第七章简单控制系统

1、第七章第七章 简单控制系统简单控制系统华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系7.1 系统组成及分析系统组成及分析7.4 简单控制系统设计案例简单控制系统设计案例本章内容：本章内容：7.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计7.3 简单控制系统的投运与参数整定简单控制系统的投运与参数整定 7.5 简单控制系统习题解答简单控制系统习题解答图图7-1 锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水省煤器省煤器 LT LC 被控变量：被控变量：过程（被控对象）：过程（被控对象）：操纵变量：操纵变量：主要扰动：主要扰动：汽包液位汽包液位锅炉汽包锅炉汽包进水流量进水流

2、量蒸汽量的变化蒸汽量的变化7.1 系统组成及分析系统组成及分析7.1.1 系统组成系统组成控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值图图7-2 锅炉汽包水位控制系统的方块图锅炉汽包水位控制系统的方块图给水阀给水阀锅炉汽包锅炉汽包7.1.2 控制过程分析控制过程分析(1)平衡状态：平衡状态：当给水量和蒸汽量均不变当给水量和蒸汽量均不变的情况下，控制系统处于的情况下，控制系统处于平衡状态，并将保持这个平衡状态，并将保持这个状态，直到有新的扰动产状态，直到有新的扰动产生。生。阀前压力进水流量液位蒸汽需要量

3、液位蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水省煤器省煤器 LT LC (2)扰动分析：扰动分析：锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统(3)控制过程：控制过程：一般先选择控制阀的气开、气关特性一般先选择控制阀的气开、气关特性然后确定控制器的正、反作用然后确定控制器的正、反作用分析控制系统的控制过程分析控制系统的控制过程LyeL阀开度u LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水控制器正、反作用控制器正、反作用控制器应选正作用控制器应选正作用控制器过程分析控制器过程分析LyeuL阀开度正作用正作用控制器控制器气关阀气关阀根据安全原则，供气中断时给水根据安全原则，供气中断时给水阀应全开，所以应选气关阀阀应

4、全开，所以应选气关阀基本要求：基本要求： 第一：第一：控制系统设计人员要掌握较为控制系统设计人员要掌握较为全面的全面的自动化自动化专业知识，专业知识，熟悉熟悉所要控制的工艺装置对象；所要控制的工艺装置对象；第二：第二：要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行员进行充分沟通充分沟通，共同确定自动化方案；，共同确定自动化方案；第三：第三：自动化技术人员不能自动化技术人员不能盲目追求盲目追求控制系统的先控制系统的先进性和所用仪表及装置的进性和所用仪表及装置的先进性先进性。第四：第四：设计一定要遵守有关的设计一定要遵守有关的标准标准行规行规，按科学，按科学合理

5、的程序进行合理的程序进行。 7.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计7.2.1 控制系统设计概述控制系统设计概述 确定控制方案确定控制方案基本内容基本内容 仪表及装置的选型仪表及装置的选型相关工程内容的设计相关工程内容的设计确定控制方案确定控制方案 首先要确定整个系统的自动化水平。首先要确定整个系统的自动化水平。 控制系统的方案设计是整个设计的核心控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关，是关键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确定控制方案，定控制方案，它包括它包括 被控变量的选择与确认；被控变量的选择与确认； 操纵变量的选择与确认；操纵变

6、量的选择与确认； 检测点的初步选择；检测点的初步选择； 绘制出带控制点的工艺流程图；绘制出带控制点的工艺流程图； 编写初步控制方案设计说明书；等等。编写初步控制方案设计说明书；等等。 仪表及装置的选型仪表及装置的选型 根据已经确定的控制方案进行选型，根据已经确定的控制方案进行选型，要考虑到供货方的信誉要考虑到供货方的信誉产品的质量产品的质量价格价格可靠性可靠性精度精度供货方便程度供货方便程度技术支持技术支持维护等因素。维护等因素。 包括控制室设计包括控制室设计供电和供气系统设计供电和供气系统设计仪表配管和配线设计和联锁保护系统设计等等，仪表配管和配线设计和联锁保护系统设计等等，提供相关的图表。

