化工儀表及自動(dòng)化第6章

化工儀表及自動(dòng)化第七章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

任課教師：朱旭內(nèi)容提要簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)與組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被控變量的選擇操縱變量的選擇測(cè)量元件特性的影響控制器控制規(guī)律的選擇控制器參數(shù)的工程整定臨界比例度法衰減曲線法經(jīng)驗(yàn)湊試法1說(shuō)明第一節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)與組成2

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指由一個(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)。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(cè)量、變送環(huán)節(jié)，但要注意在實(shí)際的系統(tǒng)中總是存在這一環(huán)節(jié)，只是在畫圖時(shí)被省略罷了。3圖7-3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖從圖中可知

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)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(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。第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、被控變量的選擇4

生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)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。被控變量的界定

它們對(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；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)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)系）直接指標(biāo)控制；間接指標(biāo)控制。56圖7-4精餾過(guò)程示意圖1—精餾塔；2—蒸汽加熱器圖7-5苯-甲苯溶液的T-x圖圖7-6苯-甲苯溶液的p-x圖舉例從工藝合理性考慮，常常選擇作為被控變量。原因

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。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(duì)應(yīng)關(guān)系。所選變量有足夠的靈敏度。7溫度8選擇被控變量的原則（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(guò)程中較重要的變量。（2）被控變量在工藝操作過(guò)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）盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無(wú)法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量和變送信號(hào)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(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)，并具有足夠大的靈敏度。（5）選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。（6）被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。

9二、操縱變量的選擇101.操縱變量

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)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。操作變量系統(tǒng)的干擾通過(guò)工藝分析確定11舉例圖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。圖7-8影響提餾段溫度的各種因素示意圖影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有：進(jìn)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。通過(guò)工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。

12132.對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響圖7-9干擾通道與控制通道的關(guān)系

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

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，對(duì)象干擾通道的放大系數(shù)Kf小些。（2）對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的影響①控制通道時(shí)間常數(shù)的影響

控制通道的時(shí)間常數(shù)不能過(guò)大，否則會(huì)使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)。要求對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)T小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。1415②控制通道純滯后τ0的影響

控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時(shí)間。這樣造成的純滯后τO對(duì)控制質(zhì)量是有影響的。圖7-10所示為純滯后對(duì)控制質(zhì)量影響的示意圖。圖7-10純滯后τ0對(duì)控制質(zhì)量的影響

在選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使對(duì)象控制通道的純滯后時(shí)間τ0盡量小。16③干擾通道時(shí)間常數(shù)的影響

干擾通道的時(shí)間常數(shù)Tf越大，表示干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。④干擾通道純滯后τf的影響

如果干擾通道存在純滯后τf，控制作用也推遲了時(shí)間τf，使整個(gè)過(guò)渡過(guò)程曲線推遲了時(shí)間τf，要控制通道不存在純滯后，通常是不會(huì)影響控制質(zhì)量的，如圖7-11所示。圖7-11干擾通道純滯后τf的影響173.操縱變量的選擇原則①

操縱變量應(yīng)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

在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。三、測(cè)量元件特性的影響18

測(cè)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)。要求它能正確地、及時(shí)地反映被控變量的狀況。1.測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)圖7-12測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)的影響

測(cè)量元件，特別是測(cè)溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時(shí)間常數(shù)，易造成測(cè)量滯后。第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19

測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)越大，測(cè)量滯后現(xiàn)象愈加顯著?？刂葡到y(tǒng)中的測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)不能太大，最好選用惰性小的快速測(cè)量元件。當(dāng)測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)Tm小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)的1／10時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大。測(cè)量元件安裝是否正確，維護(hù)是否得當(dāng)，也會(huì)影響測(cè)量與控制。

結(jié)論202.測(cè)量元件的純滯后當(dāng)測(cè)量存在純滯后時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖7-13pH值控制系統(tǒng)示意圖有時(shí)，測(cè)量的純滯后是由于測(cè)量元件安裝位置引起的。延遲時(shí)間τ0

這一純滯后使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。213.信號(hào)的傳送滯后信號(hào)傳送滯后

