矿大(北京)仪表与自动化_6(3学时)

1、第六章第六章 简单控制系统简单控制系统Chapter 6 simple control system 基本要求：基本要求：1、掌握简单控制系统的结构、组成及作用。、掌握简单控制系统的结构、组成及作用。2、掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选、掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则。择的一般原则。3、了解各种基本控制规律特点及应用场合。、了解各种基本控制规律特点及应用场合。4、掌握控制器的正作用、反作用确定的方法。、掌握控制器的正作用、反作用确定的方法。5、掌握控制器参数工程整定的方法。、掌握控制器参数工程整定的方法。 Requirements：1. The structure,

2、composition and function of simple control system2. Basic selection principle of manipulated variable, operation variable in simple control system3. Characteristics and application of basic control law4. Confirm the methods of positive and negative effects of controller5. Engineering setting methods

3、 of controller parameters第一节第一节 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成简单控制系统简单控制系统：通常是指一个测量元件、变送器、一个控通常是指一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。温度控制系统温度控制系统载热体载热体冷流体冷流体换热器换热器液位控制系统液位控制系统被控变量被控变量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节干扰干扰偏差偏差给定值给定值水槽水槽简单控制系统简单控制系统特点特点： 结构简单，自动化仪表少，投资小，维护方便，结构简单，自

4、动化仪表少，投资小，维护方便，作用广泛。作用广泛。 简单控制系统是复杂控制系统的基础。简单控制系统是复杂控制系统的基础。： 测量变送环节测量变送环节 控制器控制器 执行器执行器 被控对象被控对象1 1、被控变量含义、被控变量含义：生产过程中，希望借助自动控制保生产过程中，希望借助自动控制保持恒定值的变量称为持恒定值的变量称为被控变量被控变量。2 2、如何选择被控变量、如何选择被控变量第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计一、被控变量的选择被控变量的选择使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上参数保持在预先规定的数

5、值上(或按预定规律变化或按预定规律变化)“关键关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量程的安全具有决定作用的变量两种控制类型：两种控制类型：直接指标控制直接指标控制和和间接指标控制间接指标控制当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标。关系而反应又快的变量做为间接控制指标。精馏过程示意图精馏过程示意图苯甲苯的苯甲苯的T-x图图TDXD%苯甲苯的苯甲苯的P-x图图PMPaXD%塔顶馏出

6、物组分纯度塔顶馏出物组分纯度XD、塔顶温度、塔顶温度TD、塔顶压力、塔顶压力P三三者之间的关系为：者之间的关系为： XD= f(TD，P)，两个独立变量。，两个独立变量。被控变量选择原则：被控变量选择原则： 要有代表性要有代表性。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能。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，一般都是工艺过程中比较重要的变量。反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。 必要性必要性。选择变化比较频繁的变量。选择变化比较频繁的变量。 滞后要小滞后要小。尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得。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

7、和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，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。直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。 灵敏度要高灵敏度要高。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。灵敏度。 应该独立可控应该独立可控。简单控制系统的被控变量应避免和其他控。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合制系统的被控变量有关联（耦合) )关系。关系。 必须考虑工艺的合理性。必须考虑工艺的合理性。 成本要低成本要低。选择被控变量时，必须考虑内仪表产品现状。选择被控变量时，必须考虑内

8、仪表产品现状。1 1、操纵变量：、操纵变量：在自控系统中，用来克服干扰对被控在自控系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量为变量的影响，实现控制作用的变量为操纵变量操纵变量。二、操纵变量的选择操纵变量的选择 ：Q入入T入入X入入QZFTH被控变量被控变量T灵灵影响提馏段温度的各种因素影响提馏段温度的各种因素被控对象被控对象原则上，原则上，在诸多影响被控变量在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著影响显著而且而且可控性良好可控性良好的输的输入作为入作为控制变量控制变量后，其它所有后，其它所有未被选中的输入则成为系统的未被选中的输入则成为系统的

9、干扰变量干扰变量。 精馏流程图精馏流程图冷却水冷却水TDp进料进料 Q入入，X入入，T入入回流回流F塔底产品塔底产品塔顶产品塔顶产品QZ蒸汽蒸汽TH不可控不可控进料成分进料成分X X入入 不可控不可控进料温度进料温度T T入入 可控可控 回流流量回流流量Q Q回回 ( (不可控不可控) )回流温度回流温度T T回回可控可控 加热蒸汽流量加热蒸汽流量Q Q蒸蒸( (不可控不可控) )冷凝器冷却温度冷凝器冷却温度 不可控不可控塔塔 压压不可控不可控进料流量进料流量Q Q入入T灵灵如何从众多影响因素中找出操纵如何从众多影响因素中找出操纵变量？变量？ 1）因素分类）因素分类：可控与不可控。其可控与不可