7、提供相关的图表。 相关工程内容的设计相关工程内容的设计 基本步骤基本步骤 初步设计初步设计 初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。施工图设计施工图设计 是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。设计资料。设计文件和责任签字设计文件和责任签字 包括设计包括设计校核校核审核审核审定审定各相关专业负责人员的会各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。签等，以严格把关，明确责任，保持协调。参与施工和试车参与施工和试车 设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。

8、设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。设计回访设计回访 在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听取意见，总结经验。取意见，总结经验。 7.2.2 被控变量的选择被控变量的选择 在过程工业装置中，为了实现预期的工艺目标，在过程工业装置中，为了实现预期的工艺目标，往往有许多个工艺变量或参数可以被选择作为被控变往往有许多个工艺变量或参数可以被选择作为被控变量。量。在多个变量中选择被控变量应遵循下列原则：在多个变量中选择被控变量应遵循下列原则：合理性与独立性：合理性与独立性：尽量选择能直接反映产品质量的变尽量选择能直接反映产品质量的变

9、量作为被控变量。量作为被控变量。直接指标与间接指标：直接指标与间接指标：所选被控变量能满足生产工艺所选被控变量能满足生产工艺稳定稳定安全安全高效的要求。高效的要求。可测与可控：可测与可控：必须考虑自动化仪表及装置的现状。必须考虑自动化仪表及装置的现状。7.2.3 操纵变量的选择操纵变量的选择操纵变量的选取应遵循下列原则：操纵变量的选取应遵循下列原则： 操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； 操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中的操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中的对被控变量影响最大的一个。对被控变量影响最大的一个。控制通道的放大系数控制通道的

10、放大系数要尽量大一些，时间常数适当小些，滞后时间尽量要尽量大一些，时间常数适当小些，滞后时间尽量小。小。 不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量。不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量。 工艺上的合理性和方便性工艺上的合理性和方便性7.2.4 被控变量的测量被控变量的测量 被控变量选择好之后，被控变量如何被控变量选择好之后，被控变量如何测量仍然有诸多因素需要考虑，以便更灵测量仍然有诸多因素需要考虑，以便更灵敏敏更快速更快速更及时和更经济地测得被控更及时和更经济地测得被控变量变量 灵敏性灵敏性 快速性快速性 控制系统设置控制器是通过它改变整个控制控制系统设置控制器是通过它改变整个控制系统的动态特

11、性，以达到控制的目的。系统的动态特性，以达到控制的目的。主要可以主要可以改变参数的就是控制器。改变参数的就是控制器。7.2.5 控制器及控制规律的选择控制器及控制规律的选择控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值(1) 位式控制位式控制 控制规律的选择控制规律的选择 (2) 比例控制比例控制(3) 积分控制积分控制(4) 微分控制微分控制基本控制规律：基本控制规律： (1)位式控制位式控制 控制规律的选择控制规律的选择 (2)比例控制比例控制(3)比例积分控制比例积分控制(4)比例微分控制比例微分

12、控制(5)比例积分微分控制比例积分微分控制选择控制规律时注意：选择控制规律时注意：(1)微分作用对过程的容量滞后有效，而对过程控制微分作用对过程的容量滞后有效，而对过程控制通道存在纯滞后无效。通道存在纯滞后无效。(2)积分控制可以消除余差，但会带来积分饱和。积分控制可以消除余差，但会带来积分饱和。 (3)当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大，而当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求，负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求，可以设计复杂控制系统来提高控制质量。可以设计复杂控制系统来提高控制质量。 控制器作用方向的选择控制器作用方向的选择 略 控

13、制阀结构类型及材质的选择控制阀结构类型及材质的选择 气动薄膜控制阀有直通单座、直通双座、角形、气动薄膜控制阀有直通单座、直通双座、角形、隔膜、蝶阀和三通阀等不同结构形式，要根据隔膜、蝶阀和三通阀等不同结构形式，要根据操操纵介质的工艺条件纵介质的工艺条件(温度、压力、流量等温度、压力、流量等)及其及其特特性性(粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等)和控和控制系统的不同要求来选用。制系统的不同要求来选用。7.2.6 执行器执行器(气动薄膜控制阀气动薄膜控制阀)的选择的选择 控制阀气开、气关形式的选择控制阀气开、气关形式的选择 对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀

