《简单控制系统》PPT课件.ppt

第六章 简单控制系统,简单控制系统的结构与组成 控制的目的、被控变量的选择 对象特性、操纵变量的选择 测量滞后、测量信号处理 负荷变化、调节阀选择 控制规律的选择 控制系统的投运与参数整定,这一章主要回答三个问题 1.控制什么？ 2.拿什么来控制？ 3.通过什么方式控制？,第一节 概述,四个基本环节：,测量变送环节 控制器 执行器 被控对象,简单控制系统的结构与组成,第二节 被控变量的选择,明确 控制目的,使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）,分析 生产工艺,“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量,确定 被控变量,两种控制类型：直接指标控制和间接指标控制 当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标。,选择被控变量,塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之间的关系为： XD= f (TD，P)，两个独立变量。,精馏塔系统的被控变量选择,要有代表性。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。 应该独立可控。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合)关系。 滞后要小。采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。 灵敏度要高。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。 成本要低。选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。,被控变量选择的一般原则,操纵变量与干扰变量,第三节 操纵变量的选择,原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。,精馏塔系统的操纵变量选择(塔顶产品为目的产品）,O,P,对象特性 是指被控对象输入与输出的关系 分为对象静态性质和对象动态性质 考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操 纵变量 控制质量 用系统的过渡过程来评价超调量、衰减比、 余差、过渡时间、振荡周期,对象特性对控制质量的影响,P,O,控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征，从控制有效性考虑，K0应适当的大一些,干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征，希望Kf小一些，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小,操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。,对象稳态性质对控制质量的影响,对象动态性质对控制质量的影响,1、控制通道时间常数 T0,2、控制通道滞后时间0,T0小一点好，不能过大，否则会使控制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长,在选择操纵变量构成控制回路时，应选择控制通道时间常数小一点的，同时尽量避免控制通道纯滞后0的存在，无法避免时应使之尽可能小。,干扰通道时间常数 Tf,Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量,干扰通道滞后时间f,干扰通道的纯滞后f不会影响控制质量,操纵变量的选择原则,操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小(但不宜过小，否则易引起振荡)、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。,根据稳态性质选择操纵变量,被控变量：物料出口温度,待选的操纵变量：,热物料流量F对冷物料出口温度T的放大系数为：,气氨回气压力P对冷却器物料出口温度T的放大系数为：,P,O,作业,思考 P168 4、5、6、7,第四节 控制器控制规律的选择,常用的几种控制规律,位式控制 适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。,比例控制 优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。 缺点：在过渡过程终了时存在余差 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。,比例微分控制 优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善控制质量。 缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。,比例积分微分控制 比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。,比例积分控制 优点：系统在过渡过程结束时无余差 缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。,控制器正、反作用的选择,保证整个控制系统形成负反馈。 在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般在自动控制系统投运前，被控对象、测量元件及执行器的作用方向是可以确定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。,所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。 自动控制系统的每个环节都有正反作用,何谓“正”、“反”作用？,控制器正 反作用选择的基本原则,控制器正 反作用选择的步骤,1、判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定 ； 2、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全； 3、确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；(当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向） 4、由整个控制系统必须为负反馈确定控制器的正反作用方向，即若广义对象为正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。,自动控制系统必是一个被控变量为负反馈的闭环系统，因而 选择控制器的正反作用，最终的结果一定要使整个控制系统 为负反馈的系统,控制器“正”、“反”作用选择分析：,液位控制系统,如图所示的液位控制系统，如果阀的气开、气关特性发生改变，控制器的正、反作用也应该发生改变。,假设阀门选用气关阀：,即有信号输入，阀门减小，流通截面减小，故为反作用，记为“”,由液位控制系统可知；控制阀为贮槽的入口阀，液位随着控制阀门开度的增加而增加，所以对象为正作用，记为“+”,所以广义对象的为“”，,为了使整个控制系统为负反馈系统，控制器必须是“正”作用,+,+,反之，若假设阀门选用气开阀：,控制器为“反”作用,例1：如图所示的液位控制系统，假设工艺要求供气（仪表的电信号、气压信号等）中断时液体不得外溢，请选择阀的气开、气关特性，并选择控制器的正、反作用。