化工仪表及自动化课件：第7章 简单控制系统

1、第七章简单控制系统课程目录简单控制系统的结构与组成被控变量的选择操纵变量的选择测量元件特性的影响控制器控制规律的选择控制器参数的工程整定第一节 简单控制系统的结构与组成简单控制系统：即单回路控制系统一个测量元件与变送器一个控制器一个控制阀一个对象单闭环控制系统第一节 简单控制系统的结构与组成液位控制系统第一节 简单控制系统的结构与组成温度控制系统第一节 简单控制系统的结构与组成基本环节被控对象测量变送装置控制器执行器反馈控制被控变量对 象测量变送装置干扰执行器控制器给定值偏差广义对象第二节 被控变量的选择一.被控变量1. 定义生产过程中希望通过自动控制系统保持恒定（或按一定规律变化）的变量2.

2、 选择基准：影响生产的关键变量对生产的产量、质量和安全具有决定性作用，而人工操作难以满足要求，或人工操作虽可满足要求，但是这种操作是既紧张又频繁的第二节 被控变量的选择二.直接质量控制与间接质量控制直接质量控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成份）间接质量控制：当直接质量指标缺乏各种合适的获取质量信号的检测手段，或者虽能检测到，但是信号很弱或滞后很大，则选择与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量（如温度、压力）作为间接控制指标第二节 被控变量的选择例：精馏过程控制目标：保证塔顶（或塔底）馏出物的纯度，但是纯度难于检测产品纯度温度塔压具有一定关系第二节 被

3、控变量的选择020406080100708090100110120苯的百分含量/ %温度/C02040608010000.0250.050.0750.100.125苯的百分含量/ %压力/MPa第二节 被控变量的选择考虑工艺合理性选择温度塔压波动破坏汽液平衡，影响相对挥发度塔压变化影响塔的物料平衡，引起负荷波动所选被控变量应具有足够的灵敏度考虑关联问题，选择工艺要求关心的被控变量塔顶温度和塔底温度之间的耦合关系第二节 被控变量的选择三.选择的基本原则(1) 应能代表一定工艺操作指标或反映工艺操作状态，一般都是工艺过程比较重要的变量(2) 操作过程中经常受到一些干扰的影响，为维持被控变量的，需要

4、较频繁的调节(3) 尽量采用直接指标作为被控变量(4) 被控变量可测，并有足够的灵敏度(5) 必须考虑工艺合理性与仪表现状(6) 被控变量应该是独立可控的第三节 操纵变量的选择一.操纵变量定义在自动控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量介质的流量转速、电压第三节 操纵变量的选择一.操纵变量例：精馏过程T灵被控变量Q入T入x入Q蒸Q回第三节 操纵变量的选择二.对象特性对选择操纵变量的影响干扰变量：破坏作用，使被控变量偏离给定值操纵变量：校正作用，使被控变量回复到给定值操纵变量干扰变量被控变量第三节 操纵变量的选择二.对象特性对选择操纵变量的影响1. 对象静态特性的影响控制通

5、道的放大系数Kc 大些好，但不宜过大干扰通道的放大系数Kf 越小越好从静态特性考虑，应选择放大系数较大的可控变量作为操纵变量第三节 操纵变量的选择二.对象特性对选择操纵变量的影响2. 对象动态特性的影响(1) 控制通道时间常数T：小一些好(2) 控制通道纯滞后0：尽量小CEDyt0ABt0第三节 操纵变量的选择二.对象特性对选择操纵变量的影响(3) 干扰通道时间常数Tf：大一些好(4) 干扰通道纯滞后f：无影响tftyf有纯滞后无纯滞后tyf第三节 操纵变量的选择三.操纵变量的选择原则(1) 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节(2) 操纵变量应比干扰对被控变量的影响更加灵敏控制通道放大系数适

6、当大，时间常数适当小纯滞后时间尽量小干扰通道放大系数尽量小，时间常数尽量大(3) 考虑工艺合理性与经济性不宜选择生产负荷作为操纵变量第四节 测量元件特性的影响一.测量元件的时间常数tzy参数tzy参数tzy参数任何测量元件均具有时间常数，造成测量滞后特别是测温元件(a)(b)(c)第四节 测量元件特性的影响一.测量元件的时间常数测量元件时间常数不能太大，最好选用惯性小的快速测量元件，必要时可以在测量元件之后引入微分作用测量元件时间常数Tm小于对象时间常数的1/10，对控制质量影响不大测量元件的安装和维护也会影响测量与控制孔板、热电偶、热电阻第四节 测量元件特性的影响二.测量元件的纯滞后测量元件

7、的安装位置引入微分作用无效，测量元件的纯滞后应尽量减小第四节 测量元件特性的影响三.信号的传送滞后测量信号传送滞后由现场测量变送器的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后控制信号传送滞后控制室内控制器输出信号传送到现场执行器所引起的滞后信号的传送滞后应尽量减小尽量采用电信号第五节 控制器控制规律的选择一.控制器控制规律的确定广义对象被控对象、测量变送装置、执行器被控变量测量值广义对象干扰控制器给定值第五节 控制器控制规律的选择一.控制器控制规律的确定1.比例控制器控制器的输出与偏差成比例克服干扰能力强，控制及时，过渡时间短过渡过程结束时存在余差适用场合：控制通道滞后较小，时间常数较大，允许有余差