14、还是对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关节失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全的位置安全, 要由具体的生产工艺来决定，一般来说要要由具体的生产工艺来决定，一般来说要根据以下几条原则进行选择：根据以下几条原则进行选择：从生产安全出发从生产安全出发 从保证产品质量出发从保证产品质量出发 从降低原料、成品、动力损耗来考虑从降低原料、成品、动力损耗来考虑 从介质的特点考虑从介质的特点考虑 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择 制造厂提供

15、的调节阀流量特性是制造厂提供的调节阀流量特性是理想流量特性理想流量特性,而在实际使用时而在实际使用时, 控制阀总是安装在工艺管路系统中控制阀总是安装在工艺管路系统中, 控制阀前后的压差是随着管路系统的阻力而变化的控制阀前后的压差是随着管路系统的阻力而变化的. 因此因此, 选择控制阀的流量特性时选择控制阀的流量特性时,不但要依据过程特性不但要依据过程特性,还应结合系统的配管情况来考虑。还应结合系统的配管情况来考虑。 控制阀口径大小的选择控制阀口径大小的选择 确定控制阀口径大小也是选用控制阀的一个重要确定控制阀口径大小也是选用控制阀的一个重要内容内容,其其主要依据阀的流通能力主要依据阀的流通能力。

16、7.3.1 投运步骤投运步骤 投运前的准备投运前的准备(1)检查所有仪表及连接管线、电源、气源等等；检查所有仪表及连接管线、电源、气源等等； (2)现场校验所有的仪表；现场校验所有的仪表；(3)根据经验、根据经验、(仿真仿真)或估算，设置或估算，设置Kp、TI和和TD，；(4)确认控制阀的气开、气关特性；确认控制阀的气开、气关特性；(5)确认控制器的正、反作用；确认控制器的正、反作用；(6) 人为假设一干扰，看控制系统能否克服干扰的影响。人为假设一干扰，看控制系统能否克服干扰的影响。 7.3 简单控制系统的投运与参数整定简单控制系统的投运与参数整定 具体投运操作具体投运操作 （1）控制阀安装如

17、下图，将控制阀前后的阀门控制阀安装如下图，将控制阀前后的阀门1和和2关闭，打开阀门关闭，打开阀门3，观察测量仪表能否正常工作，待工，观察测量仪表能否正常工作，待工况稳定。况稳定。（2）手动遥控）手动遥控 用手动定值器或手操器调整作用于控制阀上的信用手动定值器或手操器调整作用于控制阀上的信号号p至一个适当数值，然后，打开上游阀门至一个适当数值，然后，打开上游阀门2，再逐，再逐步打开下游阀门步打开下游阀门1，过渡到遥控，待工况稳定。，过渡到遥控，待工况稳定。（3）投入自动）投入自动 手动遥控使被控变量接近或等于设定值，观察仪手动遥控使被控变量接近或等于设定值，观察仪表测量值，待工况稳定后，控制器切

18、换到表测量值，待工况稳定后，控制器切换到“自动自动”状态。状态。7.3.2 控制器参数整定控制器参数整定 衰减曲线法衰减曲线法临界比例度法临界比例度法 经验法经验法工程整定法有三种：工程整定法有三种：先将控制器设置为纯比例作用，比例度先将控制器设置为纯比例作用，比例度放在较大位放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度并并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程，如图程，如图7-9所示。求得所示。求得临界比例度临界比例度k，临界振荡周期临界振荡周期Tk。根据根据k和和Tk从表从表7-2中查