測(cè)量信號(hào)傳送滯后

控制信號(hào)傳送滯后

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。

由控制室內(nèi)控制器的輸出控制信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所引起的滯后。信號(hào)的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。四、控制器控制規(guī)律的選擇221.控制器控制規(guī)律的確定圖7-14簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖（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。對(duì)于單元組合儀表適用于

控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒(méi)有提出無(wú)差要求的系統(tǒng)。第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制器的輸出與偏差成比例。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過(guò)渡時(shí)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(guò)渡過(guò)程終了時(shí)存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。特點(diǎn)2324（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?？烧{(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KP（或比例度δ）和積分時(shí)間TI。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)。第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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(huì)不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會(huì)使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時(shí)，可以通過(guò)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(guò)渡過(guò)程的時(shí)間也加長(zhǎng)。2526（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，常稱為三作用（PID）控制器。理想的三作用控制器，存在可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KP（或比例度δ）、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。特點(diǎn)

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(duì)克服對(duì)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參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。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、成分控制系統(tǒng)。2728

目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時(shí)具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時(shí)間TD置于０，就成了比例積分控制器，如果同時(shí)將積分時(shí)間TI置于無(wú)窮大，便成了比例控制器。注意！292.控制器正、反作用的確定

控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行與安全操作的重要問(wèn)題。要通過(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)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。作用的方向輸入變化后，輸出的變化方向。

正作用方向反作用方向當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向。當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，輸出減少的稱“反作用”方向。

測(cè)量元件及變送器作用方向一般是“正”的。執(zhí)行器作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。被控對(duì)象作用方向隨具體對(duì)象的不同而各不相同?？刂破?/p>

當(dāng)給定值不變，被控變量測(cè)量值增加時(shí)，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當(dāng)測(cè)量值不變，給定值減小時(shí)，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測(cè)量值增加時(shí)，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。3031

在一個(gè)安裝好的控制系統(tǒng)中，對(duì)象的作用方向由工藝機(jī)理可以確定，執(zhí)行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據(jù)對(duì)象及執(zhí)行器的作用方向來(lái)確定，以使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。結(jié)論32舉例一個(gè)簡(jiǎn)單的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。

對(duì)象加熱爐

操作變量燃料氣流量

被控變量被加熱的原料油出口溫度圖7-15加熱爐出口溫度控制第二節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)操縱變量燃料氣流量增加時(shí)，被控變量是增加的，故對(duì)象是“正”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(shí)關(guān)閉），以免當(dāng)氣源突然斷氣時(shí)，控制閥大開而燒壞爐子。那么這時(shí)執(zhí)行器便是“正”作用方向。為了保證由對(duì)象、執(zhí)行器與控制器所組成的系統(tǒng)是負(fù)反饋的，控制器就應(yīng)該選為“反”作用。3334圖7-16液位控制一個(gè)簡(jiǎn)單的液位控制系統(tǒng)

執(zhí)行器是“正”方向。對(duì)象是“反”方向?？刂破鳛椤罢狈较?。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(guò)改變控制器上的正、反作用開關(guān)自行選擇。一臺(tái)正作用的控制器，只要將其測(cè)量值與給定值的輸入線互換一下，就成了反作用的控制器。第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定一、臨界比例度法35控制器參數(shù)的整定

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δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。方法理論計(jì)算的方法和工程整定法。

幾種常用的工程整定法

先通過(guò)試驗(yàn)得到臨界比例度δk和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。36圖7-18臨界振蕩過(guò)程控制作用比例度/%積分時(shí)間TI/min微分時(shí)間TD/min比例比例+積分比例+微分比例+積分+微分2δk2.2δk1.8δk1.7δk0.85Tk0.5Tk0.1Tk0.125Tk表7-1臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表特點(diǎn)

比較簡(jiǎn)單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。對(duì)于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。對(duì)于工藝上不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)本方法亦不適用。二、衰減曲線法37通過(guò)使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來(lái)整定控制器的參數(shù)值。圖7-194∶1和10∶1衰減振蕩過(guò)程控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs比例+積分1.2δs0.5TS比例+積分+微分0.8δs

0.3TS0.1TS控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs′比例+積分1.2δs′2T升比例+積分+微分0.8δs′1.2T升0.4T升表7-24∶1衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表表7-310∶1衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表

