第六章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)(化工專)

第六章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定第一節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)：由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。圖6-1液位控制系統(tǒng)圖6-2溫度控制系統(tǒng)載熱體冷流體換熱器圖6-3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖

ezxP執(zhí)行器該系統(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(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行控制的

第六章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方框圖

ezxP執(zhí)行器一、被控變量的選擇；二、操縱變量的選擇；三、測(cè)量元件特性的影響；四、控制器控制規(guī)律的選擇;所謂“關(guān)鍵”變量：是指對(duì)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變量；或者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。

1.采用直接指標(biāo)控制直接指標(biāo)控制：被控變量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（壓力、流量、物位、溫度等）直接指標(biāo)控制最直接，最有效。一、被控變量的選擇被控變量：希望保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量

圖6-4精餾塔流程圖回流罐冷凝器頂采出進(jìn)料蒸汽苯甲苯2.采用間接指標(biāo)控制1）精餾原理

2）精餾塔對(duì)自控的要求要求苯、甲苯達(dá)到一定的純度，因此，餾出物的組分濃度xD應(yīng)作為被控變量。

xD為被控變量，獲取測(cè)量信號(hào)尚有困難時(shí)，可以找出與xD有關(guān)的參數(shù)作為被控變量，進(jìn)行間接指標(biāo)控制。選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量作為間接控制指標(biāo)

利用被分離物各組分的揮發(fā)度不同，把混合物中的各組分進(jìn)行分離

3）找出與XD有關(guān)的參數(shù)XD=f（TD，p）（濃度與溫度和壓力有關(guān)）①當(dāng)壓力恒定時(shí)，即p=常數(shù)XD=f（TD）如圖所示XD↑溫度越低TD↓

XD↓溫度越高TD↑

測(cè)出溫度可以知道濃度。②當(dāng)溫度恒定時(shí)，即TD=常數(shù)XD=f（p）

如圖所示

XD↑壓力越高

P↑

XD↓壓力越低

P↓測(cè)出壓力可以知道濃度。4）考慮工藝的合理性精餾塔流程圖回流罐冷凝器頂采出進(jìn)料蒸汽TCTT結(jié)論：固定壓力，選擇溫度為被控變量。5）考慮被控變量的靈敏度。6）考慮被控變量間的獨(dú)立性。選擇被控變量的原則(1).能代表工藝的操作指標(biāo)，能反映工藝操作狀態(tài)。(2).被控變量在操作過(guò)程中經(jīng)常受到干擾影響，需要頻繁控制的。(3).盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)直接指標(biāo)無(wú)法獲得時(shí)，應(yīng)選與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。(4).

被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來(lái)，并有足夠大的靈敏度。(5).考慮工藝過(guò)程的合理性及儀表的現(xiàn)狀。(6).被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。二、操縱變量的選擇干擾作用對(duì)被控變量的影響是使其偏離給定值。操縱變量則是要克服干擾對(duì)被控變量的影響。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方框圖

ezxP執(zhí)行器1.操縱變量圖6-1液位控制系統(tǒng)圖6-2溫度控制系統(tǒng)載熱體冷流體換熱器操縱變量是執(zhí)行器所控制的參數(shù)。實(shí)現(xiàn)控制作用。最常見(jiàn)的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。被控變量對(duì)象

干擾干擾通道操縱變量控制通道圖6-9干擾通道與控制通道的關(guān)系2.對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響

干擾變量由干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。(1)對(duì)象靜態(tài)特性的影響放大系數(shù)K0，Kf，是對(duì)象的靜態(tài)參數(shù)。①控制通道的放大系數(shù)

K0：希望K0值大一些好,

K0越大,表示控制作用靈敏,抑制干擾的能力越強(qiáng)。但K0太大會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。干擾操縱變量被控變量KfK0②干擾通道的放大系數(shù)

Kf：

Kf無(wú)論大、小對(duì)被控變量的質(zhì)量都有害，

希望Kf盡可能小。（2）對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的影響①控制通道時(shí)間常數(shù)T0

的影響T0太大或太小都不利于提高控制質(zhì)量?？刂仆ǖ廊绻且浑A環(huán)節(jié)，T0小，控制就靈敏。但太小，控制作用過(guò)于靈敏易引起控制過(guò)程震蕩，而不穩(wěn)定?？刂仆ǖ廊绻嵌A環(huán)節(jié)，T0大，控制作用就反應(yīng)遲鈍,過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，控制作用就弱。希望T0適當(dāng)小，有利于克服干擾,縮短過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。③干擾通道時(shí)間常數(shù)

Tf對(duì)控制質(zhì)量的影響Tf越大，對(duì)被控變量影響越小。如果控制通道τ0大，那么T0也大。因此，對(duì)象較難控制.純滯后時(shí)間τ0應(yīng)盡量小。tyBAED圖6-10純滯后τ0對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道小為好②