19、找控制器应该采用的参数中查找控制器应该采用的参数值。值。 图7-9 临界比例度法临界比例度法临界比例度法 应采用的控制规律（%）TI（min）TD（min）P2k PI2.2k0.85 Tk PID1.7k0.5 Tk0.125 Tk 临界比例度法不适用的场合：临界比例度法不适用的场合： (1) 工艺上不允许有等幅振荡的，不能使用工艺上不允许有等幅振荡的，不能使用;(2) 如果如果k很小，不适用。很小，不适用。 表表7-2 7-2 临界比例度法控制器参数表临界比例度法控制器参数表将控制器先设置为纯比例作将控制器先设置为纯比例作用，并将比例度用，并将比例度放在较大的放在较大的位置上。将系统投入闭

20、环控位置上。将系统投入闭环控制，在系统稳定后，逐步减制，在系统稳定后，逐步减小比例度，改变设定值以加小比例度，改变设定值以加入阶跃干扰，观察过渡过程入阶跃干扰，观察过渡过程的曲线，直至的曲线，直至衰减比衰减比n为为4:1，见图见图7-10。这时的比例度为这时的比例度为s，衰减周期为衰减周期为TS，最后，由表最后，由表7-3查出控制器应该采用的参数查出控制器应该采用的参数值。值。 图图7-10 7-10 衰减曲线法衰减曲线法（4 4：1 1） 衰减曲线法衰减曲线法 应采用的控制规律（%）TI（min）TD（min）Ps PI1.2s0.5 Ts PID0.8s0.3 Ts0.1 Ts表表7-3

21、7-3 衰减曲线法控制器参数表（衰减曲线法控制器参数表（4 4：1 1）在工业生产中，有时，在工业生产中，有时，要求过渡过程更稳定要求过渡过程更稳定些，希望衰减比些，希望衰减比n大于大于4:1。这时仍先按上述。这时仍先按上述方法找方法找s，只是衰减只是衰减比比n取取10, 见图见图7-11。但此时，但此时，TS不容易测不容易测准，改为测上升时间准，改为测上升时间TT，查表查表7-4 得到控得到控制器应该采用的参数制器应该采用的参数值。值。 图7-11 衰减曲线法（10：1）应采用的控制规律（%）TI（min）TD（min）Ps PI1.2s0.2 TT PID0.8s1.2 TT0.4 TT表

22、表7-4 7-4 衰减曲线法控制器参数表（衰减曲线法控制器参数表（1010：1 1）衰减曲线法在应用中要注意：衰减曲线法在应用中要注意：(1) 加干扰前，控制系统必须处于稳定的状态加干扰前，控制系统必须处于稳定的状态，否则不，否则不能得到准确的能得到准确的s、TS和和TT值；值；(2) 阶跃干扰的幅值不能大阶跃干扰的幅值不能大，一般为设定值的，一般为设定值的5%左右，左右，必须与工艺人员共同商定；必须与工艺人员共同商定；(3) 如果如果过渡过程波动频繁过渡过程波动频繁，难于记录下准确的比例度、，难于记录下准确的比例度、衰减周期或上升时间，则改用其他方法。衰减周期或上升时间，则改用其他方法。 经

23、验方法是根据实际经验，先将控制器参数经验方法是根据实际经验，先将控制器参数、TI和和TD预先设置为一定的数值，控制系统投入自动后，预先设置为一定的数值，控制系统投入自动后，改变设定值施加阶跃干扰，即观察记录仪曲线，过渡改变设定值施加阶跃干扰，即观察记录仪曲线，过渡过程在满意的范围即可。如不满意，依据过程在满意的范围即可。如不满意，依据、TI、TD对对过渡过程的作用方向，调整这些参数，直至满意。过渡过程的作用方向，调整这些参数，直至满意。 经验法整定控制器参数的关键是经验法整定控制器参数的关键是“看曲线，调参看曲线，调参数数”。因此，必须依据曲线正确判断，正确调整。经因此，必须依据曲线正确判断，

