過程控制工程ch5課件

1、第5章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)是由一個調節(jié)器、一個變送器（測量儀表）、一個執(zhí)行器（調節(jié)閥）和一個被控對象組成的控制系統(tǒng)。由于控制系統(tǒng)信號流只有一個回路，故亦稱為單回路控制系統(tǒng)。給定值R調節(jié)器（TC）被控對象（換熱器）被控變量（溫度T）測量元件及變送器（TT）+_執(zhí)行器（氣動調節(jié)閥）偏差EPQ測量值Z干擾F載熱體冷流體換熱器第5章 簡單控制系統(tǒng)從以上幾種過渡過程情況可知，一個合格的、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，當受到外界干擾以后，被控變量的變化應是一條衰減振蕩的曲線。 5.1控制系統(tǒng)的品質指標 第5章 簡單控制系統(tǒng)（1）衰減比和衰減率衰減比是衡量一個振蕩過程的衰減程度的指標，它等于兩個相鄰的

2、同向波峰值之比。衰減比衰減率是指每經過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數(shù)。衰減率第5章 簡單控制系統(tǒng)（2）最大動態(tài)偏差和超調量最大動態(tài)偏差是指設定值階躍響應中，過渡過程開始后第一個波峰超過其新穩(wěn)態(tài)值的幅度。超調量是指最大動態(tài)偏差占被調量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分數(shù)。第5章 簡單控制系統(tǒng)（3）余差過渡過程結束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值y()與新設定值r之間的差值，它是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的衡量指標。第5章 簡單控制系統(tǒng)（4）調節(jié)時間調節(jié)時間是從過渡過程開始到結束所需要的時間。調節(jié)時間是衡量控制系統(tǒng)快速性的一個指標。5.2簡單控制系統(tǒng)的方案設計 過程控制系統(tǒng)的設計包括:系統(tǒng)的方案設計工程設計工程安裝和儀表調校控制

3、器參數(shù)整定第5章 簡單控制系統(tǒng) 要設計一個好的過程控制系統(tǒng)，需要各方面人員的共同努力和艱苦工作。就系統(tǒng)方案設計這一個環(huán)節(jié)而言，也需要設計工程師深入了解生產工藝情況，結合控制要求根據(jù)對象特性，干擾情況及限制條件，從全局出發(fā)，運用控制理論并作大量的實驗和仿真才能設計出一個合理的過程控制方案。一個好的控制方案應是在滿足控制要求前提下的最簡單、最實用的方案。 第5章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)方案設計基本步驟示意圖 第5章 簡單控制系統(tǒng)5.2.1受控變量的選擇 受控變量的選擇是十分重要的，是自動控制系統(tǒng)設計的第一步，應該從生產過程對自動控制的要求出發(fā)，合理地選擇被控變量。 1、尋求控制的原始目的從過程控

4、制的根本任務出發(fā)，選擇受控變量就是尋求控制的原始目的。使所選的受控變量能決定產品的產量、質量、原材料消耗、安全以及給環(huán)境造成的危害等。 第5章 簡單控制系統(tǒng)2.尋求與原始目的有良好關系的參數(shù) 當選擇直接參數(shù)作受控變量有困難或不合適時，尋找一個與直接參數(shù)有一一對應關系、反應靈敏、便于測量的間接參數(shù)作為受控變量。 第5章 簡單控制系統(tǒng)硫酸焙燒爐是重要的生產設備，其工藝流程圖如下：第5章 簡單控制系統(tǒng)第5章 簡單控制系統(tǒng)選取受控變量的一般原則： 1、首先選擇對產品的產量、產品的質量、安全髙效生產、環(huán)境保護等具有決定作用的、便于測量、靈敏可靠的工藝參數(shù)作為受控變量。2、當直接參數(shù)作受控變量不合適時，應

5、選取一個與直接參數(shù)有一一對應關系、便于測 量、靈敏可靠的間接參數(shù)作為受控變量。3、若合適的間接參數(shù)也選擇不到時,可增加一些輔助控制系統(tǒng)，并通過一定的運算處理達到對直接參數(shù)的控制。由于計算機在過程控制中的廣泛應用，使這種方法的實現(xiàn)更具潛力。4、不論用何種方式選取受控變量，都必須考慮工藝的合理性和國內儀表的現(xiàn)狀。 第5章 簡單控制系統(tǒng)5.2.3 操縱變量的選擇 選擇操縱變量（即操縱量），就是在對受控過程進行認真分析研究的基礎上，根據(jù)已選定的受控變量找出所有影響受控變量的各種變量即輸入，從中找出一個工藝合理、實施上可行并具有良好可控性的變量作為操縱量 。第5章 簡單控制系統(tǒng)在被控變量選定以后，下一步

