过程控制及仪表（过程控制系统篇）PPT电子教案课件-第三章 单回路控制系统.ppt

第三章 单回路控制系统 过程控制及仪表 （过程控制系统篇） 1.单回路的组成、特点及应用场合； 2.被控量的选择： 直接参数、间接参数； 3.操纵量的选择： 放大系数对控制质量的影响； 干扰通道和控制通道 k、t、的影响,容量滞后的影响； 操纵量的选择的选择原则。 4 .控制阀的选择： 控制阀流量特性的选择； 控制阀口径的计算； 控制阀作用方式的选择 本章重点： 第一节 概述 设定值和控制算法 单回路控制系统又称简单控制系统。 它是由被控对象、检测元件及变送器、 控制器和执行器组成一个闭合回路的反 馈控制系统。 单回路控制系统的组成见图3-1和3-2 一、系统的组成 第一节 概述 生产过程控制工程主要包括四部分内容： 二、控制系统的工程考虑 单回路的设计和整定方法是其他各类复杂控制系统的基础。 适用于被控对象滞后时间较小、负荷和干扰变化不大、控制质量 要求不很高的场合。 单回路的应用场合： 单回路控制系统是所有过程控制系统中最简单、最基本、最成熟、 应用最广泛的一种。 单回路控制系统的特点： 1.方案设计 合理选择操纵量和被控量，处理好不同控制系统间的关联影响。 仪表选型，仪表盘设计，动力设计，信号系统设计，仪表防护设 计，绘制相应的图纸。 整定控制器的pid参数。 4.参数整定 3.工程安装、单机仪表及系统联校 2.工程设计 第一节 概述 第二节 被控量和操纵量的选择 cc o o k)s(w ts k )s(w = + = 控制器传函： 控制通道传函：设： （一）干扰通道静态特性（放大系数）对控制质量的影响 选择操纵量的依据：以被控对象特性参数（k、t、）对控制 质量的影响为依据，选择操纵量 二、操纵量的选择 间接参数：与直接参数具有单值关系（p、t等），并有足够灵敏度 直接参数：能表征产品产量、质量、安全性能等方面的参数。 （系统设计方案的核心部分） 一、被控量的选择 1 第二节 被控量和操纵量的选择 )s(d )s(w)s(w1 )s(w )s(r)s(y)s(r)s(e )s(w)s(w1 )s(w )s(d )s(y 1st(1st k )s(w oc d oc d 21 d d + -=-= + = + = 控制系统的偏差为： 相对于扰动输入，系统闭环传函为： ）（ 干扰通道传函： 余差为：由终值定理可求出系统 因而，对于定值系统， )s(d )s(w)s(w1 )s(w slim) s (selim) t ( elim)e(c )s(d )s(w)s(w1 )s(w )s(e , 0)s(r oc d 0s0st oc d + - = + -= = 注：对某一控制系统来说，kokc有一最 佳值，因此ko小可加大kc来补偿。 要求：co变换率高，蒸汽量 消耗小，触媒寿命长。 例：合成氨变换炉，见图3-4. 大，控制作用强。大一点。，选择操纵量时，使 大一点好。越小越好，由此可见， ，因而，对于阶跃函数，有 kkk kk kk1 k- c s 1 )s(d ood od oc d + = = 第二节 被控量和操纵量的选择 触媒蒸汽煤气 hco oh co 222 +=+ 热量 第二节 被控量和操纵量的选择 大系数为：素对反应温度的相对放通过实验测试，三种因 可供选择为操纵量。、煤气量和蒸汽量三种通过分析，只有冷激量 触媒活性： 冷激量： 蒸汽：流量、压力； 煤气：流量、压力、温度、成分； 影响变换炉一段反应温度的因素： 操纵量的选择： 变换炉一段反应温度。 选间接参数 无法选取；选直接参数 被控量的选择： 第二节 被控量和操纵量的选择 第二节 被控量和操纵量的选择 （二）、干扰通道动态特性对控制质量的影响 将提高。节数增加时，控制质量 ，或者惯性环干扰通道的时间常数大结论： 制质量提高。倍，即超调量减小，控小了 减 使过渡过程动态分量过程时间加长。 增大，过程变慢，过渡 极点的影响： 。，见图增加了一个极点 ）（ 系统的特征方程为： ）（ 干扰通道为一阶惯性环节，则有： 中，设各环节放大系数均为1， 在图 1、时间常数对控制质量的影响 t . 2 t. 1 53 t 1 0)s(w)s(w1t1s )s(w)s(w1t1s 1 t 1 )s(w)s(w1 )s(w )s(d )s(y 3-3 d d d ocd ocddoc d - =+ + = + = 第二节 被控量和操纵量的选择 2.