第七章簡單控制系統(tǒng)1

第七章簡單控制系統(tǒng)

內(nèi)容提要簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計被控變量的選擇操縱變量的選擇測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)驗湊試法1第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成2

簡單控制系統(tǒng)通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(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，將不再畫出測量、變送環(huán)節(jié)，但要注意在實際的系統(tǒng)中總是存在這一環(huán)節(jié)，只是在畫圖時被省略罷了。說明第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成（續(xù)）3圖7-3簡單控制系統(tǒng)的方塊圖從圖中可知

簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、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，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進行控制的。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計一、被控變量的選擇4

生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（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)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程的關(guān)系）直接指標控制；間接指標控制。5第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）6圖7-4精餾過程示意圖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圖舉例第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）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應(yīng)關(guān)系。所選變量有足夠的靈敏度。7第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）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或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量。（2）被控變量在工藝操作過程中經(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）盡量采用直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標作為被控變量。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）（4）被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。（5）選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。（6）被控變量應(yīng)是獨立可控的。

9第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）二、操縱變量的選擇101.操縱變量

在自動控制系統(tǒng)中，把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。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定對工藝進行分析，找出有哪些因素會影響被控變量發(fā)生變化的。在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入，作為操縱變量，而其他未被選中的所有輸入量則視為系統(tǒng)的干擾。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）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。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）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。通過工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。

12第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）132.對象特性對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象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）（1）對象靜態(tài)特性的影響

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

控制通道的時間常數(shù)不能過大，否則會使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過渡時間長。要求對象控制通道的時間常數(shù)T小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。14第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）15②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間。這樣造成的純滯后τO對控制質(zhì)量是有影響的。圖7-10所示為純滯后對控制質(zhì)量影響的示意圖。圖7-10純滯后τ0對控制質(zhì)量的影響

在選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，應(yīng)使對象控制通道的純滯后時間τ0盡量小。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）16③干擾通道時間常數(shù)的影響

干擾通道的時間常數(shù)Tf越大，表示干擾對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間τf，使整個過渡過程曲線推遲了時間τf，只要控制通道不存在純滯后，通常是不會影響控制質(zhì)量的，如圖7-11所示。圖7-11干擾通道純滯后τf的影響第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）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)比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。

③

在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。工藝合理性的理解：不宜選擇生產(chǎn)負荷作為操縱變量，因為生產(chǎn)負荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，是不宜經(jīng)常波動的。生產(chǎn)的經(jīng)濟性的理解：應(yīng)盡可能降低物料與能量的消耗。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）三、測量元件特性的影響18

測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進行控制的依據(jù)。要求它能正確地、及時地反映被控變量的狀況。1.測量元件的時間常數(shù)圖7-12測量元件時間常數(shù)的影響

測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數(shù)，易造成測量滯后。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）19

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

結(jié)論比如孔板的安裝，熱電偶使用一段時間后的表面結(jié)晶和結(jié)焦使時間常數(shù)大大增加第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）202.測量元件的純滯后當測量存在純滯后時，會嚴重地影響控制質(zhì)量。圖7-13PH值控制系統(tǒng)示意圖有時，測量的純滯后是由于測量元件安裝位置引起的。延遲時間τ0

這一純滯后使測量信號不能及時反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）213.信號的傳送滯后信號傳送滯后

測量信號傳送滯后

控制信號傳送滯后

由現(xiàn)場測量變送裝置的信號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傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器所引起的滯后。信號的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。信號傳送滯后對控制系統(tǒng)的影響基本上與對象控制通道的滯后相同，應(yīng)盡量減小。所以，一般氣壓信號管路不能超過300m，直徑不能小于6mm，或者用閥門定位器、氣動繼動器增大輸出功率，以減小傳送滯后。在可能的情況下，現(xiàn)場與控制室之間的信號盡量采用電信號傳遞，必要時可用氣-電轉(zhuǎn)換器將氣信號轉(zhuǎn)換為電信號，以減小傳送滯后。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）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簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖（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。對于單元組合儀表適用于

控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）

控制器的輸出與偏差成比例。當負荷變化時，比例控制器克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。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)在過渡過程終了時存在余差。負荷變化越大，余差就越大。特點23第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）24（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。可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KP（或比例度δ）和積分時間TI。適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）特點

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，控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例度，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，過渡過程的時間也加長。25第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）26（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）、積分時間TI和微分時間TD。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）特點

