化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)

控制器操縱變量被控變量測量元件變送器控制閥對象給定值x偏差e控制器輸出pqy測量值z_干擾作用f控制器操縱變量被控變量測量元件控制閥對象給定值x偏差e控制1第六章簡單控制系統(tǒng)本章內(nèi)容簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則控制器參數(shù)的工程整定第六章簡單控制系統(tǒng)本章內(nèi)容簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)2由一個被控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）控制器操縱變量被控變量測量元件變送器控制閥對象給定值x偏差e控制器輸出pqy測量值z_干擾作用f由一個被控對象、一個測量變送器、一個控制3說明：在本系統(tǒng)中繪出的變送器LT及TT等，按自控設(shè)計規(guī)范，可以省略不畫，所以在本書以后的控制系統(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)，只是在畫圖時被省略罷了。說明：在本系統(tǒng)中繪出的變送器LT及TT等，按自控設(shè)計4圖7—3是簡單控制系統(tǒng)的典型方塊圖。簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象(簡稱對象)、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方塊圖來表示，這就便于對它們的共性進(jìn)行研究。圖7—3是簡單控制系統(tǒng)的典型方塊圖。5本章將介紹組成簡單控制系統(tǒng)的基本原則；被控變量及操縱變量的選擇；控制器控制規(guī)律的選擇及控制器參數(shù)的工程整定等。本章將介紹組成簡單控制系統(tǒng)的基本原則；被控6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。根據(jù)被控變量與生產(chǎn)過程的關(guān)系，可分為兩種類型的控制型式：直接指標(biāo)控制與間接指標(biāo)控制。一、被控變量的選擇生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值(或按一定規(guī)7直接指標(biāo)控制被控變量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)(溫度、壓力、流量、液位、成分等)；間接指標(biāo)控制如果工藝是按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行操作的，照理應(yīng)以產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量進(jìn)行控制，但有時缺乏各種合適的獲取質(zhì)量信號的檢測手段，或雖能檢測，但信號很微弱或滯后很大，這時可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量，如溫度、壓力等作為間接控制指標(biāo)。直接指標(biāo)控制間接指標(biāo)控制8化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)9化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)10在二元系統(tǒng)的精餾中，當(dāng)氣液兩相并存時，塔頂易揮發(fā)組分的濃度xD、塔頂溫度TD、壓力p三者之間有一定的關(guān)系。當(dāng)壓力恒定時，組分xD和溫度TD之間存在有單值對應(yīng)的關(guān)系。在二元系統(tǒng)的精餾中，當(dāng)氣液兩相并存時，塔頂易11化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)12化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)13由此可見，在組分、溫度、壓力三個變量中，只要固定溫度或壓力中的一個，另一個變量就可以代替xD作為被控變量。在溫度和壓力中，究竟應(yīng)選哪一個參數(shù)作為被控變量呢?由此可見，在組分、溫度、壓力三個變量中，只要固定溫度14第一在精餾塔操作中，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(jì)性。如塔壓波動，就會破壞原來的汽液平衡，影響相對揮發(fā)度，使塔處于不良工況。同時、隨著塔壓的變化，往往還會引起與之相關(guān)的其他物料量的變化，影響塔的物料平衡，引起負(fù)荷的波動。

從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。第一在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔15由此可見，固定壓力，選擇溫度作為被控變量是可能的，也是合理的。第二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。由此可見，固定壓力，選擇溫度作為被控變量是可能的，也16在選擇被控變量時，還必須使所選變量有足夠的靈敏度。在上例中，當(dāng)xD變化時，溫度TD的變化必須靈敏，有足夠大的變化，容易被測量元件所感受．且使相應(yīng)的測量儀表比較簡單、便宜。在選擇被控變量時，還必須使所選變量有足夠的靈敏度。在17此外，還要考慮簡單控制系統(tǒng)被控變量間的獨立性。假如在精餾操作中，塔頂和塔底的產(chǎn)品純度都需要控制在規(guī)定的數(shù)值，則在塔頂溫度與塔底溫度之間互相影響，存在關(guān)聯(lián)問題。因此，以兩個簡單控制系統(tǒng)分別控制塔頂溫度與塔底溫度，勢必造成相互干擾。使兩個系統(tǒng)都不能正常工作。所以采用簡單控制系統(tǒng)時，通常只能保證塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量。工藝要求保證塔頂產(chǎn)品質(zhì)量，則選塔頂溫度為被控變量；若工藝要求保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量，則選塔底溫度為被控變量。如果工藝要求塔頂和塔底產(chǎn)品純度都要保證，則通常需要組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，增加解耦裝置，解決相互關(guān)聯(lián)問題。此外，還要考慮簡單控制系統(tǒng)被控變量間的獨立性。18化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)19被控變量的選擇原則選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。⑴滿足工藝的合理性⑵具有盡可能大的靈敏度且線形好⑶測量變送裝置的滯后小。被控變量的選擇原則選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運行20

