第七章簡單控制系統(tǒng)

第七章簡單控制系統(tǒng)第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四ty

簡單控制系統(tǒng)的方框圖

干擾給定SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)：

由一個被控對象、測量變送器、控制器和執(zhí)行器所組成的單回路負反饋控制系統(tǒng)。

簡單控制系統(tǒng)的方框圖

干擾給定SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四溫度控制系統(tǒng)載熱體冷流體換熱器SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四液位控制系統(tǒng)SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四確定合理的控制系統(tǒng)方案根據(jù)工藝的要求：設(shè)計內(nèi)容(本節(jié)講述主要內(nèi)容）一、被控變量選擇；二、操縱變量的選擇；三、測量元件特性的影響；四、控制器的選擇;五、控制器參數(shù)的工程整定。操縱變量的選擇；控制器的選擇；SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四一、被控變量的選擇

從生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的要求出發(fā)，找出對產(chǎn)量、質(zhì)量、安全等方面起決定作用的變量。

1.采用直接指標控制直接指標：指的是生產(chǎn)過程中的壓力、流量、物位、溫度

等參數(shù)的測量控制。直接指標控制最直接，最有效。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四精餾塔流程圖回流罐冷凝器頂采出進料蒸汽2.采用間接指標控制以蒸餾塔控制為例1）精餾原理

2）精餾塔對自控的要求要求苯、甲苯達到一定的純度，因此，餾出物的濃度XD應(yīng)作為被控變量。苯甲苯SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四

XD為被控變量，獲取測量信號尚有困難時，可以找出與XD有關(guān)的參數(shù)作為被控變量，進行間接指標控制。3）找出與XD有關(guān)的參數(shù)XD=f（TD，P）（濃度與溫度和壓力有關(guān)）①當(dāng)壓力恒定時，即P=常數(shù)XD

=f（TD）

如圖所示

XD↑溫度越低

TD↓

XD↓溫度越高

TD↑

測出溫度可以知道濃度。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四②當(dāng)溫度恒定時，即TD=常數(shù)XD=f（P）

如圖所示

XD↑壓力越高

P↑

XD↓壓力越低

P↓

測出壓力可以知道濃度。4）考慮工藝的合理性結(jié)論：固定壓力，選擇溫度為被控變量。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四精餾塔流程圖回流罐冷凝器頂采出進料蒸汽TCTTSHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY5）考慮被控變量的靈敏度。6）考慮被控變量的獨立性。例如造紙過程中的硫酸鹽法蒸煮過程中，質(zhì)量指標是漿料的硬度和強度，是間接指標。第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四選擇被控變量的原則

1.能代表工藝的操作指標，能反映工藝操作狀態(tài)。

2.被控變量在操作過程中經(jīng)常受到干擾影響，需要頻繁控制的。

3.直接指標無法獲得時，應(yīng)選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。

4.間接參數(shù)能夠被測出，并有足夠的靈敏度。

5.考慮工藝過程的合理性及儀表的現(xiàn)狀。

6.間接參數(shù)應(yīng)是獨立的。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四二、操縱變量的選擇干擾作用對被控變量的影響是使其偏離給定值。操縱變量則是要克服干擾對被控變量的影響。

簡單控制系統(tǒng)的方框圖

干擾f給定xez操縱變量SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四溫度控制系統(tǒng)載熱體冷流體換熱器SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四液位控制系統(tǒng)SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四被控變量對象實現(xiàn)控制作用的操縱變量。即執(zhí)行器所控制的參數(shù)。

最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。

干擾干擾通道操縱變量控制通道（

）（

）SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四2.對象特性對選擇操縱變量的影響

1）對象靜態(tài)特性的影響放大系數(shù)，是對象的靜態(tài)參數(shù)。①

：希望值大一些好,

越大,表示控制作用靈敏,抑制干擾的能力越強。但太大會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。②

：

無論對系統(tǒng)的靜態(tài)還是動態(tài)對控制質(zhì)量都有害，

盡可能小。（

）（

）SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四2）對象動態(tài)特性的影響（1）控制通道時間常數(shù)T0

的影響T0太大或太小都不利于提高控制質(zhì)量。控制通道如果是一階環(huán)節(jié)，T0小，控制就靈敏。但太小，控制作用過于靈敏易引起控制過程震蕩，而不穩(wěn)定。hQ1Q2SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)控制通道如果是二階環(huán)節(jié)，T0大，控制作用就反應(yīng)遲鈍,過渡時間長，控制作用就弱。希望T0適當(dāng)小，有利于克服干擾縮短過渡過程的時間。hQ1Q2SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四（2）

Tf

對控制質(zhì)量的影響希望Tf越大，對被控變量影響越小。（3）

對控制質(zhì)量的影響①控制通道滯后時間

的影響如果控制通道大，那么T0也大。因此，對象較難控制。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四fthQ1Q2tyBCDAE控制通道小為好SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四tfty有純滯后無純滯后ty

如圖

并不起作用。被控變量只是推遲

時間變化。②

在干擾通道對控制質(zhì)量的影響SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四小結(jié)：

3.

