自動化儀表與過程第七章簡單控制系統(tǒng)

1、第七章簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)） 由一個受控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。TC冷流體載熱體TT換熱器簡單溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)方框圖 )(sGv)(sGo)(sGm)(sR)(sE)(sGc)(sQ)(sY)(1sF)(sFn簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則 被控變量的選擇被控變量的選擇 方法一方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于 測量的參數(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) 有單值對應(yīng)關(guān)系、易于測量的參數(shù)作為被

2、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。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則被控變量的選擇實(shí)例被控變量的選擇實(shí)例氨合成塔控制 合成塔中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)QNHHN32223 LTTM催化劑層深度與溫度關(guān)系催化劑層深度合成塔內(nèi)溫度熱點(diǎn)要正確選擇被控變量必須充分了解工藝過程、工藝特點(diǎn)及對控制的要求要正確選擇被控變量必須充分了解工藝過程、工藝特點(diǎn)及對控制的要求簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則被控變量的選擇原則被控變量的選擇原則1. 1. 選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境 保護(hù)保護(hù) 具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。具有決定性作

3、用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。2. 2. 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(shù)當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(shù)有有 單值函數(shù)關(guān)系單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。 滿足工藝的合理性滿足工藝的合理性 具有盡可能大的靈敏度且線形好具有盡可能大的靈敏度且線形好 測量變送裝置的滯后小。測量變送裝置的滯后小。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則操縱變量的選擇操縱變量的選擇被控變量（輸出量） 擾動變量（輸入量）操縱變量（輸入量） 從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計

4、原則對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為 擾動通道放大倍數(shù)為f 的大小表征了操縱變量對被控變量的影響程度 f的大小表征了擾動對被控變量的影響程度小結(jié)小結(jié)：選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，擾動通道的放大倍數(shù)f越小越好，控制通道放大倍數(shù)希望適當(dāng)大適當(dāng)大些，以使控制通道靈敏些。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設(shè): 擾動通道時間常數(shù)為f，純滯后為f 對擾動通道特性的影響對擾動通道特性的影響 ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2ff簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對象動態(tài)特性對控

5、制質(zhì)量的影響（二）對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）設(shè)：控制通道的時間常數(shù)為o，純滯后時間為o時間常數(shù)O小，反映靈敏，控制及時，有利于克服干擾的影響時間常數(shù)O過大，造成控制作用遲緩，使被控變量的超調(diào)量加大，過渡時間增長純滯后時間0使操縱變量對被控變量的作用推遲了一段時間，由于控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過渡過程振蕩加劇，過渡時間增長，控制質(zhì)量變壞。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則操縱變量的選擇原則操縱變量的選擇原則 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)、比較小的時間常數(shù)及盡可能小的純滯后時放大系數(shù)、比較小的時間常數(shù)及盡

6、可能小的純滯后時 間。間。 系統(tǒng)主要擾動通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時間常數(shù)系統(tǒng)主要擾動通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時間常數(shù) 和盡可能小的放大系數(shù)。和盡可能小的放大系數(shù)。 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。質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。測量變送問題測量變送問題-純滯后純滯后 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則電極酸槽LCACl1中和槽l2=2211vlvl1l、2l 為主管道，分管道的長度1v2v為主管道，分管道流體的流速 測量元件的安裝位置測量元件的安裝位置簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則測量變送問題測量變送問題-傳遞滯后傳遞滯后 盡可

7、能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號管路長度不超過 300m，管徑應(yīng)大于mm。或在氣路60m距離間加氣動繼動 器，提高氣信號傳輸功率，減小傳輸時間。 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。信號傳遞過程中引起的滯后信號傳遞過程中引起的滯后克服傳遞滯后采取以下措施：簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則控制器控制規(guī)律的選擇原則控制器控制規(guī)律的選擇原則1. 對于一些對象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求對于一些對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，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)。以

8、及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。2. 2. 對象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，但不允許有余差的對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)往往采用控制器。系統(tǒng)往往采用控制器。3. 3. 當(dāng)對象滯后較大，如溫度、值等控制系統(tǒng)則需引入微分當(dāng)對象滯后較大，如溫度、值等控制系統(tǒng)則需引入微分 作用。一般在對象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又作用。一般在對象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又 要求較高時，可選用比例（要求較高時，可選用比例（P P）積分（）積分（I I）微分（）微

9、分（D D）控制器。）控制器。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則執(zhí)行器的選擇原則執(zhí)行器的選擇原則1. 1. 控制閥結(jié)構(gòu)類型及材質(zhì)的選擇?？刂崎y結(jié)構(gòu)類型及材質(zhì)的選擇。2. 2. 控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇?？刂崎y氣開、氣關(guān)形式的選擇。3. 3. 控制閥流量特性的選擇。控制閥流量特性的選擇。4. 4. 控制閥口徑大小的選擇?？刂崎y口徑大小的選擇。簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)投運(yùn)控制系統(tǒng)投運(yùn)-通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩庸ぷ鳡顟B(tài)平穩(wěn)地通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩庸ぷ鳡顟B(tài)平穩(wěn)地 轉(zhuǎn)到自動工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)到自動工作狀態(tài)。準(zhǔn)備工作：準(zhǔn)備工作：1. 1. 詳細(xì)了解工藝，對投運(yùn)中可能出現(xiàn)的問題有所估計。詳細(xì)了解工藝，對投運(yùn)中可

