第七簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

第七簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一7.1系統(tǒng)組成及分析本章內(nèi)容：7.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7.3控制系統(tǒng)參數(shù)的工程整定

第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）組成由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(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)第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一圖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。第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

被控變量的選擇(自動(dòng)控制保持恒定值或按一定規(guī)律變化）

“關(guān)鍵”變量：對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用。方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系、易于測(cè)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。第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一圖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圖舉例第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。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。第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量的選擇原則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。

第八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

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)工藝分析確定第九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一圖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。舉例圖7-8影響提餾段溫度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。

第十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一圖7-9干擾通道與控制通道示意圖

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。對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響對(duì)象特性——是指對(duì)象輸入量與輸出量之間的關(guān)系(數(shù)學(xué)模型)由對(duì)象的輸入變量至輸出變量的信號(hào)聯(lián)系稱為通道控制變量至被控變量的信號(hào)聯(lián)系通道稱控制通道干擾至被控變量的信號(hào)聯(lián)系通道稱干擾通道第十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一典型的微分方程典型的階躍響應(yīng)曲線基本概念：對(duì)象特性參數(shù)水槽對(duì)象液位的變化曲線K――放大系數(shù)，在階躍輸入作用下，對(duì)象輸出達(dá)到新的穩(wěn)定值時(shí)，輸出變化量與輸入變化量之比，也稱靜態(tài)增益。K越大，表示輸入量對(duì)輸出量的影響越大。T――時(shí)間常數(shù)，在階躍輸入作用下，對(duì)象輸出達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)變化量的63.2％所需要的時(shí)間，時(shí)間常數(shù)T是反映響應(yīng)變化快慢或響應(yīng)滯后的重要參數(shù)。用T表示的響應(yīng)滯后稱阻容滯后（容量滯后）。

T大，反應(yīng)慢，難以控制；T小，反應(yīng)塊。第十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ擾動(dòng)通道放大倍數(shù)為Ｋf

ＫＯ的大小表征了操縱變量對(duì)被控變量的影響程度Ｋf的大小表征了擾動(dòng)對(duì)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(shí)，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，擾動(dòng)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。第十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（一）設(shè)：控制通道的時(shí)間常數(shù)為Ｔo，純滯后時(shí)間為τo時(shí)間常數(shù)ＴO(shè)小，反映靈敏，控制及時(shí)，有利于克服干擾的影響時(shí)間常數(shù)ＴO(shè)過(guò)大，造成控制作用遲緩，使被控變量的超調(diào)量加大，過(guò)渡時(shí)間增長(zhǎng)純滯后時(shí)間τ0使操縱變量對(duì)被控變量的作用推遲了一段時(shí)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(guò)渡過(guò)程振蕩加劇，過(guò)渡時(shí)間增長(zhǎng)，控制質(zhì)量變壞。第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（二）設(shè):擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)為Ｔf，純滯后為τf

對(duì)擾動(dòng)通道特性的影響

ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操縱變量的選擇被控變量（輸出量）擾動(dòng)變量（輸入量）操縱變量（輸入量）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

操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所有干擾變量中的對(duì)被控變量影響最大的一個(gè)?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)Ｋ要盡量大一些，時(shí)間常數(shù)Ｔ適當(dāng)小些，滯后時(shí)間盡量小。不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動(dòng)。工藝上的合理性和方便性操縱變量的選取應(yīng)遵循下列原則：第十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操縱變量的選擇原則⑴要構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大的放大系數(shù)、比較小的時(shí)間常數(shù)及盡可能小的純滯后時(shí)間。⑵系統(tǒng)主要擾動(dòng)通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時(shí)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(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一測(cè)量變送問題----純滯后

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則電極酸槽LCACl1中和槽l2τ=、

為主管道，分管道的長(zhǎng)度為主管道，分管道流體的流速測(cè)量元件的安裝位置第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一測(cè)量變送問題----測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量選擇好之后，被控變量如何測(cè)量仍然有諸多因素需要考慮，以便更靈敏﹑更快速﹑更及時(shí)和更經(jīng)濟(jì)地測(cè)得被控變量．時(shí)間常數(shù)測(cè)量滯后第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則測(cè)量變送問題----傳遞滯后⑴盡可能縮短傳送管線長(zhǎng)度，一般氣壓信號(hào)管路長(zhǎng)度不超過(guò)

300m，管徑應(yīng)大于６mm。或在氣路60m距離間加氣動(dòng)繼動(dòng)器，提高氣信號(hào)傳輸功率，減小傳輸時(shí)間。⑵采用氣-電、電-氣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換傳遞，或用閥門定位器等。信號(hào)傳遞過(guò)程中引起的滯后克服傳遞滯后采取以下措施：第二十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則控制器控制規(guī)律的選擇原則

