第七章-簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)-1

第七章--簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)湖北民族學(xué)院化工儀表及自動(dòng)化電子課件-7化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院化工與制藥教研室Contents:簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2控制器參數(shù)的工程整定

3七簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)基本要求：1.了解簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成及作用；2.掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中被控變量、操縱變量選擇的一般原則；3.了解各種基本控制規(guī)律的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合；4.掌握控制器正、反作用確定的方法；5.掌握控制器參數(shù)工程整定的方法。7.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成通常是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及傳感器（或變送器）、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。一、定義二、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的典型方塊圖：三、控制系統(tǒng)圖的表達(dá)液位控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)根據(jù)自控設(shè)計(jì)規(guī)范，省略了測(cè)量變送環(huán)節(jié)。7.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、選擇“關(guān)鍵變量”作被控變量

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作用，而人工操作又難以滿足要求或者雖然人工操作可以滿足要求但操作是緊張而頻繁的。一、被控變量的選擇1)直接指標(biāo)控制：被控制的指標(biāo)本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（如溫度、壓力、流量、成分等）。2)間接指標(biāo)控制：以產(chǎn)品質(zhì)量為控制指標(biāo)，但質(zhì)量信號(hào)無法檢測(cè)，或檢測(cè)到的信號(hào)微弱或滯后很大，這時(shí)就需要選取與其有單值關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量進(jìn)行控制，稱為間接指標(biāo)控制。2、直接指標(biāo)控制與間接指標(biāo)控制其選擇關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期控制效果，一般原則是：（1）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或是反映工藝操作狀態(tài)的重要變量；（2）被控變量應(yīng)是工藝生產(chǎn)過程中經(jīng)常變化，因而需要頻繁加以控制的變量；（3）被控變量變盡可能選擇工藝生產(chǎn)過程的直接控制指標(biāo)，當(dāng)無法獲得直接控制指標(biāo)信號(hào)?；蚱錅y(cè)量或傳送滯后很大時(shí)，可選擇與直接控制指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接控制指標(biāo)；（4）被控變量應(yīng)是能測(cè)量的，并具有較大靈敏度的變量；（5）被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的；（6）應(yīng)考慮工藝的合理性與經(jīng)濟(jì)性。3、被控變量選擇的原則二、操縱變量的選擇2、操縱變量選擇的原則（1）操縱變量應(yīng)是工藝上允許加以控制的可控變量；（2）操縱變量應(yīng)是對(duì)被控變量影響諸因素中比較靈敏的變量，即控制通道的放大系數(shù)要大一些，時(shí)間常數(shù)要小一些，純滯后時(shí)間要盡量??；（3）操縱變量的選擇還應(yīng)考慮工藝的合理性和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。1、定義：用來克服干擾對(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。最常見的操縱變量時(shí)介質(zhì)的流量。3、控制通道特性和干擾通道特性操縱變量和被控變量之間的關(guān)系構(gòu)成了被控對(duì)象控制通道特性。干擾和被控變量之間的關(guān)系構(gòu)成了被控對(duì)象的干擾通道特性。干擾起破壞作用，而操縱變量起校正作用，二者是一對(duì)互相矛盾的變量。4、對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響（1）放大系數(shù)K0（靜態(tài)特性）

K0

的大小表征了操縱變量對(duì)被控變量的影響程度：K0大，影響越顯著，控制作用更有效；但K0過大，會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）動(dòng)態(tài)特性的影響：Ⅰ.控制通道時(shí)間常數(shù)T的影響：

T不宜過大，否則會(huì)使操縱變量的校正作用遲緩，超調(diào)量大，過渡時(shí)間長(zhǎng)，故要求T

小一些，使之反應(yīng)靈敏，控制及時(shí)。Ⅱ.控制通道純滯后的影響：控制器接收到正偏差信號(hào)時(shí)，純滯后使超調(diào)量增加。控制器接收到負(fù)偏差信號(hào)時(shí),可使過渡過程的振蕩加劇，穩(wěn)定性變差。故應(yīng)使τ0

盡量小。Ⅲ.干擾通道時(shí)間常數(shù)Tf

的影響：

Tf

越大，表示干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢。應(yīng)設(shè)法使干擾到被控變量的通道長(zhǎng)一些，Tf

大一些。Ⅳ.干擾通道純滯后

τf

的影響干擾通道純滯后只是將干擾的作用推遲了τf

，控制作用亦推遲了τf，對(duì)控制質(zhì)量沒有影響。

（2）動(dòng)態(tài)特性的影響-續(xù)：三、測(cè)量元件特性的影響對(duì)測(cè)溫元件來講，存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時(shí)間常數(shù)，當(dāng)時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，控制器接收到的將是一個(gè)失真的信號(hào)，不能發(fā)揮正確的校正作用，質(zhì)量無法達(dá)標(biāo)。1、測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)Tm