控制通道滯后時(shí)間

τ0的影響tf如圖

并不起作用。被控變量只是推遲

時(shí)間變化。④干擾通道滯后時(shí)間τf對(duì)控制質(zhì)量的影響ty有純滯后無(wú)純滯后ty小結(jié)：(3).τ0越小越好,τf對(duì)被控變量無(wú)影響。

(2).T0適當(dāng)小，Tf越大越好；(1).K0適當(dāng)大，Kf越小越好；3.操縱變量的選擇原則(1).操縱變量是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。(2).操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。

(3).考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。一般避免用生產(chǎn)負(fù)荷作為操縱變量。冷氣流量干燥塔

舉例將濃縮乳液干燥成乳粉，生產(chǎn)上采用噴霧式干燥設(shè)備。在一定的干燥溫度下獲得合格產(chǎn)品。冷氣流量分析一下影響干燥塔溫度的因素。1.乳化物流量Q1的改變將影響干燥塔溫度。2.冷風(fēng)量Q2的變化影響干燥塔溫度。3.蒸汽流量Q3的變化,影響干燥塔溫度。Q1Q2Q3蒸汽壓力的變化將引起干燥塔溫度。第一種方案：乳化物流量Q1為操縱變量考慮工藝的合理性。乳化物流量是生產(chǎn)負(fù)荷，需要穩(wěn)定，不易作操縱變量。根據(jù)操縱變量選擇原則進(jìn)行分析：蒸汽產(chǎn)品第二種方案：空氣流量Q2為操縱變量空氣量與熱風(fēng)混合通過(guò)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，較第一方案控制通道滯后時(shí)間稍大,靈敏度次之。蒸汽產(chǎn)品第三種方案：蒸汽流量Q3為操縱變量控制通道很長(zhǎng)，純滯后、容量滯后大，靈敏度差。T0、τ0大，不易作操縱變量。蒸汽產(chǎn)品設(shè)計(jì)出以干燥器溫度為被控變量，冷空氣流量為操縱變量，溫度控制系統(tǒng)。TTTCQ1Q3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方框圖

ezxP執(zhí)行器第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、被控變量的選擇；二、操縱變量的選擇；三、測(cè)量元件特性的影響；四、控制器控制規(guī)律的選擇;1.測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)測(cè)量元件本身時(shí)間常數(shù)Tm所造成的測(cè)量滯后。（如測(cè)溫元件）解決方法：1）選擇快速測(cè)量元件（一般Tm<1/10TC為宜）；TC：對(duì)象時(shí)間常數(shù)2）正確選擇安裝位置；3）測(cè)量元件之后引入微分作用。(a)yzt參數(shù)t參數(shù)yz(c)t參數(shù)yz(b)三、測(cè)量元件特性的影響2.測(cè)量元件的純滯后測(cè)量的純滯后有時(shí)是由測(cè)量元件安裝位置引起的。1)合理選擇測(cè)量元件的安裝地點(diǎn)，盡可能縮短純滯后時(shí)間。2）采用復(fù)雜控制系統(tǒng)。解決方法：延遲時(shí)間τ0:

圖7-133.信號(hào)的傳遞滯后

1)測(cè)量信號(hào)傳送產(chǎn)生的滯后:指由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送裝置的信號(hào)傳送到控制室的控制器所引起的滯后。2)控制信號(hào)傳送產(chǎn)生的滯后:

指由控制室內(nèi)控制器的輸出信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所引起的滯后?？刂破?/p>

電氣轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)解決方法：1）氣壓信號(hào)管路不能超過(guò)300m，直徑不能小于6mm，或者用閥門定位器、氣動(dòng)繼動(dòng)器增大輸出功率；

2）現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的信號(hào)盡量采用電信號(hào)傳遞，必要時(shí)可用氣—電轉(zhuǎn)換器。第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、被控變量的選擇；二、操縱變量的選擇；三、測(cè)量元件特性的影響；四、控制器控制規(guī)律的選擇;四、控制器控制規(guī)律的選擇ezxP執(zhí)行器1.控制器控制規(guī)律的確定zxe廣義對(duì)象圖6-14簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖被控變量測(cè)量值對(duì)于單元組合儀表：特點(diǎn)：控制器的輸出與偏差成比例，克服干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，過(guò)程終了存在余差。(1)、比例控制器適用范圍：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，允許余差存在。(2)、比例積分控制器根據(jù)對(duì)象的特性和工藝要求來(lái)決定選擇P、PI、PID。特點(diǎn)：過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，超調(diào)量和振動(dòng)周期較大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。

適用范圍：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，不允許余差存在。(3)、比例積分微分控制器特點(diǎn)：微分作用能克服對(duì)象的滯后。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性、再加上積分作用能消除余差。適用范圍：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)。2.控制器正反作用的確定自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。即：被控變量值偏高，則控制作用應(yīng)使之降低；被控變量偏低，則控制作用應(yīng)使之升高。通過(guò)改變控制器的正、反作用，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的的閉環(huán)系統(tǒng)。定義各環(huán)節(jié)的作用方向：作用方向：指各環(huán)節(jié)輸入變化后，輸出的變化方向。輸入增加時(shí)，輸出增加，則稱為“正作用”；+輸入增加時(shí)，輸出減少的，則稱為“反作用”；-①測(cè)量變送器：

當(dāng)被控變量增加時(shí)，其輸出也增加。因此，測(cè)量變送器一般都是正作用方向，”+”③被控對(duì)象：當(dāng)操縱變量增加時(shí)，被控變量增加，則對(duì)象為“正作用”?！?”當(dāng)操縱變量增加時(shí)，被控變量降低，則對(duì)象為“反作用”?！?”