1、操縱變量在自動控制系統(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。二、操縱變量的選擇1、操縱變量二、操縱變量的選擇21被控變量（輸出量）擾動變量（輸入量）操縱變量（輸入量）從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)被控變量（輸出量）操縱變量（輸入量）從諸22化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)23根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板(一般為溫度變化最靈敏的板，稱為靈敏板)的溫度作為被控變量。那么，自動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是通過維持靈敏板上溫度恒定，來保證塔底產(chǎn)品的成分滿足工藝要求。根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板(一般為溫24這些影響因素可分為兩大類，即可控的和不可控的。從工藝角度看，本例中只有回流量和蒸汽流量為可控因素，其他一般為不可控因素。在兩個可控因素中．蒸汽流量對提餾段溫度影響比起回流量對提餾段溫度影響來說更及時、更顯著。同時，從節(jié)能角度來講，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小，所以通常應(yīng)選擇蒸汽流量作為操縱變量。這些影響因素可分為兩大類，即可控的和不可控的。252、對象特性對選擇操縱變量的影響在諸多影響被控變量的因素中，一旦選擇了其中一個作為操縱變量，那么其余的影響因素都成了干擾變量。操縱變量與干擾變量作用在對象上，都會引起被控變量變化的。2、對象特性對選擇操縱變量的影響在諸多影響被26對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ干擾通道放大倍數(shù)為ＫfＫＯ的大小表征了操縱變量對被控變量的影響程度Ｋf的大小表征了干擾對被控變量的影響程度小結(jié)：選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，干擾通道的放大倍數(shù)Ｋf越小越好，控制通道放大倍數(shù)ＫＯ希望適當(dāng)大些，以使控制通道靈敏些。對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ小結(jié)：27對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設(shè):干擾通道時間常數(shù)為Ｔf，純滯后為τf

對干擾通道特性的影響ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設(shè):干擾通道時間常數(shù)為Ｔ28對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）設(shè)：控制通道的時間常數(shù)為Ｔo，純滯后時間為τo時間常數(shù)ＴO(shè)小，反映靈敏，控制及時，有利于克服干擾的影響時間常數(shù)ＴO(shè)過大，造成控制作用遲緩，使被控變量的超調(diào)量加大，過渡時間增長純滯后時間τ0使操縱變量對被控變量的作用推遲了一段時間，由于控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過渡過程振蕩加劇，過渡時間增長，控制質(zhì)量變壞。對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）設(shè)：控制通道的時間常數(shù)為Ｔ29要構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大放大系數(shù)、比較小的時間常數(shù)及盡可能小的純滯后時間。系統(tǒng)主要干擾通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時間常數(shù)和盡可能小的放大系數(shù)?？紤]工藝上的合理性。如生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。操縱變量的選擇原則操縱變量的選擇原則30三、測量元件特性的影響控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e給定值被控變量 -干擾三、測量元件特性的影響控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e給31測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)。測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是321、測量元件的時間常數(shù)測量元件時間常數(shù)對測量的影響1、測量元件的時間常數(shù)測量元件時間常數(shù)對測量的影響33因此，控制系統(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，例如用快速熱電偶代替工業(yè)用普通熱電偶或溫包。必要時也可以在測量元件之后引入微分作用。利用它的超前作用來補(bǔ)償測量元件引起的動態(tài)誤差。因此，控制系統(tǒng)中的測量元件時間常數(shù)不能太大，最342、測量元件的純滯后當(dāng)測量存在純滯后時，也和對象控制通道存在純滯后一樣，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。2、測量元件的純滯后當(dāng)測量存在純滯后時，也35、