的影響：減小時(shí)間常數(shù)的方法：①選用惰性小的快速測(cè)量元件，例如用快速勢(shì)電偶代替普通熱電偶或溫包（當(dāng)Tm

小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)1/10時(shí)，對(duì)質(zhì)量影響不大）；②必要時(shí)引入微分作用，利用過超前作用來補(bǔ)償測(cè)量元件的動(dòng)態(tài)誤差；③保證測(cè)量元件安裝、使用正確；④使用過程中注意維護(hù)、檢查。2、測(cè)量元件的純滯后τ0

的影響：

在過程控制中，由于檢測(cè)元件安裝不正確或不適當(dāng)，將會(huì)產(chǎn)生純滯后，如圖所示，pH

控制系統(tǒng)：

主管道流速過大，不宜放置電極，故引出支管安放電極，支管的引入，使得pH的測(cè)量引入純滯后τ0。

l1、l2：主管道、支管道長(zhǎng)度。

u1、u2：主管道、支管道內(nèi)流體流速。測(cè)量信號(hào)傳送滯后：

因現(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（電信號(hào)可忽略）?？刂菩盘?hào)傳送滯后：

因控制室內(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（氣動(dòng)薄膜控制閥，容量滯后較大）。3、信號(hào)的傳送滯后：應(yīng)盡量減小4、測(cè)量元件特性的選用、安裝、維護(hù)注意事項(xiàng)

檢測(cè)元件要正確選用、合理安裝、及時(shí)維護(hù)，以便經(jīng)常保證檢測(cè)元件有足夠的測(cè)量精度、較小的時(shí)間常數(shù)，盡量小的純滯后和信號(hào)的傳遞滯后。1、控制器控制規(guī)律的確定比例控制器P比例積分控制器PI比例積分微分控制器PID四、控制器控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律輸入e與輸出p關(guān)系式階躍作用A下的響應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)使用場(chǎng)合位式P=pmax(e>0)P=pmin(e<0)簡(jiǎn)單便宜；控制質(zhì)量不高，會(huì)振蕩。對(duì)象容量大，負(fù)荷變化小，控制質(zhì)量要求不高，允許等幅振蕩。比例Pp=Kpe簡(jiǎn)單、及時(shí)、整定方便；有余差。允許余差：塔釜液位、儲(chǔ)槽、冷凝器液位等。比例積分PI可消余差，積分慢，穩(wěn)定性差。滯后大負(fù)荷變化大，緩慢無余差：壓力流量液位等。比例微分PD響應(yīng)快偏差小穩(wěn)定.超前控克服慣性；有余差滯后負(fù)荷變化小,變化不頻繁，允許有余差比例積分微分PID質(zhì)量高、無余差；整定麻煩。滯后負(fù)荷變動(dòng)大但不頻繁，質(zhì)量要求高：精餾塔反應(yīng)器等溫控。ppmaxpmin0e

pt0t

KpApt0tKpA

控制作用對(duì)被控變量的影響應(yīng)當(dāng)與干擾作用對(duì)被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復(fù)到給定值。作用方向：指輸入變化后，輸出的變化方向；正作用：輸入增加，輸出也增加；反作用：輸入增加時(shí)，輸出減小。在控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象、測(cè)量元件及變送器、控制器、執(zhí)行器都有各自的作用方向。

2、控制器的正反作用的確定（1）測(cè)量元件及變送器

當(dāng)被控變量增加時(shí)，其輸出一般也會(huì)增加，故其作用方向一般都是“正”的。熱敏電阻“反”。（2）執(zhí)行器：其作用方向取決于氣開還是氣閉閥。氣開閥：當(dāng)控制器輸出信號(hào)增加時(shí)，其開度增加，因而流過閥的流體流量增加，故屬“正方向”。氣閉閥：與氣開閥相反，屬“反方向”。（3）控制器：正作用：當(dāng)給定值不變，被控變量測(cè)量值增加時(shí)，控制器輸出增加；或當(dāng)測(cè)量值不變，給定值減小時(shí)，控制器輸出增加。

亦即e增加，控制器輸出增加。反作用：與上相反。五、舉例I．加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)對(duì)象：加熱爐操縱變量：燃料氣流量被控變量：原料油出口溫度對(duì)執(zhí)行器而言：從工藝安全條件出發(fā)，選擇氣開閥，以免當(dāng)氣源突然斷氣時(shí)，控制閥大開而燒壞爐子，此時(shí)，執(zhí)行器為“正作用”。對(duì)控制器而言:

為保證系統(tǒng)是負(fù)反饋，即當(dāng)爐溫上升時(shí)，控制器TC的輸出減小而關(guān)小燃料氣閥門，使?fàn)t溫下降，故控制器應(yīng)選“反作用”。對(duì)對(duì)象而言:

操縱變量增加，其被控變量增加，故對(duì)象屬“正作用”方向；執(zhí)行器：控制閥。為保證一旦停氣或斷氣，閥門能自動(dòng)關(guān)閉，以免物料全部流走應(yīng)選氣開閥，是“正作用”。問：被控變量和操作變量是什么？Ⅱ.簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)：對(duì)象：貯液罐。當(dāng)控制閥開度增加時(shí)，液位下降，故對(duì)象是“反作用”。控制器：在液位升高時(shí)，測(cè)量值增加，控制器的輸出增加，以保證控制閥的開度增加，使液位下降，故控制器是“正作用”。實(shí)例分析例1.試確定如圖所示系統(tǒng)（圖示系統(tǒng)為冷卻器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能太低，否則容易結(jié)晶）中控制閥的氣開、氣關(guān)型式和控制器的正、反作用。

