第七章簡單控制系統(tǒng)

第七章簡單控制系統(tǒng)7.1簡單控制系統(tǒng)組成及分析本章內(nèi)容7.2簡單控制系統(tǒng)的設計7.3簡單控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定

簡單控制系統(tǒng)圖7-1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)被控變量：汽包液位過程（被控對象）：鍋爐汽包操縱變量：進水流量主要擾動：蒸汽量的變化簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）組成

由一個被控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機構（控制閥），所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。給水閥鍋爐汽包簡單控制系統(tǒng)的設計原則

被控變量的選擇(自動控制保持恒定值或按一定規(guī)律變化）

“關鍵”變量：對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)安全具有決定性作用。方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)作為被控變量，稱為直接參數(shù)法。例如溫度、壓力、液位、流量反映等生產(chǎn)工藝狀態(tài)的參數(shù)；方法二：選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對應關系、易于測量的參數(shù)作為被控變量，稱為間接參數(shù)法。例如組分（某物質(zhì)含量）、轉(zhuǎn)化率等。簡單控制系統(tǒng)的設計原則被控變量的選擇實例要正確選擇被控變量必須充分了解工藝過程、工藝特點及對控制的要求xDxw靈敏板簡單控制系統(tǒng)的設計原則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)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。2.當不能用直接參數(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性好；⑶測量變送裝置的滯后??；（4）被控變量應是獨立可控的；（5）必須考慮自動化儀表及裝置的現(xiàn)狀。簡單控制系統(tǒng)的設計原則操縱變量的選擇被控變量（輸出量）擾動變量（輸入量）操縱變量（輸入量）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。

操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；操縱變量應該是系統(tǒng)中所有干擾變量中的對被控變量影響最大的一個?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)Ｋ要盡量大一些，時間常數(shù)Ｔ適當小些，滯后時間盡量小；不宜選擇代表生產(chǎn)負荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動；工藝上的合理性和方便性。操縱變量的選取應遵循下列原則簡單控制系統(tǒng)的設計原則對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ；擾動通道放大倍數(shù)為Ｋf；ＫＯ的大小表征了操縱變量對被控變量的影響程度；Ｋf的大小表征了擾動對被控變量的影響程度。小結：選擇操縱變量構成控制系統(tǒng)時，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，擾動通道的放大倍數(shù)Ｋf越小越好，控制通道放大倍數(shù)ＫＯ希望適當大些，以使控制通道靈敏些。簡單控制系統(tǒng)的設計原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設:擾動通道時間常數(shù)為Ｔf，純滯后為τf

對擾動通道特性的影響

ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf簡單控制系統(tǒng)的設計原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）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。簡單控制系統(tǒng)的設計原則操縱變量的選擇原則⑴要構成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應具有足夠大的放大系數(shù)、比較小的時間常數(shù)及盡可能小的純滯后時間。⑵系統(tǒng)主要擾動通道特性應該具有盡可能大的時間常數(shù)和盡可能小的放大系數(shù)。⑶考慮工藝上的合理性。如生產(chǎn)負荷直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。測量變送問題—純滯后

簡單控制系統(tǒng)的設計原則電極酸槽LCACl1中和槽l2τ=、

為主管道，分管道的長度為主管道，分管道流體流速測量元件的安裝位置測量變送問題—測量元件的時間常數(shù)