越小越好,

對被控變量無影響。

2.適當(dāng)小，

越大越好；

1.

適當(dāng)大，越小越好；SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四操縱變量的選擇原則

1.工藝上要合理，除物料平衡調(diào)節(jié)外，一般避免用主物料流量（生產(chǎn)負荷）作為操縱變量。

2.操縱變量應(yīng)有克服干擾影響的校正能力，控制通道K0（放大倍數(shù)）較大。

3.控制通道的動態(tài)響應(yīng)要較干擾通道的動態(tài)響應(yīng)為快，滯后時間盡量小。

4.所選的操縱變量應(yīng)盡量是干擾點，遠離被控變量而靠近控制閥。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四舉例將濃縮乳液干燥成乳粉，生產(chǎn)上采用噴霧式干燥設(shè)備。在一定的干燥溫度下獲得合格產(chǎn)品。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四分析一下影響干燥器溫度的因素。1.乳化物流量Q1的改變將影響干燥筒溫度。2.鼓風(fēng)機風(fēng)量Q2的變化也將影響干燥筒溫度。3.蒸汽壓力的變化將引起蒸汽流量Q3的變化將影響干燥筒溫度。Q1Q2Q3SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四第一種方案：乳化物流量Q1為操縱變量考慮工藝的合理性。乳化物流量是生產(chǎn)負荷，需要穩(wěn)定，不易作操縱變量。根據(jù)操縱變量選擇原則進行分析：蒸汽產(chǎn)品SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四

第二種方案：空氣流量Q2為操縱變量空氣量與熱風(fēng)混合通過風(fēng)管進入干燥器，較第一方案控制通道滯后時間稍大,靈敏度次之。蒸汽產(chǎn)品SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四第三種方案：蒸汽流量Q3為操縱變量控制通道很長，純滯后、容量滯后大，靈敏度差。T0、τ0大，不易作操縱變量。蒸汽產(chǎn)品SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四混合過程控制器執(zhí)行器

y變送器zxe風(fēng)管干燥器-干燥器Q1設(shè)計出以干燥器溫度為被控變量，空氣流量為操縱變量，溫度控制系統(tǒng)。方塊圖Q3干燥器風(fēng)管換熱器TTTCQ1Q3SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四

簡單控制系統(tǒng)的方框圖

干擾f給定xez操縱變量SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四三、測量變送環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響1.測量元件安裝引起的純滯后電極只能安裝在流速較小的支管道上，因此，由測量元件安裝位置所引入的純滯后。合理選擇測量元件的安裝地點，盡可能縮短純滯后時間。LSHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY解決方法：第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四2.測量元件本身的測量滯后測量元件本身時間常數(shù)Tm所引起的動態(tài)誤差。（如測溫元件）解決方法：1）選擇快速測量元件（一般Tm<1/10TC為宜）；TC：對象時間常數(shù)2）正確選擇安裝位置；

3）正確使用微分單元。(a)yzt參數(shù)t參數(shù)yz(b)t參數(shù)yz(c)SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四我們分析加入微分單元后的情況：在測量元件之后引入微分單元測量變送器y微分單元z用拉氏變換式描述各環(huán)節(jié)Km/Tms+1TDs+1z（S）y（S）

Km—測量元件和變送器的放大倍數(shù)；Tm、TD—測量元件時間常數(shù)、微分時間。如果我們使Tm=TDKmy（S）z（S）可以看出變送器的輸出與被控變量的變化成正比關(guān)系。y(S）z（S）則SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四3.測量信號的處理

1)測量信號都要進行“濾波”處理：

測量元件本身的隨機波動特性或測量環(huán)境中的

電磁干擾所致不可避免地摻雜一些隨機干擾,對

測量信號一般都要進行“濾波”處理.

2)測量信號傳送產(chǎn)生的滯后:

指測量變送器的輸出信號傳輸?shù)绞覂?nèi)控制器，所引起的滯后。

3)控制信號傳送產(chǎn)生的滯后:

指控制器的輸出信號傳輸?shù)浆F(xiàn)場的執(zhí)行器，所

引起的滯后。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四解決方法：保證信號遠距離傳輸時采用電信號傳輸。即將電氣轉(zhuǎn)換器放在室內(nèi)?；虿捎秒姎忾y門定位器。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四四、氣動執(zhí)行器的選擇1.流量特性及結(jié)構(gòu)形式的選擇（略）2.氣開、氣關(guān)形式的選擇