10、控。其中只有回流量与蒸汽流量可控。中只有回流量与蒸汽流量可控。 2）可控的及时性与显著性）可控的及时性与显著性。 蒸蒸汽流量及时、显著。汽流量及时、显著。 3）其它因素：）其它因素：节能，投资，劳动节能，投资，劳动强度等。强度等。 2 2、对象特性对选择操纵变量的影响、对象特性对选择操纵变量的影响干扰变量由干扰变量由干扰通道干扰通道施加给对象，使被控变量偏离给定施加给对象，使被控变量偏离给定值；而操纵变量由值；而操纵变量由控制通道控制通道施加到对象上，使被控变量施加到对象上，使被控变量恢复到给定值，两者相互矛盾。它们对被控变量的影响恢复到给定值，两者相互矛盾。它们对被控变量的影响与对象的特性有

11、关。与对象的特性有关。 干扰通道与控制通道的关系干扰通道与控制通道的关系(1) (1) 对象静态特性（放大系数对象静态特性（放大系数K Ko o）的影响）的影响希望希望控制通道的放大系数控制通道的放大系数Ko要大些，干扰通道的放大系要大些，干扰通道的放大系数数Kf要小些。所以选择放大系数大的可控变量为操纵变要小些。所以选择放大系数大的可控变量为操纵变量。量。(2) (2) 对象动态特性的影响对象动态特性的影响 1）控制通道控制通道的的时间常数时间常数要小些，灵敏及时。要小些，灵敏及时。 2）控制通道控制通道的的纯滞后时间纯滞后时间要尽量小，图要尽量小，图6-10。 3）干扰通道干扰通道的的时间

12、常数时间常数要尽量大，延缓干扰，图要尽量大，延缓干扰，图6-11。 4）干扰通道干扰通道存在纯滞后存在纯滞后，只要控制通道不滞后，通常不会，只要控制通道不滞后，通常不会影响控制质量。影响控制质量。 3 3、 操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 （总结）（总结） 1）操纵变量在工艺上操纵变量在工艺上可控可控； 2）操纵变量比其它干扰变量的影响操纵变量比其它干扰变量的影响更灵敏更灵敏。为此操。为此操纵变量的放大系数适当大，时间常数适当小，而纵变量的放大系数适当大，时间常数适当小，而 干扰通干扰通道的放大系数小，时间常数大。道的放大系数小，时间常数大。 3）除自动化要求外，除自动化要求外，综合考虑

13、综合考虑工艺合理性，生产经工艺合理性，生产经济性。济性。 1 1、测量元件的时间常数、测量元件的时间常数 测量元件本身具有一定的时间常数，测量元件本身具有一定的时间常数，造成造成测量的滞后测量的滞后;当被控变量发生变化时，由于测量值与真实值不等，控当被控变量发生变化时，由于测量值与真实值不等，控制器收到的是失真信号，必然造成控制质量的恶化。制器收到的是失真信号，必然造成控制质量的恶化。 三、测量元件特性的影响测量元件特性的影响图中，图中，Z：被控变量；：被控变量； y：测量值：测量值 选择快速测量元件选择快速测量元件。当测量元件的时间常数小于对象的。当测量元件的时间常数小于对象的1/101/1

14、0时，对控制质量影响不大。时，对控制质量影响不大。 正确选择测量元件的安装位置正确选择测量元件的安装位置。自动控制系统中，以温。自动控制系统中，以温度测量元件和成分分析的取样装置所引起的测量滞后为最度测量元件和成分分析的取样装置所引起的测量滞后为最大。通常测量单元件应选择在最具代表性，响应最灵敏、大。通常测量单元件应选择在最具代表性，响应最灵敏、最迅速的位置安装，应避免将其安装在死角或易挂料结焦最迅速的位置安装，应避免将其安装在死角或易挂料结焦的地方。分析取样则应在温度比较稳定，离设备较近之处，的地方。分析取样则应在温度比较稳定，离设备较近之处，尽量减小纯滞后。尽量减小纯滞后。 正确使用微分器

15、。正确使用微分器。正确使用微分器，合理引入微分特性正确使用微分器，合理引入微分特性的超前作用，对克服测量滞后，改善控制质量是一种有效的超前作用，对克服测量滞后，改善控制质量是一种有效的方法。的方法。 2 2、测量元件的纯滞后、测量元件的纯滞后 测量元件的纯滞后是测量元件的纯滞后是由安装位置的不合适而引起由安装位置的不合适而引起的，的，它必然影响控制质量。故在安装时，要尽量减少纯滞后，它必然影响控制质量。故在安装时，要尽量减少纯滞后，对于大纯滞后的系统，则必须采用复杂控制系统。对于大纯滞后的系统，则必须采用复杂控制系统。pH值控制系统示意图值控制系统示意图0 l1 l2 V1 V2 + 3 3、

