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简单控制系统 * * 由一个被控对象、一个检测变送单元、一个控 制器和一个执行器所组成的单闭环负反馈控制 系统叫做简单控制系统，也称为单回路控制系 统。 简单控制系统的方块图？ * 被控对象被控对象 测量变送测量变送 控制器控制器 执行器执行器 被控变量被控变量设定值设定值 扰动扰动 接受控制器的输出的控制信号，改变操纵变量，使被控变 量向设定值靠拢的装置，称为执行器。 最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。 * 执行器是控制系统最薄弱的环节。 自控系统出故障，70%都是执行器出问题。 原因：执行器与介质（操纵变量）直接接触 (强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、 高温、深冷、高压、高差压 * 执行机构是根据控制器的控制信号产生 推力或位移的装置。 执行器的组成 执行机构执行机构调节机构调节机构 调节机构是根据执行机构输出信号去改 变能量或物料输送量的装置，通常指控 制阀。 * 图 气动薄膜调节阀的外形和内部结构 1薄膜 2平衡弹簧 3阀杆 4阀芯 5阀体 6阀座 PO 气 动 执 行 机 构 调 节 机 构 1 2 3 4 5 6 * 执行器分类 1.电动执行器； 根据驱动信号的不同，执行器分为三种形式 2.气动执行器； 3.液动执行器。（推力最大，笨重，很少使用） 其中，气动薄膜调节阀应用最为广泛。 * 气动薄膜调节阀 1、接受20 100KPa的 标准气压信号； 2、在膜片上产生推力； 3、推动阀杆产生位移； 4、带动阀芯动作。 * 气动薄膜执行机构的正反作用 气源PO 气源PO 反作用执行机构（ZMB）正作用执行机构（ZMA） * 气动薄膜调节机构的正反作用 正作用：阀芯向下， 阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少。 反作用： 阀芯向上，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大。 正作用反作用 * 反作用 反作用 正作用 正作用 四种组合 正作用 正作用 反作用 反作用 气关式气关式气开式气开式 气开式：气信号增加，阀门开度增大。 气关式：气信号增加，阀门开度减小。 * 气开式与气关式的选择 生产安全。 气信号中断，控制阀复位，应能确保生产工艺设备的安全。 如果阀处于打开位置时危害性小，应用气关式；反之， 阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀 例一：加热炉的燃料进料阀应采用？ 气开阀，即当信号中断时应切断进炉燃料，以 免炉温过高发生事故。 例二：控制进入设备的易结晶气体的控制阀， 应选用？ 气关阀，以防堵塞。 * 控制阀的流量特性 理想流量特性，即在阀的前后压差固定的条件下，流量 与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。 理想流量特性主要有线性、等百分比及快开三种。这三 种特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得 到不同的理想流量特性。 * 快开：平板结构 线性：曲面形状，“瘦” 等百分比：曲面形状，“胖” * * 阀门定位器接受控制器的输出信号，然后将控制器 的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后， 其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器 阀门定位器的工作机理 控制器控制器 阀门定位器阀门定位器执行机构执行机构 控制阀控制阀 * * YT-1000R-PTM（带反馈） 电气阀门定位器 SIEMENS西门子阀门定位器 6DR5115-0EG00-0AA0 9800元 1050元 * 力矩平衡力矩平衡气信号气信号执行机构执行机构 力矩平衡力矩平衡 电-气阀门定位器 具有两个重要特点： 1、具有电气转换作用 2、具有阀门定位功能 工作原理方框图： * 双位控制 理想的双位控制器其输出p与输入偏差e 之间的关系为 特点：控制器只有两个输出，相应的执行器只有 开和关两个极限位置。 双位控制又称为开关控制。 * 继电器 电磁阀 * 比例控制( P ) 比例控制规律及其特点 比例控制器KC eu 图4-7 比例控制器 e（偏差）为控制器的输入信号，u为输出信号（变化 量），KC为比例增益（放大倍数）， KC越大，比例作 用越强。 比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量 * 比例度比例度 比例度与比例增益成反比。 比例度越小，则比例增益越大，比例控制作用就越强； 反之，比例度越大，则比例增益越小，比例控制作用 就越弱。 结论 * 比例度对过渡过程的影响 实现快速控制 * 积分控制（I） 一、积分控制规律及其特点 当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的 基础上，再加上积分控制作用。 积分控制作用的输出变化量u与输入偏差e的积分 成正比，即 表示积分速度 注意：具有积分控制规律的控制器，其输出信号的大小， 不仅决定于偏差信号的大小，还取决于偏差存在时间的长短。 * 比例积分控制规律（PI）与积分时间（ ） 比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加， 其数学表达式为： 为比例增益， 为积分时间， 比例积分控制器的传递函数为： * 1、积分时间越小，积分作用越强。反之，积分时间越大， 积分作用越弱。 2、若积分时间为正无穷大，就没有积分作用，此时的 比例积分控制器就称为纯比例控制器了。 结论 * 减小积分时间， 积分作用增强， 克服余差的能力增强， 准确性增强， 但是震荡加剧， 稳定性降低， 快速性降低。 * 微分控制（D） 一、微分控制规律及其特点 控制器的微分控制规律，是指输出信号的变化量与偏差 信号的变化速度成正比，即 为微分时间 当偏差变化速度相同时， 越大，控制器的微分作 用 控制器的输出变化 反之。 因此，微分时间是衡量微分作用强弱的重要参数。 * 微分作用的特点： 1、微分控制器的输出只与偏差的变化速度有 关，与偏差是否存在无关。 2、微分控制器的输出不能反应偏差的大小。 3、微分控制规律不能单独使用。 微分作用( _) * 微分作用具有抑制振荡的效 果，可以提高系统的稳定性, 减少被控变量的波动幅度,并 降低余差。 微分作用也不能加得过大。 微分控制具有“超前”控制 作用。 * 比例积分微分控制（PID） 同时具有比例、积分、微分三种控制作用的控制 器称为比例积分微分控制器比例积分微分控制器。 比例度（或者比例增益Kc）、积分时间 TI 和微分时间 TD。 可调参数有哪些？ * 怎样使一个PID控 制器变成纯比例 控制器？ 当比例积分微分控制器的积分 时间趋于无穷大，微分时间为 零的时候，这时的控制器相当 于纯比例控制器。 * 控制规律优缺点适用场合 位式结构简单 ;价格便 宜 ;控制质量不高 ;被控变量会振荡 对象容量大 ,负荷变化小 ,控 制质量要求不高 ,允许等幅振 荡 比例（P ） 结构简单 ;控制及 时 ;参数整定方便 ;控制结果有余差 对象容量大 ,负荷变化不大、 纯滞后小 ,允许有余差存在 , 例如一些塔釜液位、贮槽液位 、冷凝器液位和次要的蒸汽压 力控制系统等 比例积分 PI 能消除余差 ;积分 作用控制缓慢 ;会 使系统稳定性变差 对象滞后较大 ,负荷变化较大 ,但变化缓慢 ,要求控制结果无 余差。此种规律广泛应用于压 力、流量、液位和那些没有大 的时间滞后的具体对象 * 控制规律优缺点适用场合 比例微分 PD 响应快、偏差小、 能增加系统稳定性 ;有超前控制作用, 可以克服对象的惯 性;控制结果有余 差 对象滞后大,负荷变化不大,被 控变量变化不频繁,控制结果允 许有余差存在 比例积分 微分PID 控制质量高;无余 差;参数整定较麻 烦 对象滞后大;负荷变化较大,但 不甚频繁;对控制质量要求高。 例如精馏塔、反应器、加热炉 等温度控制系统及某些成分控 制系统 * 系统正常运行负反馈系统 如何保证能构成负反馈系统？ * 作用方向的规定 各环节正、反作用的确定 当该环节的输入信号增加时，如果输出信号也随之增加， 该环节为正作用。 执行器 气开式为正作用方向 气关式为反作用方向 * 测量变送环节 一般都为正 被控变量增加测量值增加 被控对象 操纵变量增加 被控变量增加 被控变量减小 正 反 * 控制器 偏差的计算： 正作用：e(t)=y(t)-SP 反作用：e(t)=SP-y(t) 当设定值不变，被控变量的测量值增加，控制器输出量增加， 当被控变量的测量值不变，设定值减小，控制器输出量增加， 为正作用。 