辽宁石油化工大学化工自动化及仪表第16章 简单控制系统

1、第第16章章 简单控制系统简单控制系统16.1 简单控制系统的构成 16.2 简单控制系统的设计 16.3 简单控制系统的投运 16.4 控制器参数的工程整定 16.1 简单控制系统的构成 通常是指由一个测量变送元件、一个控制通常是指由一个测量变送元件、一个控制器、一个执行机构和一个被控对象所构成的单闭环控制系统。器、一个执行机构和一个被控对象所构成的单闭环控制系统。图 16-1 简单液位控制系统图 16-2 简单温度控制系统图16-3 简单控制系统方块图 简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象 测量变送装置、控制器和执行器。 在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说

2、该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。 16.2 简单控制系统的设计 一个控制系统的工作情况，取决于其设计的好坏。控制系统的设计应该考虑被控变量的选择、操纵变量的选择、测量元件特性的影响等因素。16.2.1 被控变量的选择直接参数；直接参数；间接参数。间接参数。 如果被控变量本身就是需要控制的工艺参数，则称为直接参数控制。当选择直接参数作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接参数代替直接参数作为被控变量。 图16-4 精馏过程示意图举例举例以苯、甲苯二元系统的精馏为例。以苯、甲苯二元系统的精馏为例。)(PTfxDD，图16-5 苯、甲苯的 - T关系图16-

3、6苯、甲苯的 关系 -pDxl当塔压恒定，浓度与温度之间是单值对应关系。塔顶当塔压恒定，浓度与温度之间是单值对应关系。塔顶温度越高，对应塔顶易挥发组分的浓度越低。温度越高，对应塔顶易挥发组分的浓度越低。l当塔顶温度恒定，塔顶组分与塔压也存在单值对应关当塔顶温度恒定，塔顶组分与塔压也存在单值对应关系。压力越高，塔顶易挥发组分的浓度越大。系。压力越高，塔顶易挥发组分的浓度越大。因此，塔顶因此，塔顶温度温度或塔顶或塔顶压力压力都可以选择作为被控变量。都可以选择作为被控变量。 Dxl在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。 l在塔压固

4、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。 l所选变量有足够的灵敏度。被控变量要求足够的灵敏度，易于测量，否则不能保证控制精度。被控变量要求足够的灵敏度，易于测量，否则不能保证控制精度。蒸汽压力要比蒸汽温度蒸汽压力要比蒸汽温度反应快，更灵敏，且易反应快，更灵敏，且易于测量，可保证控制精于测量，可保证控制精度，因此，可选蒸汽压度，因此，可选蒸汽压力作为被控变量。力作为被控变量。作为被控变量，必须是独立可控的。作为被控变量，必须是独立可控的。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定。

5、F=C-P+2 F：自由度，：自由度，C：组分数，：组分数，P：相数。：相数。例例1 锅炉饱和蒸汽质量控制锅炉饱和蒸汽质量控制例例2 锅炉过热蒸汽质量控制锅炉过热蒸汽质量控制（1）尽可能选择那些可以直接反映产品质量的变量 作为被控变量。（2）当直接指标难于测量，或滞后太大，或信号微 弱，可选择间接指标作为被控变量。值得注意 的是间接指标与直接指标成单值关系，最好是 线性的。如果是非线性时，要注意出现正反馈 造成系统不稳定的情况。 （3）被控变量要求有足够的灵敏度，易于测量， 否则不能保证控制精度。 （4）选择被控制变量时需考虑到工艺的合理性和国内 外仪表生产的现状。（5）作为被控变量，必须是独

6、立可控的。变量的数目 一般可以用物理化学中的相律关系来确定。16.2.2 操纵变量的选择 一般选择系统中可以调节的物料量或能量参数作为操纵变量。 最常见的操纵变量则是物料流或能量流，即流量参数。 操作变量操作变量系统的干扰系统的干扰通过工艺分析通过工艺分析确定确定13图16-7干扰通道与控制通道的关系由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。 对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响 设控制通道、干扰通道的传递函数分别为1)(sTeKsGosooo1)(sTeKsGfsfff16 干扰通道的时间常数Tf越大

7、，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。干扰通道特性对控制质量的影响干扰通道特性对控制质量的影响 对象干扰通道的放大系数Kf小些,表示干扰对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量不大。（1）干扰通道放大系数的影响 如果干扰通道存在纯滞后f，控制作用也推迟了时间f，使整个过渡过程曲线推迟了时间f，要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的，如图16-8所示。 图16-8干扰通道纯滞后f的影响 一般希望控制通道的放大系数KO要大些，KO越大表示控制作用对被控变量影响越显著，使控制作用更为有效。 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、超调量大、过渡时间长。要求对象控

8、制通道的时间常数To小一些，从而获得良好的控制质量。 14控制通道特性对控制质量的影响控制通道特性对控制质量的影响 （1）控制通道放大系数的影响 15 控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后0对控制质量是有影响的。图16-9所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。 图16-9 纯滞后0对控制质量的影响在选择操纵变量构成控制系在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯统时，应使对象控制通道的纯滞后时间滞后时间0 0尽量小。尽量小。 17选择对被控变量有较大影响的输入作为操纵变量。选择能够快速影响被控变量的输入作为操纵变量。 选择具有相当大调整范围的输入作为操纵变量。操

9、纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 ooT/ 使 尽量小。 16.2.3 测量元件特性的影响 测量变送环节的任务是对工业生产过程的参数进行测量，并将它转换成统一标准信号，如0.020.1Mpa的气压信号，或420mA的电流信号等。它是系统进行控制的根据。因此，要求测量变送环节准确、迅速和可靠。 测量变送环节经线性处理后，一般可表示为一阶惯性加纯滞后特性，即( )1msmmmKGseT sKm：表征仪表的放大系数。：表征仪表的放大系数。Tm：惯性时间，愈小愈好，：惯性时间，愈小愈好，Tm大，测量失真，相大，测量失真，相 当于给滤波了。当于给滤波了。 ：纯滞后时间，显然是小好。：纯滞后时间，显然是