微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對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)。27第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）28

目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時間TD置于０，就成了比例積分控制器，如果同時將積分時間TI置于無窮大，便成了比例控制器。注意！第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）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)能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(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某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向。當環(huán)節(jié)的輸入增加時，輸出減少的稱“反作用”方向。

第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）測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。被控對象作用方向隨具體對象的不同而各不相同。控制器

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，如果測量值增加時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。30第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）31

在一個安裝好的控制系統(tǒng)中，對象的作用方向由工藝機理可以確定，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)對象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。結(jié)論第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）32舉例一個簡單的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。

對象加熱爐

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)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）

當操縱變量燃料氣流量增加時，被控變量是增加的，故對象是“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（停氣時關(guān)閉），以免當氣源突然斷氣時，控制閥大開而燒壞爐子。那么這時執(zhí)行器便是“正”作用方向。為了保證由對象、執(zhí)行器與控制器所組成的系統(tǒng)是負反饋的，控制器就應(yīng)該選為“反”作用。33第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計（續(xù)）34圖7-16液位控制一個簡單的液位控制系統(tǒng)

執(zhí)行器是“正”方向。對象是“反”方向?？刂破鳛椤罢狈较颉D7-17控制器正、反作用開關(guān)示意圖

控制器的正、反作用可以通過改變控制器上的正、反作用開關(guān)自行選擇。一臺正作用的控制器，只要將其測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、積分時間TI和微分時間TD。方法理論計算的方法和工程整定法。

幾種常用的工程整定法

先通過試驗得到臨界比例度δk和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。工程整定法是在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中，通過試驗或探索，來確定控制器的最佳參數(shù)。這種方法是工藝技術(shù)人員在現(xiàn)場經(jīng)常遇到的。常用的有幾種：臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗湊試法等。第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定（續(xù)）36圖7-18臨界振蕩過程控制作用比例度/%積分時間TI/min微分時間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)計算公式表特點

比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。對于工藝上不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)本方法不適用。因為臨界比例度很小，則控制器輸出的變化一定很大，被控變量容易超出允許范圍，影響生產(chǎn)的正常進行。第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定（續(xù)）二、衰減曲線法37通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值。圖7-194:1和10:1衰減振蕩過程控制作用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)計算表表7-310:1衰減曲線法控制器參數(shù)計算表第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定（續(xù)）

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。通過比例度δs和衰減周期TS,得到控制器的參數(shù)整定值。38第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定（續(xù)）39（1）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，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，要在記錄曲線上嚴格得到4∶1衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)定，就可以近似地認為達到4∶1衰減過程了。注意！特點：比較簡單，適用于一般情況下的各種參數(shù)的控制系統(tǒng)。但對于干擾頻繁、記錄曲線不規(guī)則、不斷有小擺動的情況，由于不易得到準確的衰減比例度和衰減周期，使得這種方法難于應(yīng)用。第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定（續(xù)）三、經(jīng)驗湊試法

根據(jù)經(jīng)驗先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，直接在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，運用δ、TI、TD對過渡過程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對比例度δ、積分時間TI和微分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。40第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定（續(xù)）41控制對象對象特征δ/%TI/minTD/min流量溫度壓力液位對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，δ要大；TI要短；不用微分對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩；δ應(yīng)??；TI要長；一般需加微分對象的容量滯后一般，不算大，一般不加微分對象時間常數(shù)范圍較大。要求不高時，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)驗數(shù)據(jù)表第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定（續(xù)）整定的步驟方法1：先用純比例作用進行湊試，待過渡過程已基本穩(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)。42整定具體方法：根據(jù)經(jīng)驗并參考表7-4的數(shù)據(jù)，選定一個合適的δ值作為起始值，把積分時間放在無窮大，微分時間設(shè)置為0，將系統(tǒng)投入自動。改變給定值，觀察被控變量記錄曲線形狀，直到4:1衰減為止。若要求消除余差，則要引入積分作用。一般積分時間可先取為衰減周期的一半值，并在積分作用引入的同時，將比例度增加10%-20%，看記錄曲線的衰減比和消除余差的情況，如不符合要求，再適當改變δ和TI值，直到記錄曲線滿足要求。如果是三作用控制器，則在已調(diào)整好δ和TI的基礎(chǔ)上再引入微分作用，而在引入微分作用后，允許把δ值縮小一點，把T