②執(zhí)行器：氣開(kāi)閥：

信號(hào)增大時(shí)，閥開(kāi)大,為正作用方向,用“+”號(hào)表示。氣關(guān)閥：

信號(hào)增大時(shí)，閥關(guān)小,為反作用方向,用“-”號(hào)表示。④控制器：控制器的輸出取決于于被控變量的測(cè)量值與給定值之差（e=z-x）。正作用控制器：

輸入偏差e增大時(shí),控制器輸出p增大,為正作用方向。用“+”號(hào)表示。反作用控制器：

輸入偏差e增大時(shí)，控制器輸出p減少,為反作用方向。用“-”號(hào)表示。如果①×②×③×④四項(xiàng)相乘為負(fù)值時(shí)，系統(tǒng)為負(fù)反饋。例：加熱爐出口溫度控制，確定控制器的正、反作用。1.對(duì)象：當(dāng)閥開(kāi)大時(shí),被控變量增大，作用方向?yàn)檎饔?，?”。4.控制器：選反作用的，”-”。3.變送器：選正作用，“+”。2.確定執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)：因爐溫不允許過(guò)高。所以一但信號(hào)中斷時(shí)閥應(yīng)關(guān)死（信號(hào)=0）。所以選氣開(kāi)閥?！?”6-15例：液位控制，確定控制器的正、反作用。

1.確定執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)：因塔釜液位不允許過(guò)低。所以一但信號(hào)中斷時(shí)閥應(yīng)關(guān)死（信號(hào)=0）,所以選氣開(kāi)閥。為“+”表示。2.變送器：選正作用，“+”。4.控制器：選正作用的,”+”。3.對(duì)象：當(dāng)閥開(kāi)大時(shí),被控變量減少,作用方向?yàn)榉醋饔?，?”。6-16第六章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定工程整定的方法有兩種:理論計(jì)算法和工程整定法。理論計(jì)算法:根據(jù)已知的廣義對(duì)象特性及控制質(zhì)量的要求,通過(guò)理論計(jì)算出控制器的最佳參數(shù)。工程整定法:在已經(jīng)投運(yùn)的實(shí)際控制系統(tǒng)中,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和探索,來(lái)確定控制器的最佳參數(shù)?？刂破鲄?shù)整定:確定最合適的δ、TI

和TD，使控制質(zhì)量為最佳。一、臨界比例度法1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔谩yte臨界振蕩過(guò)程TK2.在干擾作用下，從大到小逐漸改變控制器比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩（即臨界振蕩）這時(shí)的比例度是臨界比例度δk，周期為臨界周期Tk

。（Ti=∞，TD=0位置上）。3.記下δk、Tk，然后按表7-1中公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。

4.將計(jì)算的參數(shù)投入到儀表中。然后看調(diào)節(jié)曲線，調(diào)參數(shù)。注意：①對(duì)于工藝上不允許有等幅振蕩的系統(tǒng)，不能使用。②對(duì)于臨界比例度小的系統(tǒng)，不能使用。表7-1臨界比例度法參數(shù)計(jì)算表控制作用比例度%積分時(shí)間Ti/min微分時(shí)間TD/min比例2比例+積分2.2比例+微分1.80.850.1比例+積分+微分1.70.50.125表7-1臨界比例度法參數(shù)計(jì)算表控制作用比例度%積分時(shí)間Ti/min微分時(shí)間TD/min比例2比例+積分2.2比例+微分1.80.850.1比例+積分+微分1.70.50.125表6-1臨界比例度法參數(shù)計(jì)算表控制作用比例度%積分時(shí)間Ti/min微分時(shí)間TD/min比例2比例+積分2.2比例+微分1.80.850.1比例+積分+微分1.70.50.125二、衰減曲線法通過(guò)使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來(lái)整定控制器參數(shù)值。具體作法：1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?。并將比例度放在較大的數(shù)值上；2.系統(tǒng)穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，

觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度直至出現(xiàn)4:1衰減為止，記下此時(shí)比例度δs,衰減周期Ts。6-21

表6-24:1衰減曲線控制器參數(shù)計(jì)算表/%/min/min比例比例+積分比例+積分+微分1.20.80.50.30.1控制作用3.根據(jù)表6-2中經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出控制器的整定值。4.如果是10:1衰減曲線，方法同上，得到10:1衰減曲線時(shí)，記