当设定值不变，被控变量的测量值增加，控制器输出量减小， 当被控变量的测量值不变，设定值减小，控制器输出量减小， 为反作用。 * 如何构成负反馈系统？ 控制器执行器被控对象测量变送 “” “” “” 两个“”、“”或者三个“” * 控制器正、反作用的确定步骤： 执行器 气开式“” 气关式“” 被控对 象 确定“”“” 测量变 送 “” 控制器 根据反馈准则，确定“”“” * 例题 如图所示为一台釜式反应器的温 度控制系统示意图。为维持一定 的反应温度需用蒸气进行加热， 但如果温度过高，会有爆炸的危 险，则下列有关控制阀及控制采 取的形式及作用方向合理的是（ ）。 A控制阀为气开型，控制器为正作用式 B控制阀为气开型，控制器为反作用式 C控制阀为气关型，控制器为反作用式 D控制阀为气关型，控制器为正作用式 * 精馏塔 被控变量是塔内温度 回流阀 执行器？ 被控对象？ 测量变送？ 控制器？ * * * 1、确定控制方案（被控变量的选择与确认、 操纵变量的选择与确认、检测点的初步选 择，绘制工艺流程图等等）。 2、仪表及装置的选型（检测仪表、控制器、 执行器）。 3、相关工程内容的设计（控制室设计、供电 、供气系统、仪表配管配线，联锁保护系 统的设计等等）。 * 阅读教材回答以下问题： 1、所谓关键变量是指什么？ 2、什么是直接参数？ 3、什么情况下选用间接参数作为被控变量？ 4、所选用的间接指标需满足什么条件？ * 被控变量的选择 “关键”变量：对产品的产量、质量以及安全具有 决定性的作用，人工操作难以满足要求，或者人 工操作可以满足要求，但是这种操作既紧张又频 繁，劳动强度很大。 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量、质 量和安全又易于测量的参数作为被控变量，称为直 接参数法。例如温度、压力、液位、流量反映等生 产工艺状态的参数。 * 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直 接参数有单值对应关系、灵敏、易于测量的参数作为 被控变量，称为间接参数法。例如组分（某物质含量 ）、转化率等。 单值对应关系：单值对应也叫映射。对于集合A与B， 如果按照某种对应关系f，使A的任何一个元素a，在B 中都有唯一的元素b和它对应，这样的对应关系 叫做从集合A到集合B的“单值对应”。（一对一） * 被控变量的选择原则 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，一般是工艺过程中较重要的变量。 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰 影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。 尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得 直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时 ，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。 * 选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪 表产品现状。 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏 度。 被控变量应是独立可控的。 一个好的产品它的生产过程绝不能随心所欲，必须要按 照一定的规范标准来实施。这一规范标准就称之为工艺 。 * 图 精馏过程示意图 1精馏塔；2蒸汽加热器 举例 精馏工艺 阅读教材： 1、精馏塔的作用及工作原理？ 2、精馏工艺要求有哪些？ 3、扰动量有哪些？ * 从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量 第一，如塔压波动，就会破坏原来的气液平衡， 影响相对挥发度，使塔处于不良工况。同时，随 着塔压的变化，往往还会引起与之相关的其他物 料量的变化，影响塔的物料平衡，引起负荷的波 动。经济性。 第二，在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上 的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度 与组分之间就有一定的单值对应关系。 * 氨合成塔中，N2与H2气体在催化剂（铁触媒 (以铁为主，混合的催化剂)）作用下合成 NH3。