6、就是要選擇控制系統(tǒng)的操縱變量，去克服擾動對被控變量的影響。 第5章 簡單控制系統(tǒng)控制通道操縱變量至被控變量的信號聯(lián)系擾動通道擾動變量至操縱變量的信號聯(lián)系 擾動變量（輸入量） 操縱變量（輸入量） 被控變量（輸出量） 討論：放大系數(shù)K對系統(tǒng)的影響控制通道 放大系數(shù)越大，操縱變量的變化對被控變量的影響就越大；反之，放大系數(shù)小，控制作用的影響不顯著，被控變量變化緩慢。但放大系數(shù)過大，會使控制作用對被控變量的影響過強，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。K的物理意義：如果有一定的輸入變化量作用于過程，通過過程后被放大了K倍，變?yōu)檩敵鲎兓縒。 第5章 簡單控制系統(tǒng)擾動通道 當擾動頻繁出現(xiàn)且幅度較大時，放大系數(shù)大，被控變量

7、的波動就會很大，使得最大偏差增大；放大系數(shù)小，即使擾動較大，對被控變量仍然不會產生多大影響。第5章 簡單控制系統(tǒng)控制通道在相同的控制作用下，時間常數(shù)大，被控變量的變化比較緩慢，此時過程比較平穩(wěn)，容易進行控制，但過渡過程時間較長；若時間常數(shù)小，則被控變量的變化速度快，控制過程比較靈敏，不易控制。時間常數(shù)太大或太小，對控制上都不利。擾動通道對于擾動通道，時間常數(shù)大，擾動作用比較平緩，被控變量的變化比較平穩(wěn)，過程較易控制。討論：時間常數(shù)T對系統(tǒng)的影響第5章 簡單控制系統(tǒng)討論：滯后時間對系統(tǒng)的影響控制通道擾動通道由于存在滯后，使控制作用落后于被控變量的變化，從而使被控變量的偏差增大，控制質量下降。滯后

8、時間越大，控制質量越差。對于擾動通道，如果存在純滯后，相當于擾動延遲了一段時間才進入系統(tǒng)，而擾動在什么時間出現(xiàn)，本來就是無從預知的，因此，并不影響控制系統(tǒng)的品質。擾動通道中存在容量滯后，可使階躍擾動的影響趨于緩和，對控制系統(tǒng)是有利的。第5章 簡單控制系統(tǒng)例：第5章 簡單控制系統(tǒng)第5章 簡單控制系統(tǒng)選擇操縱量的一般原則 1、選擇操縱量也就是選擇一個可控度良好的控制通道?？刂仆ǖ赖姆糯蟊稊?shù)應適當大些； 控制通道的純滯后時間應盡可能小； 控制通道的慣性時間常數(shù)要相對錯開，即相互間的相對距離要大一些(主要是指第一大和第二大時間常數(shù)）； 控制通道各慣性時間常數(shù)相對值不變的前提下，時間常數(shù)要適當小些； 控

9、制通道時間常數(shù)的個數(shù)應盡量減少； 當通道為有純滯后的一階或二階模型時，應盡量提高時域可控性系數(shù) 2、設計系統(tǒng)時應盡量考慮主要干擾對系統(tǒng)控制品質的影響。 第5章 簡單控制系統(tǒng)5.2.4 執(zhí)行器的選擇 執(zhí)行器的選用是否得當，將直接影響自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)質量、安全性和可靠性，因此，必須根據(jù)工況特點、生產工藝及調節(jié)系統(tǒng)的要求等多方面因素，綜合考慮，正確選用。執(zhí)行器的選擇，主要是從以下四方面考慮：（1）執(zhí)行器的結構形式；（2）調節(jié)閥的口徑;（3）調節(jié)閥的氣開氣關形式；（4）調節(jié)閥的流量特性。 第5章 簡單控制系統(tǒng)在選用調節(jié)閥的結構形式和材料時應考慮的因素： 被控介質的工藝條件，如溫度、壓力、流量等。 被

