单回路控制系统设计操作变量选择中对象特性应去掉前面已出现调节器规律的选择课件

14 12 1 单回路控制系统 14 12 本节主要内容 单回路控制系统的概念及其构成 被控变量与操纵变量的选择 控制系统各个环节的影响 系统参数的整定 14 12 14 12 简单控制系统的定义与组成 由一个测量仪表 测量元件 变送器 一个控制器和一个执行机构所组成的控制一个对象参数的 单闭环 控制系统 特点 简单 易于分析设计 投资少 便于施工 简单控制系统是构成复杂控制系统的基本单元 14 12 简单控制系统设计步骤 6 参数整定 了解被控对象特性 工艺过程 设备 确定控制方案 1 合理选择被控变量 2 选择操纵变量 3 检测变送元件 检测位置 4 执行器 5 调节器 控制规律 14 12 被控变量的选择 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值 或按一定规律变化 的变量称为被控变量 合理选择被控变量的重要性 对产品的产量 质量及安全具有决定性的作用 直接指标控制间接指标控制 14 12 被控变量的选择基本原则 4 被控变量应是独立可控的 1 被控变量能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态 生产过程中希望保持在定值地过程参数 但在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化 3 尽量采用直接指标作为被控变量 2 被控变量应能被测量出来 并具有足够大的灵敏度 必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状 14 12 14 12 精馏过程被控变量的选择 假定该精馆塔的操作是要求塔顶 或塔底 馏出物达到规定纯度 那么塔顶 或塔底 馏出物的组分应作为被控变量 因为它就是工艺上的质量指标 如果检测塔顶馏出物的组分有困难 或滞后太大 在与馏出物的组分有关的参数中找出合适参量作为被控变量 进行间接指标控制 14 12 精馏过程被控变量的选择 当温度TD恒定时 组分ZD和压力p之间也存在着单值对应关系 14 12 精馏过程被控变量的选择 当压力恒定时 组分ZD和温度TD之间存在有单值对应的关系 14 12 在温度和压力中 应选哪一个参数为被控变量呢 常常选择温度作为被控变量 1 在精馏塔操作中 压力需要固定 塔压波动使塔处于不良工况 随着压力的变化 还会引起与之相关的其他物料量的变化 一般工艺设计结果足以保障塔压基本保持不变 2 在塔压固定的情况下 精馆塔各层塔板上的压力基本上是不变的 各层塔板温度与组分之间就有一定的单值对应关系 14 12 被控变量的独立性 塔顶温度控制系统与塔底温度控制系统 塔顶的温度与塔底的温度之间存在关联问题 两个系统都不能正常工作 采用简单控制系统时 通常只能保证塔顶或塔底一端的产品质量 14 12 从上面举例中可以看出 要正确地选择被控变量 必须了解工艺过程和工艺特点对控制要求 仔细分析各变量之间的相互关系 才能正确的选择被控变量 14 12 操纵变量的选择 液位控制系统 其操纵变量是出口流体的流量 温度控制系统 其操纵变量是载热体的流量 操纵变量 在自动控制系统中 把用来克服干扰对被控变量的影响 调节被控变量的参数 实现控制作用的变量称为操作变量 最常见的操纵变量 介质的流量 转速 电压 14 12 操纵变量的选择原则 1 操纵变量应是可控的 必须是工艺上允许调节的变量 2 操纵变量应具有较高的调节灵敏度 控制通道 较大的放大倍数K0 较短的滞后时间 3 为使其它干扰对被控变量的影响减小 应使干扰通道的放大系数尽可能小 时间尽可能大 4 符合工艺的合理性和生产的经济性 禁止采用负荷作为被控变量 因为生产负荷直接关系产品的产量 14 12 操纵变量的选择 其他 如环境温度等 从工艺分析可知 影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有 进料的流量Q入 进料组分Z入 进料温度T入 回流的流量Q回 回流液温度T回 加热蒸汽流量Q蒸 冷凝器冷却温度T冷 塔压 14 12 操纵变量的选择 可控因素 回流量和蒸汽流量 其他一般为不可控因素 可调节 Q入和塔压等 在两个可控因素中 蒸汽流量对提馏段温度影响比起回流量对提馏段温度影响来说更及时 更显著 同时 从节能角度来讲 控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小 所以通常应选择蒸汽流量作为操纵变量 14 12 对象静态特性的影响 控制通道和干扰通道的放大系数 选择操纵变量时 希望控制通道的放大系数要大些 表征了操纵变量对被控变量的影响程度 k越大 表示控制作用对被控变量越显著 使控制作用更为有效 另一方面 对象干扰通道的放大系数 Kf越小越好 kf小 表示干扰对被控变量的影响不大 14 12 对象动态特性的影响 控制通道时间常数 控制通道的时间常数不能过大 否则会使操纵变量的校正作用迟缓 超调量增大 过渡时间长 精馏塔提馏段温度控制中 由于回流量对提馏段的通道长 时间常数大 而加热蒸汽量对提馏段温度影响的通道短 时间常数小 14 12 对象动态特性的影响 控制通道纯滞后 0 控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的容器 造成的纯滞后几对控制质量是有影响的 可见纯滞后使超调量增大 振荡加剧 以致时间变长 稳定性变差 14 12 对象动态特性的影响 