使用場(chǎng)合以供選擇。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)二、控制器正、反作用方式的選擇原則原則：使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)：使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)第六節(jié) 控制器參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定，就是確定控制器參數(shù)?？刂破骺刂破鲄?shù)整定，就是確定控制器參數(shù)?？刂破鲄?shù)的整定方法有參數(shù)的整定方法有理論計(jì)算整定法理論計(jì)算整定法【通過理論計(jì)算通過理論計(jì)算(微分方程、頻率特性

15、、根軌跡法等微分方程、頻率特性、根軌跡法等)求取控制器參數(shù)求取控制器參數(shù)】和和工程整定法工程整定法【從工程的實(shí)際出發(fā)，直接在控制系統(tǒng)從工程的實(shí)際出發(fā)，直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行整定中進(jìn)行整定】?jī)煞N。兩種。 工程上主要采用工程整定工程上主要采用工程整定線線法（法（經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例帶法、衰減曲線法、響應(yīng)曲法界比例帶法、衰減曲線法、響應(yīng)曲法 ）。）。劉玉長(zhǎng)劉玉長(zhǎng)PID參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線波