,因为：工艺要求供气中断时液体不得外溢，根据安全原则在此，控制阀控制的是进口物料，为保证安全，当没有控制信号时，阀门应关闭,(2)控制器的正、反作用的选择,自动控制过程为：,所以：选用反作用控制器,液位控制系统,解：(1)控制阀气开、气关特性的选择,所以：选用气开阀。,+,+,阀门开度大，液位上升，对象为“+”,+,为了保证自动控制系统为负反馈系统，当广义对象为“+”时，控制器必须是“”，,所以：广义对象为“+”,例2：如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺要求釜内温度不得过高，试确定控制器的正、反作用。,蒸汽加热反应釜,因为：工艺要求釜内温度不得过高，也就是说，供气中断时，热源（即蒸汽）进料阀须关闭，有信号则开 所以：应选气开阀。,所以：控制器应选反作用,解：(1)确定控制阀的气开、气关特性,(2)确定控制器的正、反作用,为了使控制系统为负反馈,+,+,蒸汽阀门开度大，反应釜内温度上升，对象“+”,所以：广义对象为“+”,+,例3：如图加热炉温度控制系统，试确定控制器的正、反作用。,加热炉温度控制带控制点的流程图,因：供气中断时，应使燃料阀全关，停止供应燃料油，不致使加热炉温度过高烧坏炉子。 故：选气开阀。（正作用）,(2)确定调节器的正、反作用,所以：控制器应选反作用,解：(1)确定控制阀的气开、气关特性,+,+,燃料油阀门开度大，加热炉内温度上升，对象“+”,所以：广义对象为“+”,为了使控制系统为负反馈,+,+,第五节 控制系统的投运与参数整定,控制系统的投运,（1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故障时能及时确定故障原因； （2）根据经验或估算比例度 、积分时间TI和微分时间TD的数值，或将控制器放在纯比例作用，比例度放在较大位置； （3）确认控制阀的气开、气关作用；确认控制器的正、反作用； （4）手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。 初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定比例度 、积分时间TI和微分时间TD三个参数。,控制器参数的工程整定,就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度、积分时间TI和微分时间TD，使控制质量能满足工艺生产的要求。 对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈4:1至10:1的衰减振荡过程。,什么是“参数整定”？,参数整定方法： 1、理论计算 2、工程整定（又叫经验整定方法，分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）,1、临界比例度法,先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度K，周期称为临界振荡周期Tk。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。,临界比例度法参数计算公式,注意： 当不存在临界比例度或临界比例度过小或不允许等幅振荡时，该方法不适用。,2、衰减曲线法使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值,先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现4：1衰减比为止，这时的比例度称为衰减比例度S ，周期称为衰减周期Ts。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。,表6-2 4:1衰减法参数计算公式表,表6-3 10:1衰减法参数计算公式表,采用衰减曲线法必须注意以下几点： (1) 加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的5左右; (2) 必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的S、Ts、T升。 (3) 对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4：1衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到4：1衰减过程了。,3、经验凑试法,根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。,先用纯比例进行凑试（把积分时间放在，微分时间放在0的位置上），待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量,（1）“看曲线，调参数”,（2）先按表6-4中给出的范围把积分时间TI计算出来，若要引入微分作用，可取TD=（1/31/4） TI，然后对进行凑试，若所得曲线不符合要求则重新凑试,1、不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值，这是因为不同的参数匹配有时会使过渡曲线相似 2、在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，在生产过程中，如果工艺操作条件改变或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，控制器的参数必须重新整定,注意,比例度过小（6-22b)、积分时间过小(6-22a)或微分时间过大(6-22c)，都会产生周期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期较长；比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大引起的振荡周期最短,比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢，一般来说，比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则地、较大幅度地偏离给定值，形状像波浪般起伏变化，如图曲线(6-23a)所示。如果曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复到给定值，这说明积分时间过大，如图曲线(6-23b)所示。,第一个问题：控制什么？,答：控制工艺要求的指标,具体分为两种情况： 1.工艺要求的指标可以直接在线测量 直接控制这个指标就可以了（直接指标控制） 2.工艺要求的指标不可以直接在线测量 寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）,例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据P155的分析，最终可以确定： 固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的,第二个问题：拿什么控制？,答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来作操纵变量。 K0大一些，T0小一些，0最好为0,测量仪表的选用和安装： 量程、材质、精度等满足工艺要求 测量仪表本身要反应快 应选择有代表性位置进行安装 仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后(至少要满足要求),执行器的选用和安装： 口径（流通能力