10、控介質的物理、化學特性，如氣態(tài)、液態(tài)、粘 性、腐蝕性等。 調節(jié)閥結構形式的選擇 第5章 簡單控制系統(tǒng) 調節(jié)閥氣開、氣關形式的選擇 原則：當信號壓力中斷時，應保證工藝設備和生產的安全。 當調節(jié)閥的氣開氣關形式與安全無關時，還可從以下方面進行考慮： （1）從保證產品質量角度考慮（2）從降低原料和能源的損耗并兼顧介質特點的角度考慮第5章 簡單控制系統(tǒng)氣關閥氣開閥氣開閥/氣關閥第5章 簡單控制系統(tǒng)例： 調節(jié)閥流量特性的選擇 選擇什么樣的流量特性要結合過程特性、干擾情況、介質性質、測量變送情況及配管情況全面考慮，但是更多的考慮是首先根據(jù)廣義過程為線性的要求確定控制閥所應具有的工作流量特性，然后根據(jù)配管情

11、況（即S值的大小）決定所要閥的理想流量特性。 第5章 簡單控制系統(tǒng) 生產過程中常用的調節(jié)閥的理想流量特性有直線、等百分比和快開大種。快開特性主要用于二位調節(jié)及程序控制中，因此，調節(jié)閥的特性選擇實際上是指如何選擇直線和等百分比流量特性。 調節(jié)閥流量特性的選擇可以通過理論計算，但所用的方法和方程都很復雜，一般可選擇等百分比流量特性，總能滿足要求。 第5章 簡單控制系統(tǒng)5.2.5 測量變送環(huán)節(jié)在系統(tǒng)設計中的考慮 正確處理測量變送問題是系統(tǒng)設計中的重要一環(huán)。測量方法的選擇測量元件的選用測量元件的正確安裝測量信號的處理第5章 簡單控制系統(tǒng)5.2.6控制器的選型及應用 控器控制規(guī)律的選擇和應用 常規(guī)基型控

12、制器主要有 三種控制規(guī)律：比例（P）、比例積分（PI）、比例積分微分(PID)。 PID控制規(guī)律的數(shù)學描述為： 第5章 簡單控制系統(tǒng)圖5-23不同控制規(guī)律作用下的階躍響應曲線1-無控制 2-比例控制 3-比例積分控制 4-比例微分控制 5 比例積分微分控制 第5章 簡單控制系統(tǒng)曲線1：無控制即開環(huán)時的擾動使輸出偏離給定值的程度逐漸增大，終值為Kdd。曲線2：純比例控制（P），他存在穩(wěn)態(tài)誤差，其值為：C=Kdd/(1+KgKc) (Kg為廣義過程的放大倍數(shù))。曲線3：比例積分（PI）控制，它與比例控制相比，引入積分后消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但超調量增加，振蕩周期加長。曲線4：比例微分（PD）控制，它與比

13、例控制相比，由于微分的引入，減小了動態(tài)偏差，但靜態(tài)偏差仍然存在。曲線5：比例積分微分（PID）控制，他與上述控制規(guī)律相比，超調量較小，振蕩周期較短，靜態(tài)偏差為零. 第5章 簡單控制系統(tǒng) 雖然PID控制是四種控制中最好的一種，但是微分作用對于干擾和測量噪聲來說是敏感 的，因此除非受控過程容積滯后比較大，受控變量變化比較緩慢的過程外，一般不引入微分作用。另外，三種控制規(guī)律同時引入，也將給三種作用參數(shù)的確定帶來一定的困難。 正是由于上述原因，工業(yè)控制中廣泛應用的是PI控制器。 第5章 簡單控制系統(tǒng)選擇控制器控制規(guī)律，應根據(jù)對象特性、負荷變化情況、主要干擾以及對控制質量的要求等不同情況，進行具體分析。

14、同時，還應考慮經濟性和系統(tǒng)的投運方便等。具體選擇原則如下： （1）當廣義對象控制通道時間常數(shù)較小、負荷變化不大、工藝要求不高時，可選用比例控制規(guī)律；而當廣義對象控制通道時間常數(shù)較小、負荷變化較大、工藝要求無余差時，則應選用比例積分控制規(guī)律。 控制器調節(jié)規(guī)律的選擇第5章 簡單控制系統(tǒng)（2）當廣義對象控制通道的時間常數(shù)大或容量滯后大時，采用微分作用有良好的效果。 （3）當廣義對象控制通道的時間常數(shù)較小，而負荷變化很大時，選用微分作用和積分作用都容易引起振蕩。如果時間常數(shù)很小時，可采用微分作用來降低系統(tǒng)的反應速度提高控制質量。 （4）當廣義對象滯后很小或噪聲嚴重時，應避免引入微分作用，否則會導致系統(tǒng)