為主管道，分管道的長度為主管道，分管道流體的流速測量元件的安裝位置、為主管道，分管道的長度為主管道，分管道流體的流速測量36目前，以物性作為被控變量時往往都有類似問題，這時引入微分作用是徒勞的、加得不好，反而會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以在測量元件的安裝上，一定要注意盡量減小純滯后。對于大純滯后的系統(tǒng)，簡單控制系統(tǒng)往往是無法滿足控制要求的，須采用復(fù)雜控制系統(tǒng)。目前，以物性作為被控變量時往往都有類似問題，這373、信號的傳送滯后信號傳送滯后通常包括測量信號傳送滯后和控制信號傳送滯后兩部分。3、信號的傳送滯后信號傳送滯后通常包括測量38是指由現(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。測量信號傳送滯后是指由控制室內(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。控制信號傳送滯后是指由現(xiàn)場測量變送裝置的信號傳送到控制室的控制39盡可能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號管路長度不超過300m，管徑應(yīng)大于６mm?；蛟跉饴?0m距離間加氣動繼動器，提高氣信號傳輸功率，減小傳輸時間。采用氣-電、電-氣轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換傳遞，或用閥門定位器等。信號傳遞過程中引起的滯后克服傳遞滯后采取以下措施：盡可能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號管路長度不超過30040四、控制器控制規(guī)律的選擇1、控制器控制規(guī)律的確定廣義對象控制器被控變量四、控制器控制規(guī)律的選擇1、控制器控制規(guī)律的確定廣義對象41目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律：P、PI和PID。選擇哪種控制規(guī)律主要是根據(jù)廣義對象的特性和工藝的要求來決定的。目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律：P、PI42（1）比例控制器比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器，它的輸出p與輸入偏差e之間的關(guān)系為：比例控制器的可調(diào)整參數(shù)是Kp或比例度δ，對于單元組合儀表來說。它們的關(guān)系為：（1）比例控制器比例控制器是具有比例控制規(guī)律43比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時、過渡時間短。比例控制器的特點純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時、過渡時44比例控制器適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)，例如中間貯槽的液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)等。比例控制器的應(yīng)用場合比例控制器適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝45（2）比例積分控制器比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。它的輸出p與輸人偏差e的關(guān)系為：比例積分控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)Kp(或比例度δ)和積分時間TI。（2）比例積分控制器比例積分控制器是具46過渡過程結(jié)束時是無余差，這是它的顯著優(yōu)點。加上積分作用，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。比例積分控制器的特點過渡過程結(jié)束時是無余差，這是它的顯著優(yōu)點。比47比例積分控制器的應(yīng)用場合比例積分控制器是使用最普遍的控制器。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。例如流量、壓力和要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，常采用比例積分控制器。比例積分控制器的應(yīng)用場合比例積分控制器是使用最普遍的48（3）比例積分微分控制器比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，輸出p與輸入偏差e之間具有下列關(guān)系：比例積分微分控制器的可調(diào)整參數(shù)Kp(比例度δ)、TI和TD。（3）比例積分微分控制器比例積分微分控制器49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δ、TI、TD三個參數(shù)、可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。比例積分微分控制器的特點微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度50比例積分微分控制器適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。對于滯后很小或噪聲嚴(yán)重的系統(tǒng)，應(yīng)避免引人微分作用，否則會由于被控變量的快速變化引起控制作用的大幅度變化，嚴(yán)重時會導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例積分微分控制器的應(yīng)用場合比例積分微分控制器適用于容量滯后較大、負(fù)荷變51化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)522、控制器正、反作用的確定控制器執(zhí)行器對象測量變送器 e被控變量 -給定值作用方向：就是指輸入變化后，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，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時、輸出減少的稱“反作用”方向。2、控制器正、反作用的確定控制器執(zhí)行器對象測量變送器 e被控53對于執(zhí)行器，它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。氣開閥是“正”方向。氣關(guān)閥是“反”方向。執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)型式主要應(yīng)從工藝安全角度來確定?？刂破鲌?zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值對于執(zhí)行器，它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。氣54對于被控對象的作用方向，則隨具體對象的不同而各不相同。當(dāng)操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”的。反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”的?？