16、信号的传送滞后、信号的传送滞后包括包括：测量信号的传送滞后测量信号的传送滞后与与控制信号的传送滞后控制信号的传送滞后。 一般电信号的传送滞后可忽略不计，而气动信号一般电信号的传送滞后可忽略不计，而气动信号传送滞后较大，影响控制质量。故传送滞后时间要尽传送滞后较大，影响控制质量。故传送滞后时间要尽量小：量小： 一般气压信号管路不超过一般气压信号管路不超过300m ，直径不小于，直径不小于6mm；用阀门定位器或气动继电器增大功率。用阀门定位器或气动继电器增大功率。尽量采用电信号传递。尽量采用电信号传递。 1 1、控制器控制规律的确定、控制器控制规律的确定 现场控制系统投运前，被控对象、测量变送装置

17、现场控制系统投运前，被控对象、测量变送装置和执行器三部分（合称和执行器三部分（合称广义对象广义对象）的特性已经确定，）的特性已经确定，此时的工作是进行控制规律的选择以及工程参数的整此时的工作是进行控制规律的选择以及工程参数的整定，以提高控制系统的稳定性和控制质量。定，以提高控制系统的稳定性和控制质量。四、控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择控制器控制器(LC或或TC)执行器执行器 (控制阀控制阀)被控对象被控对象测量、变送环节测量、变送环节（LT或或TT）被控变量被控变量干扰干扰偏差偏差设定值设定值广义对象广义对象 特点特点：输出与偏差成比例，抗干扰强，控制及时，过输出与偏差成比例，抗干扰

18、强，控制及时，过渡时间短，纯比例控制有余差。渡时间短，纯比例控制有余差。适用适用：控制通道滞后小，负荷变化不大。允许有余差，控制通道滞后小，负荷变化不大。允许有余差，主要用于允许余差的液位与蒸汽压力的控制。主要用于允许余差的液位与蒸汽压力的控制。(1)(1) 比例控制器比例控制器 比例控制器规律比例控制器规律： 输入输入p=Kpe(输出偏差输出偏差) 可调参数可调参数： 放大系数放大系数Kp 或比例度或比例度 中间储槽的液位、精馏塔塔釜液位、蒸汽压力控制系统中间储槽的液位、精馏塔塔釜液位、蒸汽压力控制系统 (2) (2) 比例积分控制比例积分控制 控制规律控制规律： 可调参数可调参数：放大系数

19、放大系数Kp和积分时间和积分时间TI特点特点：无余差，但稳定性降低；无余差，但稳定性降低； 加大比例度来提高稳定性时，过渡时间延长。加大比例度来提高稳定性时，过渡时间延长。适用适用：控制滞后小，负荷变化不大，不允许余差。控制滞后小，负荷变化不大，不允许余差。流量、压力和要求严格的液位控制系统流量、压力和要求严格的液位控制系统 (3) 比例积分微分控制器比例积分微分控制器 控制规律控制规律： 可调参数可调参数：KP TI TD特点特点：克服对象的滞后，稳定性好，无余差。克服对象的滞后，稳定性好，无余差。 适用适用：容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求较高的

20、系统。温度控制与成分控制应用较多。较高的系统。温度控制与成分控制应用较多。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P、I、D三三种作用。实际使用时，只要设种作用。实际使用时，只要设TD=0，成为，成为 PI，再设，再设TI =，则变为，则变为 P 控制器。控制器。 2 2、控制器正反作用的确定、控制器正反作用的确定 保证整个控制系统形成负反馈。保证整个控制系统形成负反馈。 在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用

21、方向是固定的，因此为了使系统构件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。 所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当向。当输入增加输入增加时，时，输出也增加输出也增加，则称该环节为，则称该环节为“正正作用作用”方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节为则称该环节为“反反作用作用”方向。方向。何谓何谓“正正”、“反反”作用？作用？控制器正控制器正 反作用选择的基本原则反作用选择的基本原则控制器正控制器正 反作

22、用选择的步骤反作用选择的步骤:1)1)判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定 ；2)2)判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全；择原则：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全； 3)3)确定广义对象的正反作用方向，确定广义对象的正反作用方向，一般一般测量变送环节为正作测量变送环节为正作用方向用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；的正反作用方向；4)4)确定控制