滞后时间对控制质量的影响 sdsdsd . , tyy(t) e )s(w)s(w )s(d)s(w sy e )s(w)s(w )s(w )s(d )s(y 321 dc do do s oc d s oc d do do do ）最大。（）次之，（，）对被控量的影响最小（ 。、见图 量的影响干扰作用位置对控制质 致。的影响：与时间常数一容量滞后 。不影响控制系统的质量因此 ）（ 其时间响应为 ）（或 为，系统的闭环传递函数时间设干扰通道存在纯滞后 7363 3 1 1 - -= + = + = - - t t t t t t 第二节 被控量和操纵量的选择 获得更好的控制质量。扰信号远离被控量，以选择操纵量时，应使干 干扰通道具有的惯 性环节阶数增加，对 干扰信号的缓和作用 越强，控制质量越高 第二节 被控量和操纵量的选择 4.干扰幅值大小对控制质量的影响 : 太小时，易引起振荡（振荡衰减过程）。时间常数太大时，应考虑更复 杂的控制系统。 时间常数小，控制作用强，克服干扰快，过度过程时间短，但时间常数 1、时间常数t对控制质量的影响 （三）、控制通道动态特性对控制质量的影响 稳定该参数。单独设计一控制系统来当干扰幅值太大时，可 干扰幅值大，影响大。 t太小时,可以考虑如下措施： 1、尽量选择快速检测元件、控制器、执行器 2、使用反微分环节适当降低控制通道的灵敏度。 3、可能时，改变系统工艺，增大控制通道时间常数 第二节 被控量和操纵量的选择 压力检测点 第二节 被控量和操纵量的选择 2.滞后时间对控制质量的影响 来说明。用图 还可对系统动态品质的影响 。点，使系统变的不稳定 ），（频率特性曲线可能包围 增大，较大时，或随着知，当 。分析可 其频率特性见图 函数为：时，即系统的开环传递若对象存在纯滞后 。特性见图 定的。频率多大，闭环系统总是稳知，不管 由奈氏稳定判据可 ：时，其开环传递函数为 。当对象不存在纯滞后 见图 113 0 j1 kk 103 e 1ts kk )s(w)s(w)s(w 103 kk 1ts kk )s(w)s(w)s(w 93 0 co0 sco ock 0 co co ock 0 - t - t - + = t - + = - t- 第二节 被控量和操纵量的选择 第二节 被控量和操纵量的选择 校正作用 等效的有滞后的校正作用 无滞后 的变化 过程 有滞后的 变化过程 被控量在干扰作用下的变化趋势 变送器的 不灵敏区 纯滞后使超 调量增加了 第二节 被控量和操纵量的选择 3.时间常数匹配对控制质量的影响 容量滞后会使系统的最大偏差变大，采用微分作用克服 容量滞后的影响最有效。 越小越好。 间常数适当小些。滞后时尽量使控制通道的时间结论：选择操纵量时， 量。加，降低系统的控制质，但会使超调量大大增容量滞后有一定的作用 虽然对，如果加大放大系数，系统控制质量非常不利只是反应非常缓慢，对 扰动有一定的反应，则不同，此时，系统对量滞后动没有任何反应，但容 的时间内，系统对扰纯滞后影响：对于纯滞后，在容量滞后对控制质量的 c 0 t t 。例：三阶对象，见图 。大，系统的控制质量高指标。被定义为系统的准品质 的乘积与临界振荡频率的临界放大系数准品质指标：控制系统 123 k kk km kmkm - w ww 第二节 被控量和操纵量的选择 参数 变化情况t1t2t3km kkm k 原始数据105212.60.415.2 减小t15529.80.494.8 减小t2102.5213.50.547.3 减小t3105119.80.5711.2 加大t1205219.20.377.1 减小t2t3102.5119.30.7414.2 表3-1 时间常数匹配对质量的影响 结论：减小t3或同时减小t2、t3效果好。 第二节 被控量和操纵量的选择 选择操纵量的一般原则： 5、尽可能避免几个时间常数相等或相近，他们越错开越好。 4、应尽量使干扰远离被控量而向执行器靠近； 3、控制通道的放大系数应大于干扰通道； 2、干扰通道的时间常数越大越好。控制通道时间常数应适当的小些，纯 滞后时间越小越好； 1、操纵量应具有可控性、工艺操作合理性、经济性； 第二节 被控量和操纵量的选择 乳化物 dg 风量dq 蒸汽量dp t=5s 析以上三个量的影响。下面从控制质量方面分 最不灵敏。之，蒸汽压力量干扰 次著，风量干扰对出口温度的影响最显分析：乳化物流量干扰 操纵量的选择： 间接参数。气体温度 出口被控量的选择：干燥筒 。见图工艺过程及主要参数 系统例：喷雾式干燥筒控制 d dd )(t 13-3