第六章簡單控制系統(tǒng)

實驗安排實驗時間：第11周周日（5月15日）實驗地點：機電樓C座218周日1,2節(jié)，應化14-1周日3,4節(jié)，應化14-2周日5,6節(jié)，應化14-3實驗名稱：

實驗四溫度傳感器及溫度控制實驗(AD590)實驗預習報告：（做實驗時必須帶預習報告）一、實驗目的二、實驗原理三、實驗儀器及所用單元第六章簡單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構與組成第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設計第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構與組成

簡單控制系統(tǒng)：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成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。圖6-1液位控制系統(tǒng)圖6-2溫度控制系統(tǒng)載熱體冷流體換熱器圖6-3簡單控制系統(tǒng)的方塊圖

ezxP執(zhí)行器

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

第六章簡單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構與組成第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設計第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定這一章主要回答三個問題

1.控制什么？

2.拿什么來控制？

3.通過什么方式控制？第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設計簡單控制系統(tǒng)的方框圖

ezxP執(zhí)行器一、被控變量的選擇；二、操縱變量的選擇；三、測量元件特性的影響；四、控制器控制規(guī)律的選擇;選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數(shù)整定概述控制器(LC或TC)執(zhí)行器（控制閥）被控對象（液位儲槽或換熱器）測量、變送環(huán)節(jié)（LT或TT）被控變量（液位或溫度）干擾偏差設定值＋－廣義對象簡單控制系統(tǒng)方塊圖載熱體冷流體換熱器溫度控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)常見的兩種簡單控制系統(tǒng)：所謂“關鍵”變量：是指對產(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變量；或者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。

1.采用直接指標控制直接指標控制：被控變量本身就是需要控制的工藝指標（壓力、流量、物位、溫度等）直接指標控制最直接，最有效。一、被控變量的選擇被控變量：希望保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量

選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數(shù)整定概述圖6-4精餾塔流程圖回流罐冷凝器頂采出進料蒸汽苯甲苯2.采用間接指標控制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，餾出物的組分濃度xD應作為被控變量。

xD為被控變量，獲取測量信號尚有困難時，可以找出與xD有關的參數(shù)作為被控變量，進行間接指標控制。

選取與直接質(zhì)量指標有單值對應關系而反應又快的另一變量作為間接控制指標

利用被分離物各組分的揮發(fā)度不同，把混合物中的各組分進行分離

3）找出與XD有關的參數(shù)XD=f（TD，P）（濃度與溫度和壓力有關）①當壓力恒定時，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。②當溫度恒定時，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）考慮工藝的合理性精餾塔流程圖回流罐冷凝器頂采出進料蒸汽TCTT結(jié)論：固定壓力，選擇溫度為被控變量。5）考慮被控變量的靈敏度。6）考慮被控變量間的獨立性。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).盡量采用直接指標作為被控變量。當直接指標無法獲得時，應選與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。(4).

被控變量應能被測量出來，并有足夠大的靈敏度。(5).考慮工藝過程的合理性及儀表的現(xiàn)狀。(6).被控變量應是獨立可控的。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

1.操縱變量ezxP執(zhí)行器選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數(shù)整定概述圖6-1液位控制系統(tǒng)圖6-2溫度控制系統(tǒng)載熱體冷流體換熱器操縱變量是執(zhí)行器所控制的參數(shù)。實現(xiàn)控制作用。

最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。

被控變量對象

干擾干擾通道操縱變量控制通道圖6-9干擾通道與控制通道的關系2.對象特性對選擇操縱變量的影響

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，使被控變量回復到給定值，起著校正作用。(1)對象靜態(tài)特性的影響放大系數(shù)K0，Kf，是對象的靜態(tài)參數(shù)。①控制通道的放大系數(shù)

K0：希望K0值大一些好,

K0越大,表示控制作用靈敏,抑制干擾的能力越強。但K0太大會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。干擾操縱變量被控變量KfK0②干擾通道的放大系數(shù)

Kf：

Kf無論大、小對被控變量

的質(zhì)量都有害，

希望Kf盡可能小。（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。

控制通道如果是二階環(huán)節(jié)，T0大，控制作用就反應遲鈍,過渡時間長，控制作用就弱。

希望T0適當小，有利于克服干擾，縮短過渡過程的時間。③干擾通道時間常數(shù)

Tf

對控制質(zhì)量的影響Tf越大，對被控變量影響越小。

如果控制通道τ0大，那么T0也大。因此，對象較難控制.純滯后時間τ0應盡量小。tyBAED圖6-10純滯后τ0對控制質(zhì)量的影響控制通道小為好②

控制通道滯后時間

τ0的影響tf如圖

并不起作用。被控變量只是推遲

時間變化。④干擾通道滯后時間τf對控制質(zhì)量的影響ty有純滯后無純滯后ty小結(jié)：(3).τ0越小越好,τf對被控變量無影響。(2).T0適當小，Tf越大越好；(1).K0適當大，Kf

