過程控制課件：第6章單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、第6章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計6.1 概述6.2 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計 6.3 單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 6.4 單回路控制系統(tǒng)的投運6.5 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計舉例對于過程控制系統(tǒng)：控制方案的選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)整定如果控制方案設(shè)計的不合理，僅憑調(diào)節(jié)參數(shù)的整定無法獲得良好的控制質(zhì)量；控制方案很好，但是調(diào)節(jié)參數(shù)整定得不合理，也不能使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：簡單（單回路）控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng) 6.1 概述6.2 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計 一、概述 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)的性能指標(biāo)被控參數(shù)和控制參數(shù)選擇控制規(guī)律選擇執(zhí)行器的選擇被控參數(shù)的測量與變送 控制方案設(shè)計所包含的內(nèi)容：6.2.

2、1 被控參數(shù)的選擇 對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行、環(huán)境保護(hù)等具有決定性作用，能較好反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)變化的參數(shù)作為被控參數(shù)。 以工藝控制指標(biāo)作為被控參數(shù)（直接參數(shù)法或直接控制） 以質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行操作時，采用間接參數(shù)法 注意：間接指標(biāo)與質(zhì)量指標(biāo)要有單值函數(shù)關(guān)系， 時延小、反應(yīng)快。 液面、壓力、流量、溫度 根據(jù)工藝操作的特點，選擇被控參數(shù)一般有兩個途徑： 1.精餾原理 2.精餾塔對自控的要求 與XD有關(guān)的參數(shù) XD=f(TD p) 苯XD甲苯舉例說明：精餾塔的控制p= 常數(shù)XD = f（TD） XD TD XD TD 測出溫度可以知道濃度XD = f（p）XD pXD p 測出壓力可以知道濃

3、度TD = 常數(shù)結(jié)論：固定壓力，選擇溫度作為被控參數(shù) 考慮工藝的合理性 考慮所選被控參數(shù)的靈敏度 考慮所選被控參數(shù)的獨立性 苯XD甲苯2.原則： 直接指標(biāo)作為被控參數(shù)最直接最有效。 若不能直接用質(zhì)量指標(biāo)，應(yīng)選一個與質(zhì)量指標(biāo)有單 值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)，這個參數(shù)應(yīng) 能最好的反映工藝狀態(tài)。 被控參數(shù)應(yīng)有足夠的變化靈敏度。 工藝合理性和國內(nèi)、外儀表的狀況。 被控參數(shù)應(yīng)是獨立可調(diào)的。 6.2.2 控制參數(shù)的選擇 擾動作用對被控參數(shù)的影響是使其偏離給定值?？刂谱饔脛t是要克服擾動對被控參數(shù)的影響。 被控參數(shù)對 象 擾動擾動通道控制通道控制參數(shù)是執(zhí)行器所控制的參數(shù)，實現(xiàn)控制作用。 最常見的控制參數(shù)

4、是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等?？刂茀?shù)K0、T0、t0Kf、Tf、tf1.過程靜態(tài)特性的分析 結(jié)論： Kf Y（） 余差 Kf Y（） 余差 K0 Y（） 余差 K0 Y（） 余差 Kf越大、對被控參數(shù)的影響越大， 希望Kf盡可能小。希望K0值大一些好，K0越大，表示控制作用強，抑制擾動的能力越強。但K0太大會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.過程動態(tài)特性的分析 過程擾動通道動態(tài)特性的影響 時間常數(shù)Tf的影響 但由于過渡過程將乘上一個超調(diào)量隨著Tf的增大而減小，抑制擾動對被控參數(shù)的影響。擾動通道的時間常數(shù)Tf愈大，容積愈多，則擾動對被控參數(shù)的影響也愈小，控制質(zhì)量也愈好。Tf，曲線hf(t)越平坦，擾動對被控參