10、小好。( )1msmmmKGseT sm18图16-10测量元件时间常数的影响 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。测量滞后的影响测量滞后的影响 测量滞后包括测量环节的容量滞后和信号测量环节的纯滞后。（1）测量环节容量滞后的影响 19 测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。大，最好选用惰性小的快速测量元件。 当测量元件的时间常数当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数小于对象时间常数的的1

11、10时，对系统的控制质量影响不大。时，对系统的控制质量影响不大。 测量元件安装是否正确，维护是否得当，也测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量与控制。会影响测量与控制。 20当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。图16-11pH值控制系统示意图延迟时间延迟时间m2211vlvlm 这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化，因而降低了控制质量。 （2）测量环节纯滞后的影响 信号传送滞后的影响信号传送滞后的影响 由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。 由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。 16.2.4 控制器控制规律的选择

12、在控制系统中，仪表选型确定以后，对象的特性是固定的、不可改变；测量元件及变送器的特性比较简单，一般也是不可以改变的；执行器加上阀门定位器可有一定程度的调整，但灵活性不大；主要可以改变的就是控制器的参数。 22图16-12简单控制系统简化方块图控制器的控制规律控制器的控制规律所谓控制器的控制规律就是指u与e之间的函数关系，即)()(rzfefu 双位控制双位控制 双位控制的动作规律是当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），即控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。5理想的双位控制器其输出u与输入偏差

13、之e间的关系为0)0,)0(0,minmax（或或eueeuu图16-13 理想双位控制特性图16-14 液位双位控制系统示意图6 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。 图16-16 具有中间区的双位控制过程图16-15 实际的双位控制规律特性双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 结论结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。 双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。72

14、2 比例控制器是具有比例控制规律的控制器。比例控制器输出与偏差成比例，它们之间的关系为对于单元组合仪表 比例控制规律（比例控制规律（P）及其对控制过程的影响）及其对控制过程的影响ocueKucK%100比例放大系数KC（或比例度） temaxuminu0 tu0u(b) 实际比例控制作用特性0 tu0u te(a) 理想比例控制作用特性图16-17 比例控制器特性下图为理想比例控制器的输出特性与实际比例控制器的输出特性 图16-18 比例度对过渡过程的影响比例度对控制过程的影响如图16-18所示 控制器的输出与偏差成比例。 当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。 在常用

15、控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。 纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。 23 控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。 24 比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。比例-积分控制器的输入输出的关系为：比例放大系数KC（或比例度）和积分时间TI。比例积分控制规律（比例积分控制规律（PI）及其对控制过程的影响）及其对控制过程的影响00)1(uedtTeKutic10t0t te0u tui1T斜率是0tt图16-19 积分作用对偏差e的单位阶跃响应曲线图16-20 比例积分作用对偏差e的单位阶跃

16、响应曲线图16-21积分时间过渡过程的影响图16-21表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。 iT 由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。 积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。 25控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。 比例微分控制（比例微分控制（PD）规律及其对控制过程的影响）规律及其对控制过程的影响 比例微分控制规律为：0)(udtdeTeKuDc图16-22 比

17、例微分控制器特性图16-23 微分时间对过渡过程的影响26 比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。 理想的PID控制作用是比例放大系数Kc（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD。比例积分微分控制规律（比例积分微分控制规律（PID）及其对控制过程的影响）及其对控制过程的影响00)1(udtdeTedtTeKutDic图16-24 PID三作用控制器特性 当有阶跃信号输入时，输出为比例、积分和微分三部分输出之和，如图16-24所示。 微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定

18、性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。 容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。 2728 目前生产的模拟式控制器一般都同时具有目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间分时间TD置于，就成了比例积分控制器，如置于，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间果同时将积分时间TI置于无穷大，便成了比例置于无穷大，便成了比例控制器。控制器。16.2.5 控制器正反作用的确定 控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行

19、与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。正反作用的定义：正反作用的定义：正作用正作用：当被控变量的测量值测量值增大时，控制器的输出也增大则该控制器为“正作用”；反作用：反作用：当测量值测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。正反作用的确定： 单回路系统结合对象和控制阀使偏差向减小的方向调节。 先确定控制阀气开、气关方式，再确定控制器正反作用。TC进料出料燃料TTmTspRfu出料进料冷却剂TC16.3 简单控制系统的投运简单控制系统的投运投运前的准备工作投运前的准备工作(1) 对投运过程中可能出现的意外情况有所估计。(

20、2) 各个仪表环节校验准确。(3) 充分了解控制意图。投运投运(1)控制仪表置手动状态，设置好初始参数PID，正反(2)各仪表加电，手操控制器的输出，使被控制变量达到设定值。(3) 置手动状态至自动状态。投运原则：无扰动切换投运原则：无扰动切换16.4 控制器参数的工程整定 所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就续的系统，对控制器的参数进行调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。理论计算的方法和工程整定法。工程上大量采用工程整定法。工程上大量采用工程整定法。经验整定法经验整定法 这种方法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数经验数据，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制品质为止。 被控变量规律的选择比例度 /%积分时间TI/min 微分时间 TD/min流量对象时间常数小，参数有波动， 要大；TI要短；不用微分401000.31-温度对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，应小；TI要长；一般需加微分20603100.53压力对象的容量滞后不算大，一般不加微分30700.43-液位对象时间常数范围较大