10、能出現(xiàn)的問題有所估計。2. 2. 吃透控制系統(tǒng)的設(shè)計意圖。吃透控制系統(tǒng)的設(shè)計意圖。3. 3. 在現(xiàn)場，通過簡單的操作對有關(guān)儀表（包括控制閥）的在現(xiàn)場，通過簡單的操作對有關(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。功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判斷。4. 4. 設(shè)置好控制器正反作用和、參數(shù)。設(shè)置好控制器正反作用和、參數(shù)。5. 5. 按無擾動切換（指手、自動切換時閥上信號基本不變）按無擾動切換（指手、自動切換時閥上信號基本不變） 的要求將控制器切入自動。的要求將控制器切入自動。控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定-對已定的控制系統(tǒng)求取保證控制過程對已定的控制

11、系統(tǒng)求取保證控制過程 質(zhì)量為最好的控制器參數(shù)（比例度質(zhì)量為最好的控制器參數(shù)（比例度 %、 積分時間積分時間T TI I、微分時間、微分時間T TD D ）控制器的參數(shù)整定方法控制器的參數(shù)整定方法 理論計算參數(shù)整定法理論計算參數(shù)整定法已知廣義對象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)已知廣義對象的數(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，通過計算確定相應(yīng)系統(tǒng)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求，通過計算確定相應(yīng) 的的PIDPID參數(shù)。參數(shù)。 現(xiàn)場工程整定法現(xiàn)場工程整定法條件：在工藝過程手操穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。條件：在工藝過程手操穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。 1 1）經(jīng)驗(yàn)法）經(jīng)驗(yàn)法 2 2）衰減曲線法）衰減曲線法 3 3）臨界比例度法）臨界比

12、例度法 4 4）響應(yīng)曲線法）響應(yīng)曲線法控制器參數(shù)的工程整定方法一：經(jīng)驗(yàn)法方法一：經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)(%)(%)T TI I ( ( min min) )T TD D( ( min min) )溫度溫度流量流量壓力壓力液面液面20206060404010010030307070202080803 3 10100.10.11 10.40.43 30.50.53 3（長期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的一種整定方法）方法方法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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)中通過改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形控制系統(tǒng)中通過改變給定值以施加

13、干擾，看輸出曲線的形 狀，以狀，以 %、T TI I、T TD D，對控制過程的規(guī)律為指導(dǎo)，調(diào)整相應(yīng)，對控制過程的規(guī)律為指導(dǎo)，調(diào)整相應(yīng) 的參數(shù)進(jìn)行湊試，直到合適為止的參數(shù)進(jìn)行湊試，直到合適為止 控制器參數(shù)的工程整定方法二：臨界比例度法方法二：臨界比例度法臨界振蕩整定計算公式臨界振蕩整定計算公式 控制器參數(shù)控制器參數(shù) 控制規(guī)律控制規(guī)律(%)(%)TI (min)TD (min)P2K KPI2.2K KTk/1.2PID1.6K K0.5Tk0.25TI控制器參數(shù)的工程整定方法三：衰減曲線法方法三：衰減曲線法衰減曲線法控制器參數(shù)計算表衰減曲線法控制器參數(shù)計算表 控制器參數(shù)控制器參數(shù) 控制規(guī)律控制

14、規(guī)律(%)(%)TI (min)TD (min)PS SPI1.2S S0.5TSPID0.8S S0.3TS0.1TS方法方法 在純比例作用下，由大到小在純比例作用下，由大到小調(diào)整比例度以得到具有衰減比調(diào)整比例度以得到具有衰減比（4：1）的過渡過程，記下此）的過渡過程，記下此時的比例度時的比例度 S S及振蕩周期及振蕩周期T TS S，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，求出相應(yīng)的積根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，求出相應(yīng)的積分時間分時間T TI I和微分時間和微分時間T TD D?？刂破鲄?shù)的工程整定方法四：響應(yīng)曲線法方法四：響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法控制器參數(shù)計算表響應(yīng)曲線法控制器參數(shù)計算表 控制器參數(shù)控制器參數(shù) 控制規(guī)律控制規(guī)律K

15、c Ti Td PTP/ KPP PI0.9TP/ KPP3.3P PID1.2TP/ KPP2P0.5P （根據(jù)廣義對象的時間特性來整定參數(shù)）（根據(jù)廣義對象的時間特性來整定參數(shù)） 方法方法 將控制器處于將控制器處于“手操手操”，操作，操作“手操撥盤手操撥盤”使控制輸出有個階躍變化，由使控制輸出有個階躍變化，由記錄儀表記下被控變量的記錄值記錄儀表記下被控變量的記錄值Z(tZ(t) ) 。在反應(yīng)曲線拐點(diǎn)處作一切線，根據(jù)切。在反應(yīng)曲線拐點(diǎn)處作一切線，根據(jù)切線與初始值及穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)，就可獲得廣義對象的三個特征參數(shù)線與初始值及穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)，就可獲得廣義對象的三個特征參數(shù)K KP P、T TP P、 P P 單回路控制系統(tǒng)工程設(shè)計實(shí)例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔噴霧式干燥塔控制系統(tǒng)設(shè)計噴霧式干燥塔控制系統(tǒng)設(shè)計 碳酸鈣漿液干燥過程工藝流程。碳酸鈣漿液干燥過程工藝流程。生產(chǎn)工藝要求生產(chǎn)工藝要求 產(chǎn)品溫度要求穩(wěn)定，即含水產(chǎn)品溫度要求穩(wěn)定，即含水量波動量波動 不能太大。不能太大。 設(shè)計要求設(shè)計要求1. 1.選擇被控變量與操縱變量選擇被控變量與操縱變量2. 2. 過程檢測、控制設(shè)備的選用過程檢測、控制設(shè)備的選用單回路控制系統(tǒng)工程設(shè)計實(shí)例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔選擇被