8、液位控制第五节 控制器控制规律的选择一.控制器控制规律的确定2. 比例积分控制器在比例作用的基础上增加积分作用，只要偏差存在，控制器输出就会不断变化过渡过程结束时无余差加上积分作用，会使稳定性降低第五节 控制器控制规律的选择一.控制器控制规律的确定PI作用的应用场合控制通道滞后较小，负荷变化不大不允许有余差流量、压力控制和要求严格的液位控制积分饱和现象：对于具有积分作用的控制器，只要测量值与给定值存在偏差，其输出就会不停的变化。如果因某种原因，偏差始终无法消除，经过一段时间，控制器的输出将进入深度饱和状态，这种现象叫饱和第五节 控制器控制规律的选择一.控制器控制规律的确定3. 比例积分微分控制

9、器微分作用对克服对象的滞后有显著的效果在比例作用的基础上加上积分作用能消除余差，加上微分作用能提高稳定性适当调整比例度 、积分时间TI和微分时间TD，可以获得较高的控制质量第五节 控制器控制规律的选择一.控制器控制规律的确定PID作用的适用场合容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求较高的系统温度控制与成分控制对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则容易引起控制系统不稳定第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定自动控制系统是具有负反馈的闭环系统自动控制系统各环节的作用方向被控对象测量元件及变送器执行器控制器通过设置控制器的正反作用，保证整个控制系统是具有负反馈的闭环

10、系统第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定作用方向：输入变化后，输出的变化方向自动控制系统各环节的作用方向测量元件及变送器：“ + ”执行器：气开阀：“ + ” 气关阀：“ - ”被控对象：操纵变量，被控变量，“ + ” 操纵变量，被控变量，“ - ”第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定控制器的正反作用正作用反作用esppv-pesppv+p第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定1. 方框图法从安全角度确定控制阀的气开/气关形式气开 “ + ”气关 “ - ”确定被控对象的方向测量元件及变送器“ + ”确定控制器的方向，保证各环节乘积为“

11、 - ”“ + ” ：反作用“ - ” ：正作用第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定被控变量+给定值0偏差+例：加热炉出口温度控制第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定例：液位控制被控变量+给定值0偏差+第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定2. 逻辑推理法假定测量信号增大要求操纵变量增大要求操纵变量减小要求阀上信号增大要求阀上信号减小要求控制器输出增大要求控制器输出减小正作用反作用第五节 控制器控制规律的选择二. 控制器正、反作用的确定第六节 控制器参数的工程整定控制器参数的整定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比例度

12、积分时间TI微分时间TD对于单回路的简单控制系统，一般希望过渡过程为4 :1（或10 :1）的衰减振荡过程第六节 控制器参数的工程整定控制器参数整定的方法理论计算根据已知的广义对象特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数工程整定在已经投用的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数第六节 控制器参数的工程整定一.临界比例度法整定步骤1. 纯比例控制，从大到小逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡（临界振荡）2. 记下临界比例度k和临界周期Tk3. 按照经验公式计算出控制器的各参数整定数值第六节 控制器参数的工程整定一.临界比例度法表7-1 临界比例度法参数计算公式

13、表tfty第六节 控制器参数的工程整定一.临界比例度法注意事项1. 系统能够出现等幅振荡，工艺允许产生等幅振荡2. 当系统等幅振荡时，阀不能出现全开或全关的情况3. 微分对纯滞后不起作用，大纯滞后时TD 小些， 大些第六节 控制器参数的工程整定二.衰减曲线法整定步骤1. 纯比例控制，从大到小改变比例度，直到出现4 : 1或10 : 1的衰减振荡2. 4 : 1，记录衰减比例度s和衰减周期Ts 10 : 1，记录衰减比例度s和上升时间T升3. 根据经验公式求出控制器的参数整定值第六节 控制器参数的工程整定二.衰减曲线法表7-2 4 : 1衰减曲线法参数计算公式表表7-2 10 : 1衰减曲线法参

14、数计算公式表tysTstytyT升第六节 控制器参数的工程整定二.衰减曲线法注意事项：1. 所加干扰不能太大，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产扰否则得不到正确的T p，s， T r， s 3. 对反应快的系统，较难得到4 : 1衰减振荡曲线，一般认为曲线来回波动两次达到稳态值，就近似认为达到 4 : 1衰减振荡第六节 控制器参数的工程整定三.经验凑试法直接在闭环系统中，观察过渡过程曲线，按照一定原则对PID参数进行整定。流量系统：宜用PI控制，往往需要精确控制液位系统：宜用纯比例，比例度要大温度系统：存在较大传递滞后和时间常数，宜用PID控制压力系统：液体压力，近

15、似流量调节 蒸汽压力，近似温度调节第六节 控制器参数的工程整定三.经验凑试法表7-4 控制器参数的经验数据表注意事项： 表中给出的只是一个大致范围，有时变动较大选取应注意测量变送装置的量程和控制阀的尺寸第六节 控制器参数的工程整定三.经验凑试法第 1 种整定步骤1. 纯比例作用进行凑试，待过渡过程符合要求（4 : 1衰减振荡） 2. 如需消除余差，则适当增加比例度，引入积分作用 3. 如需要再加入微分，允许适当减小比例度和积分时间第六节 控制器参数的工程整定三.经验凑试法不同参数对过渡过程曲线的影响(1) 比例度过小、积分时间过小、微分时间过大，都会产生周期性的激烈振荡(a) TI过小，周期较长(b) 过小，周期较短(c) TD过大，周期最短(a)(b)(c)从给定值指针动作，到测量指针动作，如果时间短，增加，如果时间长，增加TI，如果时间最短，减小TD第六节 控制器参数的工程整定三.经验凑试法(2) 比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢(a)(b)(b) TI过大，通过非周期的不正常路径，慢慢回复到给定值过大，波动较剧烈，不规则地较大地偏离给定值，形状像波浪式起伏变化第六