簡單控制系統(tǒng)的設計原則被控變量選擇好之后，被控變量如何測量仍然有諸多因素需要考慮，以便更靈敏﹑更快速﹑更及時和更經(jīng)濟地測得被控變量．時間常數(shù)測量滯后簡單控制系統(tǒng)的設計原則測量變送問題----傳遞滯后⑴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；⑵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簡單控制系統(tǒng)的設計原則控制器控制規(guī)律的選擇原則1.對于一些對象控制通道滯后較小，負荷變化不大，工藝要求又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面，以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)；2.對象控制通道滯后較小，負荷變化不大，但不允許有余差的情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制系統(tǒng)往往采用ＰＩ控制器；3.當對象滯后較大，如溫度、pＨ值等控制系統(tǒng)則需引入微分作用。一般在對象滯后較大，負荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時，可選用比例積分微分（PID）控制器?？刂破鞯恼?、反作用確定控制器“正”、“反”作用開關不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及控制閥的氣開、氣關情況來決定。確定原則：保證控制系統(tǒng)為負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。其作用方向一般都是“正”的，因為當被控變量增加時，其輸出量一般也是增加的。其作用方向則隨具體對象的不同而各不相同。當操縱變量增加時，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。它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關閥（注意不要與執(zhí)行機構和控制閥的“正作用”及“反作用”混淆）。當控制器輸出信號（即執(zhí)行器的輸入信號）增加時，氣開閥的開度增加，因而流過閥的流體流量也增加，故氣開閥是“正”方向。反之，當氣關閥接收的信號增加時，流過閥的流體流量反而減少，所以是“反”方向。其作用方向是這樣規(guī)定的：當給定值不變，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。被控對象：測量元件及變送器：執(zhí)行器：控制器：控制器的正、反作用確定原則：保證控制系統(tǒng)為負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。氣開閥氣開閥控制器“正”、“反”作用選擇分析：安全要求：防止物料全部流光控制器正、反作用控制器應選正作用控制過程分析根據(jù)安全原則，供氣中斷時給水閥應全開，所以應選氣關閥，即“反”作用。分析控制系統(tǒng)的控制過程根據(jù)負反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析或鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)PZPZ控制器“正”、“反”作用選擇控制過程分析：如圖所示的液位控制系統(tǒng)，如果閥的氣開、氣關特性發(fā)生改變，控制器的正、反作用也應該發(fā)生改變。假設閥門選用氣關閥，即“反”作用。液位控制系統(tǒng)正作用控制器假設閥門選用氣開閥，即“正”作用。反作用控制器PZPZ例1：如圖所示的液位控制系統(tǒng)，假設工藝要求供氣中斷時液體不得外溢，請選擇閥的氣開、氣關特性，并選擇控制器的正、反作用。解：(1)控制閥氣開、氣關特性的選擇因為：工藝要求供氣中斷時液體不得外溢，根據(jù)安全原則，所以：選用氣開閥，即“正”作用。(2)控制器的正、反作用的選擇液位控制系統(tǒng)根據(jù)負反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析，選用反作用控制器控制過程分析反作用控制器PZ例2：如圖蒸汽加熱反應釜控制系統(tǒng)，工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高，試確定控制器的正、反作用，并分析控制過程。蒸汽加熱反應釜解：(1)確定控制閥的氣開、氣關特性因為：工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高，也就是說，供氣中斷時熱源關斷，所以應選氣開閥，即“正”作用。(2)確定控制器的正、反作用根據(jù)負反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析，選用反作用控制器(3)控制過程分析反作用控制器PZ簡單控制系統(tǒng)的投運控制系統(tǒng)投運-----通過適當?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩庸ぷ鳡顟B(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)到自動工作狀態(tài)。準備工作：1.詳細了解工藝，對投運中可能出現(xiàn)的問題有所估計。2.吃透控制系統(tǒng)的設計意圖。3.在現(xiàn)場，通過簡單的操作對有關儀表（包括控制閥）的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判斷。4.設置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ參數(shù)。5.按無擾動切換（指手、自動切換時閥上信號基本不變）的要求將控制器切入自動?？刂破鲄?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%、積分時間TI、微分時間TD

）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)學模型，然后根據(jù)系統(tǒng)的各項質(zhì)量指標要求，通過計算確定相應的PID參數(shù)?，F(xiàn)場工程整定法——條件：在工藝過程手操穩(wěn)定的基礎上進行。

1）經(jīng)驗法2）衰減曲線法

3）臨界比例度法4）響應曲線法控制器參數(shù)的工程整定方法一：臨界比例度法臨界振蕩整定計算公式控制器參數(shù)控制規(guī)律δ(%)TI(min)TD(min)P2δKPI2.2δKTk/1.2PID1.6δK0.5Tk0.25TI該方法是先將控制器設置為純比例作用且比例度δ放在較大位置，將系統(tǒng)投入閉環(huán)控制，然后逐步減小比例度δ并施加干擾作用，直至控制系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩的過渡過程，如圖7-9所示。這時的比例度就叫做臨界比例度δk，振蕩周期就叫做臨界振蕩周期Tk。根據(jù)δk和Tk從表7-2中查找控制器應該采用的參數(shù)值。

臨界比例度法目前使用的比較多，它簡單易用，適用面較廣。但要注意的是：(1)對于工藝上不允許有等幅振蕩的，不能使用;(2)如δk很小，不適用。因為δk很小，即Kp很大，容易使被控變量超出允許范圍。

控制器參數(shù)的工程整定方法二：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δ

S及振蕩周期TS，根據(jù)經(jīng)驗公式，求出相應的積分時間TI和微分時間TD。衰減曲線法可以適用于幾乎各種應用場合。但在應用中要注意：(1)加干擾前，控制系統(tǒng)必須處于穩(wěn)定的狀態(tài)，否則不能得到準確的δs、TS和TT值；(2)階躍干擾的幅值不能大，一般為設定值的5%左右，必須與工藝人員共同商定；(3)如果過渡過程波動頻繁，難于記錄下準確的比例度、衰減周期或上升時間，則改用其他方法?？刂破鲄?shù)的工程整定方法三：經(jīng)驗法系統(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（長期的生產(chǎn)實踐中總結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，調(diào)整相應的參數(shù)進行湊試，直到合適為止單回路控制系統(tǒng)工程設計實例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔噴霧式干燥塔控制系統(tǒng)設計碳酸鈣漿液干燥過程工藝流程。生產(chǎn)工藝要求產(chǎn)品溫度要求穩(wěn)定，即含水量波動不能太大。

設計要求1.選擇被控變量與操縱變量2.過程檢測、控制設備的選用單回路控制系統(tǒng)工程設計實例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔選擇被控變量直接參數(shù)----濕度（測量困難）間接參數(shù)----