24、正确调整。经验法能适用于各种控制系统，但经验不足者会花费很验法能适用于各种控制系统，但经验不足者会花费很长的时间。另外，同一系统，出现不同组参数的可能长的时间。另外，同一系统，出现不同组参数的可能性增大。性增大。 经验法经验法（%） TI（min）TD（min） P2080PI流量对象401000.31压力对象30700.43 PID20603100.53表表7-5 7-5 经验法控制器参数表经验法控制器参数表 (1)比例度比例度 比例度越大，过渡过程越平缓，比例度越大，过渡过程越平缓，余差越大；余差越大； 比例度越小，过渡过比例度越小，过渡过程振荡越激烈，余差越小，程振荡越激烈，余差越小，过

25、小，过小，甚至成为发散振荡的不稳定系统。甚至成为发散振荡的不稳定系统。、TI、TD对过渡过程曲线的影响对过渡过程曲线的影响 t t t t t y t y y y y y 小于临界值 等于临界值 偏小 适当 偏大 太大 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响 (2) 积分时间积分时间TI 积分时间越大（积分作用越积分时间越大（积分作用越弱），过渡过程越平缓，消除弱），过渡过程越平缓，消除余差越慢；余差越慢； 积分时间越小（积积分时间越小（积分作用越强），过渡过程振荡分作用越强），过渡过程振荡越激烈，消除余差快。越激烈，消除余差快。 u(t) e(t) O O t A t KIAt 阶跃偏

26、差下的开环输出特性阶跃偏差下的开环输出特性 (3)微分时间微分时间TD 微分时间增大（微分作用越微分时间增大（微分作用越强），过渡过程趋于稳定，强），过渡过程趋于稳定，最大偏差越小，但微分时间最大偏差越小，但微分时间太大（微分作用太强），又太大（微分作用太强），又会增加过渡过程的波动。会增加过渡过程的波动。 阶跃偏差作用下实际比阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性例微分开环输出特性看曲线调参数看曲线调参数 (1)如过渡过程曲线过度振如过渡过程曲线过度振荡，可能的原因有：荡，可能的原因有：比例度过小、比例度过小、积分时间过小积分时间过小微分时间过大微分时间过大（2）如果过渡过程变化如果过渡过程

27、变化较缓慢，可能原因有：较缓慢，可能原因有： 比例度过大比例度过大 积分时间过大积分时间过大7.4 简单控制系统设计案例简单控制系统设计案例 贮槽液位控制系统设计贮槽液位控制系统设计 （见书）（见书）喷雾式干燥设备控制系统设计（见书）喷雾式干燥设备控制系统设计（见书） 直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例 热物料 冷物料 蒸汽 （1）工艺概况）工艺概况工艺要求热物料的温度稳定在某个设定值左右。并工艺要求热物料的温度稳定在某个设定值左右。并且要求加热器内温度不得过高。且要求加热器内温度不得过高。直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例 热物料 冷物料

28、蒸汽 TT TC （2）控制方案设计）控制方案设计 a)确定被控变量：确定被控变量： b)确定操纵变量：确定操纵变量：热物料温度热物料温度蒸汽流量蒸汽流量直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例（3）仪表选择）仪表选择a）选择温度检测元件（热电阻）选择温度检测元件（热电阻）b）采用气动薄膜控制阀，须选）采用气动薄膜控制阀，须选择阀门的择阀门的气开、气关气开、气关特性特性 热物料 冷物料 蒸汽 TT TC 原则：安全原则原则：安全原则因为：在供气中断时，应使蒸因为：在供气中断时，应使蒸汽阀门全关，切断蒸汽供应，汽阀门全关，切断蒸汽供应，不致使温度过高。不致使温度过高。所以：应选气开阀所以：应选气开阀直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例c）选择控制器）选择控制器控制规律控制规律及控制及控制器的器的正、反作用正、反作用 热物料 冷物料 蒸汽 TT TC 控制规律选择控制规律选择PID。因为：因为：Tye所以：应选反作用控制器所以：应选反作用控制器Tu阀门开度d）控制器的参数整定）控制器的参数整定1、某台、某台DDZ-型比例积分控制器，该控制器为正型比例积分控制器，该控制器为正作用，其比例度为作用，其比例度为200%，积分时间为，积分时间为2分。稳态时，分。稳态时，输出为输出为7mA。某一瞬间输入突然增加了。某一瞬间输入突然增加了0