刂破鲌?zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值對于被控對象的作用方向，則隨具體對象的不同55控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值56對于控制器的作用方向是這樣規(guī)定的：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(或給定值減小)時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向?？刂破鲌?zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值對于控制器的作用方向是這樣規(guī)定的：當(dāng)給定值57化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)58化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)59控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值60五、控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)整定-----對已定的控制系統(tǒng)求取保證控制過程質(zhì)量為最好的控制器參數(shù)（比例度δ、積分時TI、微分時間TD）五、控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)整定-----對已定的控制61控制器的參數(shù)整定方法理論計算參數(shù)整定法——已知廣義對象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)系統(tǒng)的各項質(zhì)量指標(biāo)要求，通過計算確定相應(yīng)的PID參數(shù)。工程整定法——條件：在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中進(jìn)行。1）臨界比例度法2）衰減曲線法3）經(jīng)驗湊數(shù)法控制器的參數(shù)整定方法62方法一：臨界比例度法在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，將控制器變?yōu)榧儽壤饔茫磳I放到“∞”位置上，TD放在“0”位置上，在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩（即臨界振蕩）。方法一：臨界比例度法在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，將控制器變?yōu)?3控制器參數(shù)控制規(guī)律δ(%)TI(min)TD(min)P2δKPI2.2δKTk/1.2PID1.6δK0.5Tk0.25TI臨界振蕩整定計算公式控制器參數(shù)δ(%)TI(min)TD(m64方法二：衰減曲線法衰減曲線法控制器參數(shù)計算表控制器參數(shù)控制規(guī)律δ(%)TI(min)TD(min)PδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS方法在純比例作用下，由大到小調(diào)整比例度以得到具有衰減比（4：1）的過渡過程，記下此時的比例度δS及振蕩周期TS，根據(jù)經(jīng)驗公式，求出相應(yīng)的積分時間TI和微分時間TD。方法二：衰減曲線法衰減曲線法控制器參數(shù)計算表控制器65方法三：經(jīng)驗湊數(shù)法（長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的一種整定方法）方法根據(jù)經(jīng)驗先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中通過改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形狀，以δ、TI、TD，對控制過程的規(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。方法三：經(jīng)驗湊數(shù)法（長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的一種整定方法）66系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度流量壓力液面20～6040～10030～7020～803～100.1～10.4～30.5～3系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度267化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)68化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)69化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)70化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)71化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)72化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)73化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)74化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)75化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)76化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)77化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)78化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)79化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)80化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)81化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)82化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)83