越小越好；3.操縱變量的選擇原則(1).操縱變量是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。(2).操縱變量一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。

(3).考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。一般避免用生產(chǎn)負荷作為操縱變量。冷氣流量干燥塔

舉例

將濃縮乳液干燥成乳粉，生產(chǎn)上采用噴霧式干燥設備。在一定的干燥溫度下獲得合格產(chǎn)品。冷氣流量分析一下影響干燥塔溫度的因素。1.乳化物流量Q1的改變將影響干燥塔溫度。2.冷風量Q2的變化影響干燥塔溫度。3.蒸汽流量Q3的變化,影響干燥塔溫度。Q1Q2Q3蒸汽壓力的變化將引起干燥塔溫度。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

第二種方案：空氣流量Q2為操縱變量

空氣量與熱風混合通過風管進入干燥器，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)品混合過程控制器執(zhí)行器y變送器zxe風管干燥器-干燥器Q1方塊圖Q3干燥器風管換熱器TTTCQ1Q3設計出以干燥器溫度為被控變量，冷空氣流量為操縱變量，溫度控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)的方框圖

ezxP執(zhí)行器第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設計一、被控變量的選擇；二、操縱變量的選擇；三、測量元件特性的影響；四、控制器控制規(guī)律的選擇;1.測量元件的時間常數(shù)

測量元件本身時間常數(shù)Tm所造成的測量滯后。（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）測量元件之后引入微分作用。(a)yzt參數(shù)t參數(shù)yz(c)t參數(shù)yz(b)三、測量元件特性的影響選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數(shù)整定概述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系。y(s)z(S)則測量變送器y微分單元z

z2.測量元件的純滯后測量的純滯后有時是由測量元件安裝位置引起的。1)合理選擇測量元件的安裝地點，盡可能縮短純滯后

時間。

2）采用復雜控制系統(tǒng)。解決方法：延遲時間τ0:

圖6-133.信號的傳遞滯后

1)測量信號傳送產(chǎn)生的滯后:

指由現(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。2)控制信號傳送產(chǎn)生的滯后:

指由控制室內(nèi)控制器的輸出信號傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器所引起的滯后?？刂破?/p>

電氣轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場室內(nèi)

解決方法：1）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；

2）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。第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設計一、被控變量的選擇；二、操縱變量的選擇；三、測量元件特性的影響；四、控制器控制規(guī)律的選擇;四、控制器控制規(guī)律的選擇zxP執(zhí)行器1.控制器控制規(guī)律的確定zxe廣義對象圖6-14簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖被控變量測量值選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數(shù)整定概述對于單元組合儀表：特點：控制器的輸出與偏差成比例，克服干擾能力強，過渡過程時間短，過程終了存在余差。(1)、比例控制器適用范圍：控制通道滯后較小，負荷變化不大，允許余差存在。(2)、比例積分控制器根據(jù)對象的特性和工藝要求來決定選擇P、PI、PID。特點：過程結(jié)束時無余差，超調(diào)量和振動周期較大，過渡過程時間較長。

適用范圍：控制通道滯后較小，負荷變化不大，不允許余差存在。(3)、比例積分微分控制器特點：微分作用能克服對象的滯后。在比例的基礎上加上微分作用能提高穩(wěn)定性、再加上積分作用能消除余差。適用范圍：容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)。2.控制器正反作用的確定自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。即：被控變量值偏高，則控制作用應使之降低；被控變量偏低，則控制作用應使之升高。

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的閉環(huán)系統(tǒng)。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。輸入增加時，輸出增加，則稱為“正作用”；+輸入增加時，輸出減少的，則稱為“反作用”；-①測量變送器：

當被控變量增加時，其輸出也增加。因此，測量變送器一般都是正作用方向，”+”③被控對象：當操縱變量增加時，被控變量增加，則對象為“正作用”?！?”