干扰通道时间常数 干扰通道时间常数越大 表示干扰对被控变量影响越缓慢 这是有利于控制的 所以 在确定控制方案时 应设法使干扰被控变量的通道长 即时间常数要长些 干扰通道纯滞后通常是不会影响控制质量的 14 12 检测变送环节 纯滞后 存在容积滞后 检测元件滞后 热容 热阻等惯性因素 信号传递滞后 气动信号传递较慢 14 12 检测变送环节的纯滞后 测量元件安装位置引起的纯滞后 PH值控制系统 中和槽内出口溶液PH值 14 12 式中 分别为主管道 支管道的长度和液体流速 14 12 检测变送环节纯滞后的影响 不能及时反应被控变量的实际值 降低了系统控制质量 物性作为被控变量都有类似问题 加入微分作用徒劳 有时反而不稳定 尽量减小纯滞后时间 正确选择安装检测点位置 纯滞后时间太大 复杂控制系统 14 12 检测元件的滞后 时间常数 测温元件 热阻和热容 时间常数引起测量滞后 时间常数越大 上述现象越显著 14 12 检测变送环节的滞后 流量测量元件 温度测量元件 孔板 热电偶 热电阻安装正确与否会影响测量精度 经常维护 检查 特别是介质腐蚀性 易结晶 结焦等 热电偶 表面结晶或结焦 时间常数增大 14 12 检测变送环节的滞后 控制系统接收到失真信号 控制质量无法达到要求 时间常数不能太大 快速测量元件 快速热电偶 加入微分作用 超前补偿 Tm 测量元件 小于被控对象时间常数的1 10 影响不大 14 12 信号传递滞后及减小方法 测量信号传送滞后和控制信号传送滞后 电信号 忽略不计 气信号 气信号管线具有一定的容量 气动薄膜转换机构薄膜空间容量较大 尽量缩短气压信号管线 长度300m 直径6mm尽量采用电信号 气电转换器 阀门定位器 气动继动器增大输出功率 14 12 执行器的影响 一般为调节阀 执行机构和阀 介质和环境 应进行合理选择和维护 容量滞后环节 14 12 调节器调节规律 调节规律 调节器的输出信号随输入信号变换的规律 作用 将测量变送信号与给定值相比较产生偏差信号 按一定规律产生输出信号 推动执行器 实现生产过程的自动控制 常见四种 位式 比例 微分 积分 过程工艺特性及过程品质指标要求 各调节规律特性 选择合适的调节规律 14 12 位式调节规律 当e 0当e 0 当测量值大于或小于给定值时 调节器的输出达到最大或最小两个极限位置 执行器 开或关 理想双位式调节规律数学表达式 Du umax umin 14 12 温度双位控制系统 加热炉 热电偶 双位调节器 继电器 电热器 给定值 给定指针由人工设置 14 12 双位控制器 14 12 温度双位控制系统理想工作过程 当被控变量测量值低于给定值时 调解器极限输出 继电器线圈通电 触点闭合 加热器加热 炉温上升 被控变量测量值高于给定值时 理想结果 此过程反复进行 温度维持在给定值附近很小的范围内波动 14 12 位式调节规律特点 特点 简单成本低 使用方便 调节阀无特殊要求 缺点 波动 质量不高 被控对象纯滞后较大时 波动幅度更大 结论 不适合控制要求较高的场合 14 12 实际双位式调节规律 理想双位调节过程 执行器运动部件易损坏 实际双位调解器有中间区域 如图其调节规律 只有偏差达到一定程度时 输出才变化 原因 惯性 执行机构不灵敏区 理想 具有中间区域 使用控制要求不高 因此可以设计一个具有中间区域的双位调节方案 14 12 实际双位式调节响应曲线 被控对象的阶跃作用曲线形状 一阶对象阶跃响应 等幅振荡过程 不同的衡量指标 指标 振幅 周期 振幅小 周期长 好 振幅小 周期肯定短 与对象的滞后时间有关 14 12 比例调节规律 调解器输出信号变换量与输入信号成比例关系 阶跃输入作用下 输出特性如图 t 0 e t 0 u t 0 14 12 水槽液位机械比例自动调节 14 12 比例调节规律特点 静态特性 阀门开度 变化量 与液位偏差成正比 动态特性 同步 没有延迟 假设 杠杆处于水平位置为设定的平衡位置 基准 虚线 新平衡位置 阀门开度 改变支点O位置 放大倍数 14 12 比例调节规律特点 输出变化量与输入变化量具有一一对应的比例关系 控制及时 克服偏差能力强 余差调节 新平衡位置余平衡位置有偏差存在 原因 平衡遭到破坏 干扰 实际上是被控对象的物料进出平衡被打破 以水槽液位控制系统为例 如果调节后杠杆处于水平位置能平衡吗 14 12 比例度 表示比例作用的强弱 调节器输入的相对变化量与输出的相对变化量之比的百分数 e 调节器输入信号的变化量 u 调节器输出信号的变化量 emax emin 调节器输入信号的变化范围 umax umin 调节器输出信号的变化范围 14 12 理解 要使输出信号作全范围的变化 输入信号必须改变量的百分之几 输入与输出的比例范围 例如 一个电动比例调节器 它的量程是100 200 输出信号是0 10mA 当输入从140 变化到160 时 相应的调节器输出从3mA变化到8mA 则该调节器的比例度为 14 12 如果把比例度的数学表达式改写为 结论 输入输出信号 统一标准信号的调节器 比例度与比例放大倍数成倒数关系 14 12 比例度对过渡过程的影响 余差 比例度越大 放大倍数越小 余差Kpe t 要获得同样大小的余差变化量所需的偏差就越大 在相同的干扰作用下 系统再次平衡时的余差就越大 反之 比例度减小 系统的余差也随之减小 14 12 比例度对过渡过程的影响 最大偏差 振荡周期 在相同大小的干扰下 调节器的比例度越小 则比例作用越强 调节器的输出越大 使被控变量偏离给定值越小 被控变量被拉回到给定值所需的时间越短 所以 比例度越