控制器操縱變量被控變量測量元件變送器控制閥對象給定值x偏差e控制器輸出pqy測量值z_干擾作用f控制器操縱變量被控變量測量元件控制閥對象給定值x偏差e控制84第六章簡單控制系統(tǒng)本章內(nèi)容簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則控制器參數(shù)的工程整定第六章簡單控制系統(tǒng)本章內(nèi)容簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)85由一個被控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）控制器操縱變量被控變量測量元件變送器控制閥對象給定值x偏差e控制器輸出pqy測量值z_干擾作用f由一個被控對象、一個測量變送器、一個控制86說明：在本系統(tǒng)中繪出的變送器LT及TT等，按自控設(shè)計規(guī)范，可以省略不畫，所以在本書以后的控制系統(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)，只是在畫圖時被省略罷了。說明：在本系統(tǒng)中繪出的變送器LT及TT等，按自控設(shè)計87圖7—3是簡單控制系統(tǒng)的典型方塊圖。簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象(簡稱對象)、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方塊圖來表示，這就便于對它們的共性進(jìn)行研究。圖7—3是簡單控制系統(tǒng)的典型方塊圖。88本章將介紹組成簡單控制系統(tǒng)的基本原則；被控變量及操縱變量的選擇；控制器控制規(guī)律的選擇及控制器參數(shù)的工程整定等。本章將介紹組成簡單控制系統(tǒng)的基本原則；被控89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。根據(jù)被控變量與生產(chǎn)過程的關(guān)系，可分為兩種類型的控制型式：直接指標(biāo)控制與間接指標(biāo)控制。一、被控變量的選擇生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值(或按一定規(guī)90直接指標(biāo)控制被控變量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)(溫度、壓力、流量、液位、成分等)；間接指標(biāo)控制如果工藝是按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行操作的，照理應(yīng)以產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量進(jìn)行控制，但有時缺乏各種合適的獲取質(zhì)量信號的檢測手段，或雖能檢測，但信號很微弱或滯后很大，這時可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量，如溫度、壓力等作為間接控制指標(biāo)。直接指標(biāo)控制間接指標(biāo)控制91化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)92化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)93在二元系統(tǒng)的精餾中，當(dāng)氣液兩相并存時，塔頂易揮發(fā)組分的濃度xD、塔頂溫度TD、壓力p三者之間有一定的關(guān)系。當(dāng)壓力恒定時，組分xD和溫度TD之間存在有單值對應(yīng)的關(guān)系。在二元系統(tǒng)的精餾中，當(dāng)氣液兩相并存時，塔頂易94化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)95化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)96由此可見，在組分、溫度、壓力三個變量中，只要固定溫度或壓力中的一個，另一個變量就可以代替xD作為被控變量。在溫度和壓力中，究竟應(yīng)選哪一個參數(shù)作為被控變量呢?由此可見，在組分、溫度、壓力三個變量中，只要固定溫度97第一在精餾塔操作中，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(jì)性。如塔壓波動，就會破壞原來的汽液平衡，影響相對揮發(fā)度，使塔處于不良工況。同時、隨著塔壓的變化，往往還會引起與之相關(guān)的其他物料量的變化，影響塔的物料平衡，引起負(fù)荷的波動。

從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。第一在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔98由此可見，固定壓力，選擇溫度作為被控變量是可能的，也是合理的。第二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。由此可見，固定壓力，選擇溫度作為被控變量是可能的，也99在選擇被控變量時，還必須使所選變量有足夠的靈敏度。在上例中，當(dāng)xD變化時，溫度TD的變化必須靈敏，有足夠大的變化，容易被測量元件所感受．且使相應(yīng)的測量儀表比較簡單、便宜。在選擇被控變量時，還必須使所選變量有足夠的靈敏度。在100此外，還要考慮簡單控制系統(tǒng)被控變量間的獨立性。假如在精餾操作中，塔頂和塔底的產(chǎn)品純度都需要控制在規(guī)定的數(shù)值，則在塔頂溫度與塔底溫度之間互相影響，存在關(guān)聯(lián)問題。因此，以兩個簡單控制系統(tǒng)分別控制塔頂溫度與塔底溫度，勢必造成相互干擾。使兩個系統(tǒng)都不能正常工作。所以采用簡單控制系統(tǒng)時，通常只能保證塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量。工藝要求保證塔頂產(chǎn)品質(zhì)量，則選塔頂溫度為被控變量；若工藝要求保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量，則選塔底溫度為被控變量。如果工藝要求塔頂和塔底產(chǎn)品純度都要保證，則通常需要組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，增加解耦裝置，解決相互關(guān)聯(lián)問題。此外，還要考慮簡單控制系統(tǒng)被控變量間的獨立性。101化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)102被控變量的選擇原則選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。⑴滿足工藝的合理性⑵具有盡可能大的靈敏度且線形好⑶測量變送裝置的滯后小。被控變量的選擇原則選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運行103