當操縱變量增加時，被控變量降低，則對象為“反作用”。”-”

②執(zhí)行器：氣開閥：

信號增大時，閥開大,為正作用方向,用“+”號表示。氣關閥：

信號增大時，閥關小,為反作用方向,用“-”號表示。④控制器：控制器的輸出取決于于被控變量的測量值與給定值之差（e=z-x）。正作用控制器：

輸入偏差e增大時,控制器輸出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，控制器輸出p減少,為反作用方向。用“-”號表示。

如果①×②×③×④四項相乘為負值時，系統(tǒng)為負反饋。例1：加熱爐出口溫度控制，確定控制器的正、反作用。1.對象：當閥開大時,被控變量增大，作用方向為正作用，“+”。3.變送器：選正作用，“+”

。2.確定執(zhí)行器的氣開、氣關：因爐溫不允許過高。所以一但信號中斷時閥應關死（信號=0）。所以選氣開閥?！?”6-154.控制器：選反作用的，”-”。例2：液位控制，確定控制器的正、反作用。1.確定執(zhí)行器的氣開、氣關：因塔釜液位不允許過低。所以一但信號中斷時閥應關死（信號=0）,所以選氣開閥。為“+”表示。2.變送器：選正作用，“+”

。4.控制器：選正作用的,”+”。3.對象：當閥開大時,被控變量減少,作用方向為反作用，“-”。6-16第六章簡單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構與組成第二節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設計第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定第三節(jié)控制器參數(shù)的工程整定工程整定的方法有兩種:理論計算法和工程整定法。

理論計算法: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δ、TI

和TD

，使控制質(zhì)量為最佳。選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數(shù)整定概述一、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?。tyte臨界振蕩過程TK2.在干擾作用下，從大到小逐漸改變控制器比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩（即臨界振蕩）這時的比例度是臨界比例度δk，周期為臨界周期Tk

。（Ti=∞，TD=0位置上）。3.記下δk

、Tk

，然后按表6-1中公式計算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。

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振蕩的系統(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1.70.50.125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1.70.50.125表6-1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1.70.50.125二、衰減曲線法

通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振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饔谩２⒈壤确旁谳^大的數(shù)值上；2.系統(tǒng)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衰減為止，記下此時比例度δs,衰減周期Ts。6-21

表6-24:1衰減曲線控制器參數(shù)計算表/%/min/min比例比例+積分比例+積分+微分1.20.80.50.30.1控制作用3.根據(jù)表6-2中經(jīng)驗公式，計算出控制器的整定值。4.如果是10:1衰減曲線，方法同上，得到10:1衰減曲線時，記下此時比例度δs′和最大偏差上升時間T升。根據(jù)表6-3中經(jīng)驗公式計算出δ、TI、TD。表6-310:1衰減曲線控制器參數(shù)計算表/%/min/min比例比例+積分比例+積分+微分1.20.821.20.4控制作用5.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)。6-21

①干擾幅值施加的不能太大,要根據(jù)生產(chǎn)要求來定，一般為額定值的5%。

③對于反應快的系統(tǒng)，難以得到4:1曲線時,以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)定,就近似認為4:1衰減曲線。優(yōu)點：整定質(zhì)量較高,較準確可靠安全應用廣泛。

缺點：不適用于干擾頻繁,記錄曲線不規(guī)則的系統(tǒng)。注意：②必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定時,才能施加干擾,否則得不到正確的δS、TS或δS′、T升值。三、經(jīng)驗湊試法

經(jīng)驗湊試法是工人師傅在長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的整定方法?？刂茖ο髮ο筇卣鳓?%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)受干擾候變化遲緩；δ應??；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6-4控制器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表第一種方法：1.將Ti=∞，TD=0。根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)選出合適的比例度，系統(tǒng)自動運行。2.改變給定值，觀察被控變量記錄曲線形狀。如曲線不是要求的過渡過程，改變比例度，取的較好的過程曲線。3.將積分作用引入，整定δ、TI直到滿意曲線為止。4.如是PID控制器，則在已調(diào)整好δ和TI的基礎上再引入微分作用。微分時間也要在表6-4給出的范圍內(nèi)湊試。控制器參數(shù)變化對過渡過程曲線的影響關系：觀察到曲線振蕩很頻繁，須把比例度增大以減少振蕩；

當曲線最大偏差大且趨于非周期過程時，需把比例度減小。

當曲線波動很大時，應增大積分時間；

而在曲線偏離給定值后，長時間回不來，則需減小積分時間，以加快消除余差的過程。如果曲線振蕩得很厲害，需把微分時間減到最小，或者暫時不加微分作用，以免更加劇振蕩；在曲線最大偏差大而衰減緩慢時，需增加微分時間。y圖6-21δ過大、TI過大時兩種曲線比較圖y圖6－20三種振蕩曲線比較圖看曲線，調(diào)參數(shù)。TI小TD大TI大

大

小

積分時間過小引起的振蕩，周期較長;

比例度過小引起的振蕩，周期較短；

微分時間過大引起的

振蕩周期最短。

比例度過大，曲線波動劇烈、不規(guī)則地較大地偏離給定值，而且，形狀像波浪般起伏變化，如