简单控制系统.ppt

2020 3 28 简单控制系统 2020 3 28 控制系统的分类 2020 3 28 简单控制系统的定义 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 2020 3 28 执行器 被控对象 测量变送 控制器 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 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 2020 3 28 执行器 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 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 2020 3 28 执行器 快开 平板结构线性 曲面形状 瘦 等百分比 曲面形状 胖 2020 3 28 执行器 2020 3 28 阀门定位器 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 2020 3 28 阀门定位器 分类 2020 3 28 阀门定位器 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 2020 3 28 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 2020 3 28 控制规律 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 2020 3 28 控制规律 继电器 电磁阀 2020 3 28 控制规律 比例控制 P 比例控制规律及其特点 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 2020 3 28 控制规律 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 2020 3 28 比例度对过渡过程的影响 实现快速控制 2020 3 28 控制规律 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 2020 3 28 控制规律 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 2020 3 28 控制规律 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 2020 3 28 积分时间对过渡过程的影响 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 2020 3 28 控制规律 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 越强 控制器的输出变化 越大 反之 因此 微分时间是衡量微分作用强弱的重要参数 2020 3 28 控制规律 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 2020 3 28 微分时间对过渡过程的影响 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 2020 3 28 控制规律 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 2020 3 28 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 2020 3 28 2020 3 28 2020 3 28 控制器 系统正常运行 负反馈系统 如何保证能构成负反馈系统 2020 3 28 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 2020 3 28 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 2020 3 28 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 2020 3 28 如何构成负反馈系统 两个 或者三个 2020 3 28 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 2020 3 28 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 B 2020 3 28 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 2020 3 28 2020 3 28 简单控制系统的设计概述 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 2020 3 28 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 1 被控变量的选择 2020 3 28 1 被控变量的选择 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 2020 3 28 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 1 被控变量的选择 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 2020 3 28 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 2020 3 28 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 被控变量的选择原则 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 2020 3 28 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 2020 3 28 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 2020 3 28 合成氨 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 2020 3 28 操纵变量 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 2020 3 28 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 扰动与操纵变量同时影响被控变量 2020 3 28 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 2020 3 28 操纵变量的选择的原则 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 2020 3 28 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 温度 乳化物的流量空气流量蒸汽流量 操纵变量 空气流量 2020 3 28 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 2020 3 28 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 Ohno 2020 3 28 工程整定法 1 经验凑试法 2 临界比例度法 3 衰减曲线法 2020 3 28 1 经验凑试法 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 2020 3 28 整定的步骤 1 先在表10 1中选用一个较大的比例度 用纯比例作用进行凑试 通过改变给定值施加干扰 一般给定值的变化不超过给定值的5 观察被控变量的过渡过程是否出现4 1衰减曲线 经过反复改变 进行凑试 直到过渡过程符合要求为止 2 将比例度适当增加10 20 再根据表10 1中积分范围值选取一个积分时间 加入给定值干扰 观察曲线过渡过程 通过对积分时间进行反复凑试 直到出现满意的曲线 3 如系统需要加入微分控制 可取TD 1 3 1 4 TI 然后适当减小 和TI 通过反复改变微分时间进行凑试 直至满足工艺要求为止 理想曲线两个波 前高后低4比1 2020 3 28 2 临界比例度法 在纯比例作用下 先通过反复试凑得到临界振荡过渡过程 记录下曲线的临界比例度 k和临界振荡周期Tk 然后根据经验数据表求出控制器各参数值 2020 3 28 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 2020 3 28 3 衰减曲线法 1 先将控制器变为纯比例作用 并将比例度预置在较大的数值上 一般为100 在达到稳定后 用改变给定值的办法加入阶跃干扰 观察被控变量记录曲线的衰减比 然后减小比例度 直至出现4 1或10 1衰减比为止 记录下此时的比例度 s和衰减周期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 2020 3 28 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 2020 3 28 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 NO 2020 3 28 投运前的准备工作 检查 1 熟悉工艺要求 控制指标 了解各工艺变量间的关