1、操縱變量在自動控制系統(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。二、操縱變量的選擇1、操縱變量二、操縱變量的選擇104被控變量（輸出量）擾動變量（輸入量）操縱變量（輸入量）從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)被控變量（輸出量）操縱變量（輸入量）從諸105化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)106根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板(一般為溫度變化最靈敏的板，稱為靈敏板)的溫度作為被控變量。那么，自動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是通過維持靈敏板上溫度恒定，來保證塔底產(chǎn)品的成分滿足工藝要求。根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板(一般為溫107這些影響因素可分為兩大類，即可控的和不可控的。從工藝角度看，本例中只有回流量和蒸汽流量為可控因素，其他一般為不可控因素。在兩個可控因素中．蒸汽流量對提餾段溫度影響比起回流量對提餾段溫度影響來說更及時、更顯著。同時，從節(jié)能角度來講，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小，所以通常應(yīng)選擇蒸汽流量作為操縱變量。這些影響因素可分為兩大類，即可控的和不可控的。1082、對象特性對選擇操縱變量的影響在諸多影響被控變量的因素中，一旦選擇了其中一個作為操縱變量，那么其余的影響因素都成了干擾變量。操縱變量與干擾變量作用在對象上，都會引起被控變量變化的。2、對象特性對選擇操縱變量的影響在諸多影響被109對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ干擾通道放大倍數(shù)為ＫfＫＯ的大小表征了操縱變量對被控變量的影響程度Ｋf的大小表征了干擾對被控變量的影響程度小結(jié)：選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，干擾通道的放大倍數(shù)Ｋf越小越好，控制通道放大倍數(shù)ＫＯ希望適當(dāng)大些，以使控制通道靈敏些。對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ小結(jié)：110對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設(shè):干擾通道時間常數(shù)為Ｔf，純滯后為τf

對干擾通道特性的影響ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設(shè):干擾通道時間常數(shù)為Ｔ111對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）設(shè)：控制通道的時間常數(shù)為Ｔo，純滯后時間為τo時間常數(shù)ＴO(shè)小，反映靈敏，控制及時，有利于克服干擾的影響時間常數(shù)ＴO(shè)過大，造成控制作用遲緩，使被控變量的超調(diào)量加大，過渡時間增長純滯后時間τ0使操縱變量對被控變量的作用推遲了一段時間，由于控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過渡過程振蕩加劇，過渡時間增長，控制質(zhì)量變壞。對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）設(shè)：控制通道的時間常數(shù)為Ｔ112要構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大放大系數(shù)、比較小的時間常數(shù)及盡可能小的純滯后時間。系統(tǒng)主要干擾通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時間常數(shù)和盡可能小的放大系數(shù)?？紤]工藝上的合理性。如生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。操縱變量的選擇原則操縱變量的選擇原則113三、測量元件特性的影響控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e給定值被控變量 -干擾三、測量元件特性的影響控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e給114測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)。測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是1151、測量元件的時間常數(shù)測量元件時間常數(shù)對測量的影響1、測量元件的時間常數(shù)測量元件時間常數(shù)對測量的影響116因此，控制系統(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，例如用快速熱電偶代替工業(yè)用普通熱電偶或溫包。必要時也可以在測量元件之后引入微分作用。利用它的超前作用來補(bǔ)償測量元件引起的動態(tài)誤差。因此，控制系統(tǒng)中的測量元件時間常數(shù)不能太大，最1172、測量元件的純滯后當(dāng)測量存在純滯后時，也和對象控制通道存在純滯后一樣，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。2、測量元件的純滯后當(dāng)測量存在純滯后時，也118、