23、器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。制器应选择为反作用，反之亦然。被控变量被控变量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节干扰干扰偏差偏差设定值设定值广义对象广义对象 对象对象 正作用正作用 执行器执行器 正作用正作用 控制器控制器 反作用反作用加热炉出口温度控制加热炉出口温度控制液位控制液位控制 对象对象 反作用反作用 执行器执行器 正作用正作用 控制器控制器 正作用正作用对象对象操纵变量操纵变量被控变量被控变量 控制器参数的整定控制器参数的整定：按照已定的控制方案，求取使控按照已定

24、的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。制质量最好的控制器参数值。 包括：包括：TI，TD，KP；最好的控制质量最好的控制质量： 根据根据的控制质量。的控制质量。 对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈4:1至至10:1的衰减振荡过程。的衰减振荡过程。 第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定参数整定方法参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法）。整定方法）。工程整定法工程整定法分为分为临界比例度法、衰临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法减曲线法、经验凑试法） 比例度越大，过渡过程曲线越平比例

25、度越大，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。稳，但余差也越大。减小比例度，可以减少余差，但减小比例度，可以减少余差，但使系统稳定性变差。使系统稳定性变差。比例度减小到某一数值，过渡过比例度减小到某一数值，过渡过程产生等幅振荡，此时的比例度程产生等幅振荡，此时的比例度称为称为临界比例度临界比例度 k。 比例度小于比例度小于 k时，时，Kp明显增大，明显增大，出现发散振荡。出现发散振荡。 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响：比例度对过渡过程的影响图比例度对过渡过程的影响图 Kp=a/b 1 1、临界比例度法、临界比例度法（等幅振荡法） 通过实验得到通过实验得到临界比例度临界比例度 k 和和

26、临界周期临界周期Tk，再，再根据经验关系求出各参数值。根据经验关系求出各参数值。在闭环控制系统中，先在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用将控制器变为纯比例作用 ( (设设T TI I =，T TD D=0=0) ) ，在干扰作用下，从大到小逐渐，在干扰作用下，从大到小逐渐改变改变控制控制器的器的比例度比例度，直到系统产生等幅振荡直到系统产生等幅振荡，记下此时的临界，记下此时的临界比例度比例度 k k 和临界周期和临界周期T Tk k 。按经验公式进行计算。按经验公式进行计算。Tkttfy临界振荡过程临界振荡过程比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制比较简单方便，容易掌握和判断，适

27、用于一般的控制系统。系统。 临界比例度法对比例度很小的系统不适用；临界比例度法对比例度很小的系统不适用； 工艺上不充许产生等幅振荡的系统不适用。工艺上不充许产生等幅振荡的系统不适用。表表7-1 临界比例度法参数计算公式表临界比例度法参数计算公式表特点：特点：0.1Tk1.8k比例微分比例微分0.125Tk 0.5Tk 1.7k 比例积分微分比例积分微分0.85Tk 2.2k 比例积分比例积分2k 比例比例微分时间微分时间(min)积分时间积分时间(min)比例度比例度%控制作用控制作用2、衰减曲线法、衰减曲线法 通过使系统产生通过使系统产生衰减振荡衰减振荡来整定控制器参数。来整定控制器参数。

28、在闭环控制系统中，在闭环控制系统中，先先将控制器变为纯比例作用，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，并将比例度预置在较大的数值上，在达到稳定后在达到稳定后，用，用改变给定值的方法加入阶跃干扰，观察被控变量记录改变给定值的方法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，曲线的衰减比，然后然后从大到小改变比例度，直到出现从大到小改变比例度，直到出现 4 : 1的衰减比的衰减比为止；记下此时的比例度为止；记下此时的比例度 s，并从曲线，并从曲线上得到衰减周期上得到衰减周期Ts，再根据经验公式，求出参数值。，再根据经验公式，求出参数值。 4:1和和10:1衰减振荡过程衰减振荡过程0.

29、1Ts 0.3Ts 0.8S 比例积分微分比例积分微分0.5Ts 1.2S 比例积分比例积分S 比例比例微分时间微分时间(min)积分时间积分时间(min)比例度比例度%控制作用控制作用 4 : 1衰减法参数计算公式表衰减法参数计算公式表 0.4 T升升 1.2T升升 0.8S 比例积分微分比例积分微分2T升升 1.2S 比例积分比例积分S 比例比例微分时微分时间间(min)积分时间积分时间(min)比例度比例度%控制作用控制作用10 : 1衰减法参数计算公式表衰减法参数计算公式表 采用衰减法注意：采用衰减法注意：1）干扰幅值不能太大，一般为额定值的干扰幅值不能太大，一般为额定值的5%2）工艺参数稳定后，才能施加干扰；否则得不到正确工艺参数稳定后，才能施加干扰；否则得不到正确的的s和和Ts 。3）对反应快的系统，得到严格的对反应快的系统，得到严格的4:1曲线困难，以被控曲线困难，以被控变