5、數(shù)的影響越小。 Tf，曲線hf(t)越接近階躍，擾動對被控參數(shù)的影響越大。 Tf越大越好 擾動通道的容積越多越大，對被控參數(shù)的影響越小。 時延時間tf的影響 不影響控制質(zhì)量 擾動作用點位置 結(jié)論：擾動越遠(yuǎn)離被控參數(shù)（即越靠近調(diào)節(jié)閥時）， 對被控參數(shù)的影響越小，則控制質(zhì)量越高。 控制通道動態(tài)特性的影響 可控性指標(biāo) K和：即K愈大，則余差愈小； 愈大，則過渡過程進(jìn)行愈快。 可控性指標(biāo)：系統(tǒng)的最大增益Kmax和臨界頻率c Kmax，可選放大系數(shù)K，從而系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越?。籧可選系統(tǒng)工作頻率，過渡過程越快。 在純比例作用時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界下的增益和振蕩頻率。 被控過程 系統(tǒng)參數(shù) 不通過程特性的 控制通

6、道中時間常數(shù)大、階數(shù)高、有純時延環(huán)節(jié)都將使過程的Kmax和c值變小，從而使控制性能變差。結(jié)論：應(yīng)選擇時間常數(shù)小，純時延小的通道作為 控制通道。 控制通道的影響 a.時間常數(shù)T0的影響 T0適當(dāng)小 純時延t0的影響 設(shè):b.時延的影響 （t0=0） 若可見，純時延t0的存在將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 當(dāng)t00時，隨著t0的增大，包圍（-1，j0）點。當(dāng)t0值愈大時，則這種可能性愈大。有可能相角滯后增加t0弧度 C被控參數(shù)在擾動作用下的變化曲線 A、B分別表示無純時延和 有純時延控制作用對 被控參數(shù)的校正作用 D、E分別表示無純時延和 有純時延情況下被控 參數(shù)的實際變化曲線 純時延使超調(diào)量增加，造成過渡

7、過程 的振蕩加劇，以致恢復(fù)時間拉長。 選擇控制參數(shù)時，要設(shè)法使控制通道純時延盡量小。 容量時延tc的影響 容量時延tc同樣會造成控制作用不及時，使控制質(zhì)量下降。若引入微分作用，對克服tc對控制質(zhì)量影響有顯著的效果。 時間常數(shù)分配的影響 T1=10s，T2=5s，T3=2s 參數(shù) 變化情況不同時間常數(shù)對控制質(zhì)量的影響 10 5 2 5 5 210 2.5 2 10 5 120 5 210 2.5 1 12.6 9.8 13.5 19.8 19.2 19.3 0.41 0.49 0.54 0.57 0.37 0.74 5.2 4.8 7.3 11.2 7.1 14.2原始數(shù)據(jù)減小減小減小增大減小使

8、幾個時間常數(shù)數(shù)值錯開，減小中間的時間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最大偏差，改善控制質(zhì)量。 選擇控制通道：3.根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則 K0要適當(dāng)大一些；T0要適當(dāng)小一些；t0愈小愈好。 Kf應(yīng)盡可能?。籘f要大；擾動引入系統(tǒng)的位置要靠 近調(diào)節(jié)閥；容量時延愈大，則有利于控制。 應(yīng)盡量設(shè)法把幾個時間常數(shù)錯開。 工藝操作的合理性、經(jīng)濟性。 舉例： 冷氣流量干燥塔 舉例： 乳化物流量的變化將會影響溫度 蒸汽壓力的變化將會影響溫度 鼓風(fēng)機風(fēng)量的大小還會影響溫度 冷氣流量GQp控制器執(zhí)行器干燥筒風(fēng)管換熱器測量變送器Y干燥筒干燥筒fQ fp風(fēng)管x蒸汽產(chǎn)品根據(jù)控制參數(shù)選擇原則進(jìn)行分