15、的不穩(wěn)定。 第5章 簡單控制系統(tǒng)（5）當廣義對象控制通道的時間常數(shù)很大（或存在較大的純滯后），負荷變化也很大時，單回路控制系統(tǒng)往往也不能滿足要求，應設計其他控制方案，根據(jù)具體情況選用前饋、串級、采樣等復雜控制系統(tǒng)。 （6）當對象數(shù)學模型可用 近似時，則可根據(jù)純滯后時間與時間常數(shù)T的比值/T來選擇控制規(guī)律，即 當0.2/T1.0時，選用比例積分或比例積分微分控制規(guī)律； 當/T1.0時，采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足要求，應選用其他控制方案。 當/T0.2時，選用比例或比例積分規(guī)律；第5章 簡單控制系統(tǒng)控制器正、反作用方式的選擇 首先確定執(zhí)行器的氣開、氣關形式；然后根據(jù)受控過程的輸入輸出關系確定控

16、制器的正、 反作用方式。為了保證系統(tǒng)為負反饋，必須滿足:控制器、執(zhí)行器、受控過程三者的符號相乘為負即：(控制器）（執(zhí)行器）(受控過程）= “-”第5章 簡單控制系統(tǒng)1、根據(jù)選定的執(zhí)行器的氣開、氣關形式確定其正、負號；2、由過程的輸入、輸出關系確定其正、負號；3、由判別式確定控制器所應有的正、負 號，4、選定其正、反作用形式。 第5章 簡單控制系統(tǒng)滿足該式的各環(huán)節(jié)符號是這樣規(guī)定的：當其輸入增加時，若輸出也隨之增加則取正號，反之取負號；其中控制器是以測量值作為輸入的。即對控制器而言：當測量值增加時若控制器輸出也隨之增加則?。?）號，反之取（-）號。也就是說正作用控制器?。?）,反作用控制器?。?）

17、。第5章 簡單控制系統(tǒng)對執(zhí)行器而言：當輸入(壓力）信號增加時若開度增加則取“+”號，反之取“-”號。也就是說氣開閥取“+”號，氣關閥取“-”。對受控過程而言：當操縱量增加時若其輸出（受控變量）增加則取“+”，反之取“-”號。對測量變送而言：一般被測參數(shù)增加其輸出總是增加的即總為正環(huán)節(jié)，所以上式中并沒出現(xiàn)。 第5章 簡單控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)方案設計 被控變量的選擇 操縱變量的選擇 執(zhí)行器的選擇 調節(jié)器正反作用方式及調節(jié)規(guī)律的選擇設定值控制器被控對象被控量變送器+_調節(jié)閥干擾第5章 簡單控制系統(tǒng)5.2.7簡單控制系統(tǒng)設計原則及應用實例第5章 簡單控制系統(tǒng)圖5-30牛奶干燥過程流程圖 牛奶類乳化物

18、干燥過程中的噴霧式干燥工藝設備。由于乳化物屬膠體物質，激烈攪拌易固化，不能用泵輸送，故采用高位槽的辦法。濃縮的乳液由高位槽流經過濾器A 或B(兩個交換使用，保證連續(xù)操作），除去凝結塊等雜質，再至干燥器頂部從噴嘴噴出?？諝庥晒娘L機送至換熱器(用蒸汽間接加熱)，熱空氣與鼓風機直接送來的空氣混合后，經風管進入干燥器，以蒸發(fā)走乳液中的水分，使其成為奶粉，并隨濕空氣一起輸出，再進行分離。生產工藝對干燥后的產品質量要求很高，水分含量不能波動太大，必須控制在規(guī)定的范圍內。 第5章 簡單控制系統(tǒng)（1）受控變量的選擇 干燥器出口的氣體溫度和產品質量有密切關系，要求維持在一定值上，因此就選作被控變量。 （2）操縱