解：由于被冷卻物料溫度不能太低，當(dāng)控制閥膜頭上氣源突然中斷時(shí)，應(yīng)使冷劑閥處于關(guān)閉狀態(tài)，以避免大量冷劑流入冷卻器，所以應(yīng)選擇氣開閥型式。當(dāng)冷劑流量增大時(shí)，被冷卻物料出口溫度是下降的，故該對(duì)象為“反作用”方向的，而氣開閥是“正”作用方向的，為使整個(gè)系統(tǒng)能起負(fù)反饋?zhàn)饔?，故該系統(tǒng)中控制器應(yīng)選“正”作用的。當(dāng)出口溫度增加時(shí)，控制器輸出增加、使控制閥開大，增加冷劑流量，從而自動(dòng)地使出口溫度下降，起到負(fù)反饋的作用。例2．如圖所示為一蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)。（1）指出該系統(tǒng)中被控變量、操縱變量、被控對(duì)象各是什么？（2）該系統(tǒng)可能的干擾有哪些？（3）該系統(tǒng)的控制通道是指什么？（4）試畫出該系統(tǒng)的方塊圖。（5）如果被加熱物料過低易結(jié)晶時(shí)，試確定控制閥的氣開、氣關(guān)型式和控制器的正、反作用。（6）試分析當(dāng)冷物料的流量突然增加時(shí)，系統(tǒng)的控制過程及各信號(hào)的變化情況.冷物料蒸汽熱物料

解:（1）該系統(tǒng)的被控對(duì)象是蒸汽加熱器，被控變量是被加熱物料的出口溫度，操縱變量是加熱蒸汽的流量。（2）該系統(tǒng)可能的干擾有加熱蒸汽壓力；冷物料的流量及溫度；加熱器內(nèi)的傳熱狀況（如結(jié)垢狀況）；環(huán)境溫度變化等。（3）該系統(tǒng)的控制通道是指由加熱蒸汽流量變化到熱物料的溫度變化的通道。（4）方塊圖如下圖所示。

（5）由于被加熱物料過冷易結(jié)晶，為避免過冷，當(dāng)控制閥上氣源中斷時(shí),應(yīng)使閥處于開啟狀態(tài)，所以控制閥應(yīng)選氣閉型式。由于加熱蒸汽流量增加時(shí)，被加熱物料出口溫度是增加的，故該系統(tǒng)中的對(duì)象是屬于“正”作用方向的。閥是氣閉型式，屬于“反”作用方向。為使系統(tǒng)具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，控制器?yīng)選“正”作用的，即正作用方向的。（6）當(dāng)冷物料流量突然增大時(shí)，會(huì)使物料出口溫度T下降。這時(shí)由于溫度控制器TC是正作用的，故當(dāng)測(cè)量值z(mì)下降時(shí)，控制器的輸出信號(hào)u下降,即控制閥膜頭上的壓力下降。由于閥是氣閉型式的，故閥的開度增加、通過閥的蒸汽流量也相應(yīng)增加，于是會(huì)使物料出口溫度上升，起到因物料流量增加而使溫度下降相反的作用，故為負(fù)反饋?zhàn)饔?。所以該系統(tǒng)由于控制作用的結(jié)果，能自動(dòng)克服干擾對(duì)被控變量的影響，使被控變量維持在恒定的數(shù)值上。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)7.3控制器參數(shù)的工程整定一、綜述

當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝完成后，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)以及被控對(duì)象各通道的特性就不能再改變了，只能改變調(diào)節(jié)器的比例度δ、TI、TD，即調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，其目的就是按照已定的控制系統(tǒng)，求取控制系統(tǒng)質(zhì)量的最佳參數(shù)值。例：對(duì)單回路控制系統(tǒng)，一般希望過渡過程是4:1~10:1

的衰減振蕩過程。二、整定方法分類常見的有根軌跡法，頻率響應(yīng)法，偏差積分準(zhǔn)則等。特點(diǎn)：必須知道被控對(duì)象的特性，才能獲得最佳參數(shù)。在缺乏足夠被控對(duì)象特性時(shí)，難以得到準(zhǔn)確參數(shù)，對(duì)復(fù)雜過程而言，其計(jì)算繁瑣，工作量大，費(fèi)時(shí)。常用于科研工作中做方案比較用。1、理論計(jì)算整定法：避開被控對(duì)象的特性和數(shù)學(xué)描述，在被控對(duì)象運(yùn)行時(shí)，通過改變控制器參數(shù)，觀察被控變量的過渡過程，來獲取參數(shù)的最佳值。常見有臨界比例法，衰減曲線法和經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)法。

（2）工程整定法又稱Ziegler-Nichols方法，它首先求取在純比例作用下的閉環(huán)系統(tǒng)為等幅振蕩過程時(shí)的比例度δk

和振蕩周