9、析：第一種方案：乳化物流量為控制參數(shù)控制通道滯后小，對于干燥溫度的校正作用最靈敏，而且干燥位置最靠近調(diào)節(jié)閥；擾動通道對象為多容量?？紤]工藝的合理性。乳化物流量是生產(chǎn)負(fù)荷，需要穩(wěn)定，不易作控制參數(shù)?？刂破鲌?zhí)行器干燥筒風(fēng)管換熱器測量變送器干燥筒干燥筒fG fp風(fēng)管Yx蒸汽產(chǎn)品第二種方案：空氣流量為控制參數(shù)較第一方案控制通道時延時間稍大, 靈敏度次之。調(diào)節(jié)器執(zhí)行器干燥筒風(fēng)管換熱器測量變送器Y干燥筒干燥筒fQ 風(fēng)管fG x蒸汽產(chǎn)品第三種方案：蒸汽流量為控制參數(shù)控制通道很長，純時延、容量時延大，靈敏度差。T0、t0大，不易作控制參數(shù)。第二種方案較好最合適 6.2.3 測量變送問題 1.純時延問題 控制通

10、道存在純時延 2.測量時延問題 解決的辦法： 選擇惰性小的快速測量元件，以減少時間常數(shù)。 選擇合適的測量點位置，以減少純時延。 使用微分單元，以克服測量環(huán)節(jié)的容量時延。 微分單元置于變送器之后時，有 微分單元置于調(diào)節(jié)器之后時，有 微分單元置于變送器之后時，有 微分單元置于調(diào)節(jié)器之后時，有 使系統(tǒng)對給定值變化的響應(yīng)起著加強的作用，能使系統(tǒng)較快的跟蹤。 6.2.4 信號傳送時延問題 測量信號傳送產(chǎn)生的時延 指測量變送器的輸出信號傳輸?shù)绞覂?nèi)調(diào)節(jié)器， 所引起的時延。調(diào)節(jié)器變 送器現(xiàn)場室內(nèi)控制信號傳送產(chǎn)生的時延 指調(diào)節(jié)器的輸出信號傳輸?shù)浆F(xiàn)場的執(zhí)行器， 所引起的時延。調(diào)節(jié)器 電 氣 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場室內(nèi)解決方法

11、：保證信號遠(yuǎn)距離傳輸時采用電信號傳輸。即將電氣轉(zhuǎn)換器放在室外。或采用電氣閥門定位器。6.2.5 執(zhí)行器的選擇 根據(jù)生產(chǎn)過程的特點、被控介質(zhì)的情況等，選用氣動執(zhí)行器或電動執(zhí)行器。1.氣動執(zhí)行器或電動執(zhí)行器的選擇2.結(jié)構(gòu)形式的選擇根據(jù)控制參數(shù)的工藝條件（如溫度、壓力、流量）及流體的性質(zhì)（粘度、腐蝕性、毒性、含懸浮物或含纖維等），再按各種調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點加以確定。 3.流量特性的選擇根據(jù)被控過程的特性、負(fù)荷變化的情況以及調(diào)節(jié)閥在管道中的安裝方式等，選擇適當(dāng)?shù)牧髁刻匦浴?.氣開、氣關(guān)形式的選擇按生產(chǎn)安全原則，選取氣開或氣關(guān)。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 能源等方面考慮。5.口徑的選擇6

12、.2.6 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 根據(jù)流體的體積或重量的數(shù)值、流體的種類、閥前后壓差選擇合適的計算公式，首先計算出流通能力，根據(jù)計算出的流通能力，在所選的產(chǎn)品型式的標(biāo)準(zhǔn)系列中就可確定閥的口徑。 比例控制規(guī)律 特點：克服干擾能力強，過渡過程時間短， 過程終了存在余差。 適用范圍：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大， 允許余差存在。 比例積分控制規(guī)律適用范圍：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大， 不允許余差存在。 比例積分微分規(guī)律適用范圍：容量滯后較大的系統(tǒng)，負(fù)荷變化大的系統(tǒng)。 P PI PI PI P PID 液位 壓力 流量 溫度 6.2.7 調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇 輸入增加時，輸出也增加，則放大系數(shù)為