19、量的選擇 第5章 簡單控制系統(tǒng)影響出口溫度的因素有乳液量的變化、空氣流量及蒸汽變化等。因此可以選擇三種操縱變量，組成以下三個調節(jié)方案。 圖5-31干燥過程方框圖 第5章 簡單控制系統(tǒng) 根據(jù)干擾作用點對調節(jié)質量影響的分析，主要干擾施加點越靠近調節(jié)閥，控制質量相對較高的原則，方案的干擾作用點與對象的輸入重合，調節(jié)作用最迅速，因此其控制性能最佳，方案次之，方案最差。從控制的品質這方面考慮，應該選擇方案，即選擇乳液流量作為操作變量。但是，在選擇調節(jié)方案時，還得從工藝角度來考慮，方案并不是最有利的。因為若以乳液量作為操縱變量，則它就不可能始終在最大值上工作，也就限制了該裝置的生產能力。另外在乳液管線上裝

20、了調節(jié)閥，容易使?jié)饪s乳液結塊，降低產量和質量。因此，綜合以上分析比較，選擇方案是最為合適的。 第5章 簡單控制系統(tǒng)（3）執(zhí)行器的選擇 根據(jù)安全原則、介質特點、工藝要求考慮應選氣關式控制閥，以防故障(對閥芯的作用力為零）時中斷加熱蒸汽至使乳液直接流入出口使管道堵塞和產生劣質產品。 選用對數(shù)流量特性的控制閥。根據(jù)生產時對操縱量流量的要求選擇控制閥的公稱直徑和閥芯直徑的尺寸。 第5章 簡單控制系統(tǒng)（4）測量、變送的考慮 Pt100熱電阻溫度計，三線制接法（5）控制器選型 選用PID控制規(guī)律 （6）控制器正反作用方式的選擇 反作用方式 第5章 簡單控制系統(tǒng)圖5-32控制原理示意圖 第5章 簡單控制系統(tǒng)

21、5.3簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 系統(tǒng)整定的實質：通過調整調節(jié)器的相關參數(shù)使其特性與被控對象特性相匹配，以達到最佳的控制效果。理論計算整定法工程整定法基于被控對象數(shù)學模型（如傳遞函數(shù)、頻率特性），通過計算方法直接求得調節(jié)器的整定參數(shù)，如根軌跡法、頻率特性法等。基于被控對象的階躍響應曲線，或直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，方法簡單，易于掌握。第5章 簡單控制系統(tǒng) 工程整定法一、經驗試湊法（長期的生產實踐中總結出來的一種整定方法）(%)TI（min)TD （min)溫度20603 100.31流量401000.11壓力30700.43液位2080方法：根據(jù)經驗先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中

22、通過改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形狀，以%、TI、TD，對控制過程的規(guī)律為指導，調整相應的參數(shù)進行湊試，直到合適為止。第5章 簡單控制系統(tǒng)二、臨界比例度法穩(wěn)定邊界法是應用較廣的一種整定調節(jié)器參數(shù)的方法，特點是不需要求得被控對象的特性，而直接在閉環(huán)情況下進行參數(shù)整定。 整定方法： （1）取TI = ，TD =0，比例度取較大數(shù)值（一般可取100%以上），系統(tǒng)按純比例投入運行，穩(wěn)定后，逐步地減小比例度，在外界輸入作用下（給定或干擾的變化）下，觀察過程變化情況，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩為止，記下此時比例度cr(臨界比例度)和振蕩周期Tcr(臨界振蕩周期)。Tcr第5章 簡單控制系統(tǒng)（2）根據(jù)cr和

23、Tcr ，按表中所列的經驗算式，分別求出3種不同情況下的控制器最佳參數(shù)值。 （3）將比例度放到計算值略大一些的刻度上，然后TI由大而小將積分作用加入；TD由小而大將微分作用加入。 （4）將比例度調到計算值上，觀察運行，適當調整，使過渡過程達到指標要求。 穩(wěn)定邊界法參數(shù)整定計算公式 TITD P2 crPI2.2cr0.85 Tcr PID1.67cr0.50 Tcr 0.125 Tcr 第5章 簡單控制系統(tǒng)注意： 此法簡單明了，容易判斷整定質量，因而在生產上應用較多，但是工藝上被控變量不允許等幅振蕩時不宜采用。第5章 簡單控制系統(tǒng)三、衰減曲線法穩(wěn)定邊界法是要使系統(tǒng)產生等幅振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較為簡單，且可直接求得調節(jié)器比例度。衰減曲線法分為41和101兩種。 41衰減曲線法整定方法 41衰減曲線法整定方法 （1）取TI =，TD =0，比例度取較大數(shù)值（一般可取100%以上），在純比例作用下，將系統(tǒng)投入。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設定值擾動，觀察過渡過程波動情況，直到衰減比為4