對(duì)于一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)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(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)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(dāng)對(duì)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(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時(shí)，可選用比例（P）積分（I）微分（D）控制器。第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一控制器的正、反作用確定控制器“正”、“反”作用開關(guān)不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及控制閥的氣開、氣關(guān)情況來(lái)決定。確定原則：保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一其作用方向一般都是“正”的，因?yàn)楫?dāng)被控變量增加時(shí)，其輸出量一般也是增加的。其作用方向則隨具體對(duì)象的不同而各不相同。當(dāng)操縱變量增加時(shí)，被控變量也增加的對(duì)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(duì)象屬于“反作用”的。它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥（注意不要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥的“正作用”及“反作用”混淆）。當(dāng)控制器輸出信號(hào)（即執(zhí)行器的輸入信號(hào)）增加時(shí)，氣開閥的開度增加，因而流過(guò)閥的流體流量也增加，故氣開閥是“正”方向。反之，當(dāng)氣關(guān)閥接收的信號(hào)增加時(shí)，流過(guò)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(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（或給定值減小）時(shí)，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。被控對(duì)象：測(cè)量元件及變送器：執(zhí)行器：控制器：第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一控制器的正、反作用確定原則：保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。氣開閥安全要求：加熱鍋爐不能損害第二十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一氣開閥控制器“正”、“反”作用選擇分析：安全要求：防止物料全部流光圖7-16液位控制第二十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一控制器正、反作用控制器應(yīng)選正作用控制過(guò)程分析根據(jù)安全原則，供氣中斷時(shí)給水閥應(yīng)全開，所以應(yīng)選氣關(guān)閥，即“反”作用。分析控制系統(tǒng)的控制過(guò)程根據(jù)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析或鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)PZ正作用控制器第二十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一例1：如圖所示的液位控制系統(tǒng)，假設(shè)工藝要求供氣中斷時(shí)液體不得外溢，請(qǐng)選擇閥的氣開、氣關(guān)特性，并選擇控制器的正、反作用。解：(1)控制閥氣開、氣關(guān)特性的選擇因?yàn)椋汗に囈蠊庵袛鄷r(shí)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(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析，選用反作用控制器控制過(guò)程分析反作用控制器第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一例2：如圖蒸汽加熱反應(yīng)釜控制系統(tǒng)，工藝要求釜內(nèi)溫度不得過(guò)高，試確定控制器的正、反作用，并分析控制過(guò)程。蒸汽加熱反應(yīng)釜解：(1)確定控制閥的氣開、氣關(guān)特性因?yàn)椋汗に囈蟾獌?nèi)溫度不得過(guò)高，也就是說(shuō)，供氣中斷時(shí)熱源關(guān)斷，所以應(yīng)選氣開閥，即“正”作用。(2)確定控制器的正、反作用根據(jù)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析，選用反作用控制器(3)控制過(guò)程分析反作用控制器PZ第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一

控制好控制器的正、反作用，是確保整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的重要一環(huán)。正作用？反作用？圖7-17控制器正、反作用開關(guān)示意圖第二十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)投運(yùn)-----通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩?dòng)工作狀態(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。準(zhǔn)備工作：1.詳細(xì)了解工藝，對(duì)投運(yùn)中可能出現(xiàn)的問題有所估計(jì)。2.吃透控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖。3.在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作對(duì)有關(guān)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(shè)置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ參數(shù)。5.按無(wú)擾動(dòng)切換（指手、自動(dòng)切換時(shí)閥上信號(hào)基本不變）的要求將控制器切入自動(dòng)。第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)整定-----對(duì)已定的控制系統(tǒng)求取保證控制過(guò)程質(zhì)量為最好的控制器參數(shù)（比例度δ%、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD

）控制器的參數(shù)整定方法

理論計(jì)算參數(shù)整定法——已知廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)系統(tǒng)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求，通過(guò)計(jì)算確定相應(yīng)的PID參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)工程整定法——條件：在工藝過(guò)程手操穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

1）經(jīng)驗(yàn)法2）衰減曲線法

3）臨界比例度法4）響應(yīng)曲線法第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一控制器參數(shù)的工程整定方法一：臨界比例度法臨界振蕩整定計(jì)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(shè)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(guò)渡過(guò)程，如圖7-9所示。這時(shí)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(yīng)該采用的參數(shù)值。圖7-18臨界振蕩過(guò)程第三十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一

臨界比例度法目前使用的比較多，它簡(jiǎn)單易用，適用面較廣。但要注意的是：(1)對(duì)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?yàn)棣膋很小，即Kp很大，容易使被控變量超出允許范圍。

第三十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一通過(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7-19

4∶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′1.2