13、正。“+”輸入增加時，輸出減少的，則放大系數(shù)為負(fù)。“-” 調(diào)節(jié)器正反作用的選擇，使自動控制系統(tǒng)具有負(fù)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)。定義各環(huán)節(jié)的作用方向：作用方向：指各環(huán)節(jié)輸入變化后，輸出的變化方向。執(zhí)行器：氣開（電開）式調(diào)節(jié)閥 Kv0 氣關(guān)（電關(guān)）式調(diào)節(jié)閥 Kv0 控制參數(shù)增加時，被控參數(shù)減少，K0 0 調(diào)節(jié)器：測量值增加，輸出增加，稱正作用，則Kc 0 測量值增加，輸出減少，稱反作用，則Kc0 原則：必須保證整個控制系統(tǒng)是負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 方法：使控制回路中各環(huán)節(jié)總的放大系數(shù)相乘必須為負(fù)。 T u出 閥關(guān)小 （X- Z） Th u出 閥開大 （X- Z） h 試確定兩個

14、系統(tǒng)中執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式、流量特性及調(diào)節(jié)器的正、反作用要求物料溫度不能過高，否則容易分解。要求物料溫度不能太低，否則容易結(jié)晶。氣開反作用氣開正作用 如圖為鍋爐液位自動控制系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝要求汽包水位必須穩(wěn)定。 試畫出該控制系統(tǒng)方框圖； 指出該系統(tǒng)中被控過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)； 確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式； 確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。 被控過程：汽包；被控參數(shù)：汽包液位； 控制參數(shù)：進(jìn)入汽包的水 防止事故狀態(tài)下鍋爐燒干， 所以調(diào)節(jié)閥選擇為氣關(guān)式。 Kv0 Km0 為保證為負(fù)反饋， Kc0，所以應(yīng)選擇為正作用。 解：6.3 單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 TITD4:110:1ytd調(diào)節(jié)器參數(shù)的

15、整定的方法: 理論整定法、工程整定法、計算機仿真尋優(yōu)整定法 。根據(jù)已知的廣義對象特性及控制質(zhì)量的要求,通過理論計算出調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)。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)。理論計算整定法：工程整定法：計算機仿真尋優(yōu)整定法 方法繁瑣、計算麻煩 方法簡單、計算方便、容易掌握利用誤差積分最優(yōu)準(zhǔn)則，通過計算機仿真以求調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定達(dá)到最優(yōu)，該整定方法的應(yīng)用越來越廣泛。 6.3.1 工程整定法1.反應(yīng)曲線法 將TI:，TD=0，把d放在合適的值，系統(tǒng)投入 自動運行，在擾動作用下，調(diào)整d使過程產(chǎn)生等 幅振蕩記下此時的dK，由過程曲線求取TK。 根據(jù)dK、TK，按表66計算

16、調(diào)節(jié)器參數(shù)值，d、TI、TD 將d放在比計算值略大些的刻 度上, 然后由大到小的將TI 加入，最后由小到大將TD 加入。 2.臨界比例度法優(yōu)點：簡單易掌握、易判斷整定質(zhì)量、應(yīng)用廣泛、 多數(shù)系統(tǒng)可使用。 缺點：不適用于dK小的系統(tǒng)。 將d調(diào)到計算值，觀測運行，如曲線不夠理想， 可對d、TI、TD 再作適當(dāng)調(diào)整。 3.衰減曲線法 系統(tǒng)按純比例作用投入自動運行。 根據(jù)經(jīng)驗選一d放好，觀測 過程曲線，若不為4:1或10:1 曲線,再改變d值，重復(fù)上述 動作，直到取得滿意的4:1或 10:1衰減過程為止。 記下此時的ds、Ts或ds T升， 按表67或表68計算各參數(shù) 值d、TI、TD。 將d放在比計算值略大些的刻度上，然后把 TI、TD加入，最后把d調(diào)到計算值。 優(yōu)點：整定質(zhì)量較高、較準(zhǔn)確可靠、安全、 應(yīng)用較廣泛。 缺點：不適用于擾動頻繁、記錄曲線不規(guī) 則的控制系統(tǒng)。 4.經(jīng)驗湊試法 將TI:，TD=0，根據(jù)經(jīng)驗