為主管道，分管道的長度為主管道，分管道流體的流速測量元件的安裝位置、為主管道，分管道的長度為主管道，分管道流體的流速測量119目前，以物性作為被控變量時往往都有類似問題，這時引入微分作用是徒勞的、加得不好，反而會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以在測量元件的安裝上，一定要注意盡量減小純滯后。對于大純滯后的系統(tǒng)，簡單控制系統(tǒng)往往是無法滿足控制要求的，須采用復(fù)雜控制系統(tǒng)。目前，以物性作為被控變量時往往都有類似問題，這1203、信號的傳送滯后信號傳送滯后通常包括測量信號傳送滯后和控制信號傳送滯后兩部分。3、信號的傳送滯后信號傳送滯后通常包括測量121是指由現(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。測量信號傳送滯后是指由控制室內(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?？刂菩盘杺魉蜏笫侵赣涩F(xiàn)場測量變送裝置的信號傳送到控制室的控制122盡可能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號管路長度不超過300m，管徑應(yīng)大于６mm。或在氣路60m距離間加氣動繼動器，提高氣信號傳輸功率，減小傳輸時間。采用氣-電、電-氣轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換傳遞，或用閥門定位器等。信號傳遞過程中引起的滯后克服傳遞滯后采取以下措施：盡可能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號管路長度不超過300123四、控制器控制規(guī)律的選擇1、控制器控制規(guī)律的確定廣義對象控制器被控變量四、控制器控制規(guī)律的選擇1、控制器控制規(guī)律的確定廣義對象124目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律：P、PI和PID。選擇哪種控制規(guī)律主要是根據(jù)廣義對象的特性和工藝的要求來決定的。目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律：P、PI125（1）比例控制器比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器，它的輸出p與輸入偏差e之間的關(guān)系為：比例控制器的可調(diào)整參數(shù)是Kp或比例度δ，對于單元組合儀表來說。它們的關(guān)系為：（1）比例控制器比例控制器是具有比例控制規(guī)律126比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時、過渡時間短。比例控制器的特點純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時、過渡時127比例控制器適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)，例如中間貯槽的液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)等。比例控制器的應(yīng)用場合比例控制器適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝128（2）比例積分控制器比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。它的輸出p與輸人偏差e的關(guān)系為：比例積分控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)Kp(或比例度δ)和積分時間TI。（2）比例積分控制器比例積分控制器是具129過渡過程結(jié)束時是無余差，這是它的顯著優(yōu)點。加上積分作用，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。比例積分控制器的特點過渡過程結(jié)束時是無余差，這是它的顯著優(yōu)點。比130比例積分控制器的應(yīng)用場合比例積分控制器是使用最普遍的控制器。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。例如流量、壓力和要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，常采用比例積分控制器。比例積分控制器的應(yīng)用場合比例積分控制器是使用最普遍的131（3）比例積分微分控制器比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，輸出p與輸入偏差e之間具有下列關(guān)系：比例積分微分控制器的可調(diào)整參數(shù)Kp(比例度δ)、TI和TD。（3）比例積分微分控制器比例積分微分控制器132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δ、TI、TD三個參數(shù)、可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。比例積分微分控制器的特點微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度133比例積分微分控制器適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。對于滯后很小或噪聲嚴(yán)重的系統(tǒng)，應(yīng)避免引人微分作用，否則會由于被控變量的快速變化引起控制作用的大幅度變化，嚴(yán)重時會導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例積分微分控制器的應(yīng)用場合比例積分微分控制器適用于容量滯后較大、負(fù)荷變134化工儀表及自動化課件第六章-簡單控制系統(tǒng)1352、控制器正、反作用的確定控制器執(zhí)行器對象測量變送器 e被控變量 -給定值作用方向：就是指輸入變化后，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，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時、輸出減少的稱“反作用”方向。2、控制器正、反作用的確定控制器執(zhí)行器對象測量變送器 e被控136對于執(zhí)行器，它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。氣開閥是“正”方向。氣關(guān)閥是“反”方向。執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)型式主要應(yīng)從工藝安全角度來確定?？刂破鲌?zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值對于執(zhí)行器，它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。氣137對于被控對象的作用方向，則隨具體對象的不同而各不相同。當(dāng)操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”的。反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”的。控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值對于被控對象的作用方向，則隨具體對象的不同138控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值控制器執(zhí)行器對象測量變送裝置 e被控變量 -給定值139對于控制器的作用方向是這樣