從安全要求出發(fā)。當(dāng)氣壓信號中斷時，視調(diào)節(jié)閥處在全開或全關(guān)哪一位置對生產(chǎn)造成的危害最小而定。

若對生產(chǎn)安全影響不大時，可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源物料性質(zhì)等方面考慮。

五、控制器的設(shè)計

1.控制器正反作用的選擇

控制器正反作用的選擇，使自動控制系統(tǒng)具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此與各環(huán)節(jié)的工作方向有關(guān)。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四定義各環(huán)節(jié)的作用方向：①測量變送器：

當(dāng)輸入增加時輸出也增加。為正作用方向。用“+”號表示。②被控對象：

當(dāng)控制閥開大時，被控變量為增大變化時，為

正作用方向。用“+”號表示。反之用“-”號表示。作用方向：指各環(huán)節(jié)輸入變化后，輸出的變化方向。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四

③控制閥：

氣開閥：

信號增大時閥開大,為正作用方向,用“+”號表示。

氣關(guān)閥：

信號增大時閥關(guān)小,為反作用方向,用“-”號表示。

④控制器：

正作用控制器：

輸入偏差e增大時,輸出P增大,為正作用方向。用“+”號表示。

反作用控制器：

輸入偏差e增大時，輸出P減少,為反作用方向。用“-”號表示。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四例：加熱爐出口溫度控制，確定控制器的正、反作用。1.確定閥的氣開、氣關(guān)：

因爐溫不允許過高。所以一但信號中斷時閥應(yīng)關(guān)死（信號=0）。所以選氣開閥。為“+”表示。

2.變送器：為“+”表示。

3.對象：

當(dāng)閥開大時被控變量增大，作用方向為“+”。

4.控制器：選反作用的。如果①×②×③×④四項相乘為負值時，系統(tǒng)為負反饋?！罢薄罢薄罢薄胺础盨HANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四例：塔釜液位控制，確定控制器的正、反作用。

1.確定閥的氣開、氣關(guān)：

因塔釜液位不允許過低。所以一但信號中斷時閥應(yīng)關(guān)死（信號=0）,所以選氣開閥。為“+”表示。2.變送器：為“+”表示。3.對象：當(dāng)閥開大時被控變量減少,作用方向為“-”。4.控制器：選正作用的?！罢薄罢薄罢薄胺础盨HANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四（二）控制規(guī)律的選擇根據(jù)對象的特性和工藝要求來決定選擇P、PI、PID。1.比例控制器

適用于控制通道滯后較小,負荷變化不大,沒有提出無差要求的系統(tǒng)。

2.比例積分控制器適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小,負荷變化不大,不允許有余差的控制系統(tǒng)。

3.比例積分微分控制器

適用于容量滯后較大,負荷變化大,調(diào)節(jié)質(zhì)量要求

高的系統(tǒng)。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定工程整定的方法有兩種:理論整定法和工程整定法。

理論整定法:根據(jù)已知的廣義對象特性及控制質(zhì)量的要求,通過理論計算出控制器的最佳參數(shù)。工程整定法:在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中,通過實驗和探索,來確定控制器的最佳參數(shù)。

控制器參數(shù)整定:確定最合適的TI和TD,使控制質(zhì)量為最佳。控制器參數(shù)整定:確定最合適的、TI和TD

，使控制質(zhì)量為最佳。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四一、臨界比例度法1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔茫═i=∞，TD=0位置上）。tyt

e臨界震蕩過程TK2.在干擾作用下，從大到小逐漸改變比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩（即臨界振蕩）這時的比例度是臨界比例度，周期為臨界周期Tk

。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四3.記下PB、Tk然后按表中公式計算4.將計算的參數(shù)投入到儀表中。然后看調(diào)節(jié)曲線，調(diào)參數(shù)注意：①對于工藝上不允許有等幅震蕩的系統(tǒng)，不能使用。

②對于臨界比例度小的系統(tǒng)，不能使用。表7-1臨界比例度法參數(shù)計算表控制作用比例度%積分時間Ti/min微分時間TD/min比例2比例+積分2.2比例+微分1.80.850.1比例+積分+微分1.70.50.125SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四二、衰減曲線法通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減震蕩來整定控制器參數(shù)值。具體作法：1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔茫═i=∞，TD=0位置上）。并將比例度放在（100%）3.根據(jù)表中經(jīng)驗公式，計算出控制器的整定值。2.系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變給定值，加入干擾，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衰減為止，記下此時比例度，衰減周期TS。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四

tyTs3.根據(jù)表中經(jīng)驗公式，計算出控制器的整定值。4:1衰減曲線SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期四表7-2-3衰減曲線控制器參數(shù)計算表4:110:1/%/min/min比例比例+積分比例+積分+微分1.20.8比例比例+積分比例+積分+微分1.20.80.521.20.30.10.4控制作用4.如果是10:1衰減曲線方法同上，得到10:1衰