在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，并將比例度預(yù)置在較大的數(shù)值上。在達(dá)到穩(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或10∶1衰減比為止。通過(guò)比例度δs和衰減周期TS,得到控制器的參數(shù)整定值。3839（1）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來(lái)定，一般為額定值的5％左右，也有例外的情況。（2）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的δS

、TS或δS′和T升值。（3）對(duì)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4∶1衰減曲線比較困難。一般以被控變量來(lái)回波動(dòng)兩次達(dá)到穩(wěn)定，就可以近似地認(rèn)為達(dá)到4∶1衰減過(guò)程了。注意！三、經(jīng)驗(yàn)湊試法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，直接在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，通過(guò)改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，運(yùn)用δ、TI、TD對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對(duì)比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程為止。40第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定41控制對(duì)象對(duì)象特征δ/%TI/minTD/min流量溫度壓力液位對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，參數(shù)有波動(dòng)，δ要大；TI要短；不用微分對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾候變化遲緩；δ應(yīng)?。籘I要長(zhǎng)；一般需加微分對(duì)象的容量滯后一般，不算大，一般不加微分對(duì)象時(shí)間常數(shù)范圍較大。要求不高時(shí)，δ可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分40～10020～6030～7020～800.3～13～100.4～30.5～3表7-4控制器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表整定的步驟（1）先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過(guò)渡過(guò)程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。關(guān)鍵看曲線，調(diào)參數(shù)。4243圖7-20三種振蕩曲線比較圖圖7-21比例度過(guò)大、積分時(shí)間過(guò)大時(shí)兩種曲線比較圖比例度過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)小或微分時(shí)間過(guò)大，產(chǎn)生的周期性激烈振蕩。如果比例度過(guò)大或積分時(shí)間過(guò)大，過(guò)渡過(guò)程變化緩慢的情形。44（2）先按表7-4中給出的范圍把TI定下來(lái)，如要引入微分作用，可取TD＝(1/3～1/4)TI，然后對(duì)δ進(jìn)行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。特點(diǎn)方法簡(jiǎn)單，適用于各種控制系統(tǒng)。特別是外界干擾作用頻繁，記錄曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)，采用此法最為合適。此法主要是靠經(jīng)驗(yàn)，在缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或過(guò)渡過(guò)程本身較慢時(shí)，往往較為費(fèi)時(shí)。

對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，不同的人采用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定，可能得出不同的參數(shù)值。在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，控制器的參數(shù)必須整定，才能獲得滿意的控制質(zhì)量。同時(shí)，在生產(chǎn)進(jìn)行的過(guò)程中，如果工藝操作條件改變，或負(fù)荷有很大變化，被控對(duì)象的特性就要改變，因此，控制器的參數(shù)必須重新整定。注意！4546ENDPage48of831、經(jīng)驗(yàn)試湊法的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。因此，必須弄清楚調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。一般來(lái)說(shuō)，在整定中，觀察到曲線振蕩很頻繁，需要把比例度

以減小振蕩；當(dāng)曲線最大偏差大且趨于非周期過(guò)程時(shí)，應(yīng)把比例度

。當(dāng)曲線波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)

積分時(shí)間；而在曲線偏離設(shè)定值后，長(zhǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需

積分時(shí)間，以加快消除余差的時(shí)間。如果曲線振蕩得厲害，則需把微分時(shí)間

，或者暫時(shí)

微分作用，以免更加振蕩。在曲線最大偏差大而衰減緩慢時(shí)，需

微分時(shí)間。經(jīng)過(guò)反復(fù)試湊，一直調(diào)整到過(guò)渡過(guò)程振蕩2個(gè)周期后基本達(dá)到穩(wěn)定。答：增加；減??；增加；減??；減到最??；取消；增加Page49of83選擇題1、已知某夾套反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)如下圖所示，反應(yīng)大量放熱。要求控制溫度為50℃，在供氣中斷時(shí)保證冷卻。試問(wèn)該控制系統(tǒng)中對(duì)象特性是（），為了構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)該選擇（）作用的控制器A、正、正B、正、反C、反、正D