（放热反应） 成分：滞后大，成本高，不宜作为被控变 量。（直接变量） 温度：单值对应关系，间接反映合成率。 （间接变量） * 1、定义 用来克服扰动对被控变量的影响、实现控制 作用的变量称为操纵变量。 操纵变量是执行器的输出。 操纵变量对被控变量影响显著且可控性好。 最常见的操纵变量是介质的流量 。 * U表示操纵变量，F表示扰动，Y表示被控变量 被控对象的输入输出关系如下图： Gf(s) Gp(s) U(s) F(s) Y(s) 扰动与操纵变量同时影响被控变量 * 1、通道：某个参数影响另一个参数的通路。 2、扰动通道：扰动影响被控变量的通路。 3、控制通道：控制变量影响被控变量的通路。 4、扰动作用与控制作用之间的关系？ 相互对立而依存 控制作用抑制扰动的影响，没有扰动就无须控制 * 1、可控，变化范围是生产允许的。 2、对被控变量影响最大。 3、工艺的合理性，生产的经济性。 注意：不宜选生产负荷作为操纵变量，以免 产量受到波动。 * 举例 把乳化物制作成干燥颗粒 被控变量？ 可选择的操纵变量？ 乳化物的流量 空气流量 蒸汽流量 操纵变量？ * 参数整定： 对于PID控制规律，比例度、积分时间TI和微分时间TD 大小决定比例、积分、微分控制的强弱和控制的品质。 稳 准 快 * 理论计算的方法和工程整定法 比例度、积分时间TI和微分时间TD的确定方法： 理论计算的法：数学模型已经准确确定，复杂 工程整定法 * 工程整定法 （1）经验经验 凑试试法 （2）临临界比例度法 （3）衰减曲线线法 * （1）经验经验 凑试试 法 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。 被控变 量 特 点% TI min TD min 温度对象容量滞后大，被控变量受干扰后 变化迟缓，%应小，TI要大，一般 要加微分T D 20603100.53 流量对象容量滞后一般较小，被控变量有 波动，%要大，TI要小，不用微分T D 40100 0.11 压力对象容量滞较小，一般不用微分 30700.43 液位一般要求不高，一般不用微分，允许 存在余差时不用积分。 2080 * 整定的步骤 1.先在表10-1中选选用一个较较大的比例度，用纯纯比例作用 进进行凑试试。通过过改变给变给 定值值施加干扰扰（一般给给定值值的变变 化不超过给过给 定值值的5%），观观察被控变变量的过过渡过过程是否 出现现4:1衰减曲线线。经过经过 反复改变变进进行凑试试，直到过过渡 过过程符合要求为为止。 2.将比例度适当增加10%20%，再根据表10-1中积积分范 围值选围值选 取一个积积分时间时间 ，加入给给定值值干扰扰，观观察曲线过线过 渡过过程。通过对积过对积 分时间进时间进 行反复凑试试，直到出现满现满 意的曲线线。 3.如系统统需要加入微分控制，可取TD(1/31/4)TI，然后 适当减小和TI，通过过反复改变变微分时间时间 进进行凑试试。直至 满满足工艺艺要求为为止。 理想曲线两个波，前高后低4比1 * （2）临临界比例度法 在纯纯比例作用下，先通过过反复试试凑得到临临界振荡过荡过 渡过过程 ，记录记录 下曲线线的临临界比例度k和临临界振荡荡周期Tk，然后根 据经验经验 数据表求出控制器各参数值值。 0 SP t t y(t)TK 图 临界振荡过 渡曲线 * 控制规律% T I/min T D/min P 2K PI2.2K0.85TK PID1.7K0.5 TK0.13 TK 表 临界振荡曲线法控制器参数经验数据表 （4：1衰减比） 适当微调参数，达到理想的过渡过程曲线 理想曲线两个波，前高后低4比1 * （3）衰减曲线线法 1、先将控制器变为变为 纯纯比例作用，并将比例度预预置在较较大的 数值值上（一般为为100%）。在达到稳稳定后，用改变给变给 定值值的 办办法加入阶跃阶跃 干扰扰，观观察被控变变量记录记录 曲线线的衰减比，然 后减小比例度，直至出现现41或10 1衰减比为为止。记录记录 下此 时时的比例度s 和衰减周期TS 。 控制规律% T I/min T D/min P s PI1.2s0. 5Ts PID0.8s0.3 Ts0.1 Ts 适当微调参数，达到理想的过渡过程曲线 理想曲线两个波，前高后低4比1 * 简单控制系统的投运 控制系统投运通过适当的方法使控制器从手动工作 状态平稳地转到自动工作状态。 手动自动 控制器 平稳 方法 * 手动 控制器 自动 调节阀 手动输出 自动输出 手动输出自动输出If 扰动、破坏系统原本的平衡 * 投运前的准备工作（检查）： 1.