第7章 简单控制系统

1、昆明理工大学昆明理工大学杨彪杨彪20102011学年下学年下第七章第七章简单控制系统简单控制系统昆明理工大学知识结构知识结构第第5章章 自动控制仪表自动控制仪表第第6章章 执行器执行器第第2章章 过程特性过程特性第第3章章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器第第4章章 显示仪表显示仪表第第1章自动控制系统基本概念章自动控制系统基本概念第第7章章 简单控制系统简单控制系统 第第8章章 复杂控制系统复杂控制系统第第9章章 新型控制系统新型控制系统第第10章章 计算机控制系统计算机控制系统昆明理工大学中医学院中医学院化工仪表及自动化化工仪表及自动化Measurement &Process contro

2、l Technology第七章第七章 简单控制系统简单控制系统昆明理工大学简单控制系统的地位简单控制系统的地位简单控制系统简单控制系统昆明理工大学 过程控制系统中绝大多数是简单控制系统 简单控制系统是复杂控制复杂控制系统与先进控制先进控制系统的基础 本章主要讨论简单控制系统的设计设计、投运投运与整定整定。昆明理工大学1 1 系统组成原理及分析系统组成原理及分析昆明理工大学一、系统组成简单控制系统组成是： 一个控制器 一个变送器（测量仪表）一个执行器（控制阀）一个被控对象 由于控制系统信号流只有一个回路，也称单回路控制系统。如图81所示。图82是该系统方框图。昆明理工大学图81 换热器温度控制系

3、统TC：温度控制器TT：温度变送器执行器：气动控制阀被控对象：换热器图图81昆明理工大学图82 换热器温度控制系统方框图本例：控制器：E上升，U上升，E下降，U下降。温度检测、变送器：T上升，Y上升，T下降，Y下降。执行器：U上升，Q上升，U下降，Q下降。图图82昆明理工大学1、被控对象 从图82可以看出 系统有一个被控变量:加热炉出口温度T。 一个被控对象：换热器一个操纵变量（控制变量）：蒸汽流量操纵变量是对象的输入，被控变量是对象的输出。对被控变量有影响作用的其他因素都看作干扰，即干扰也是对象的输入。昆明理工大学2、控制器 实际的控制器包括方框图中的比较部分和控制器两个方框。 控制器可以是

4、电动控制器，甚至是计算机，输出是电信号。可通过电/气转换器将信号送到气动阀，也可直接送到带电气阀门定位器的气动控制阀。 控制器的输入是设定值与测量值的偏差设定值与测量值的偏差。控制器实现各种控制规律。昆明理工大学3、测量及变送单元对应不同的变量，仪表种类众多，见第三章过程检测仪表介绍。从输入输出关系看，很简单，完成从非电量到电量的转换，而且多数接近线性过程。被控变量真实值T无法得到，只能得到其测量值Y。昆明理工大学4、执行器过程控制中气动执行器最多，而电动执行器较少。执行器接收控制器输出，使阀门开度变化，影响过程的状态，改变操纵变量，最终对被控变量产生影响。可根据控制系统要求改变执行器的特性和

5、作用方向。昆明理工大学二、控制过程分析（平衡状态）若蒸汽、冷流体的量和及品质不变，流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量使被加热物出口温度维持不变。控制系统处于平衡状态。若有扰动，或工艺要求新的出口温度，上述平衡被破坏。昆明理工大学二、控制过程分析（扰动分析）扰动：蒸汽的压力和温度，冷流体的流量及品质。扰动具有随机性质。扰动影响系统平衡，改变被控变量。控制系统要克服扰动的影响。昆明理工大学二、控制过程分析（控制过程）扰动使被控温度T增加时，控制系统克服扰动，使T减小并回复到设定值。扰动使被控温度减小时，控制系统克服干扰，使得T增加并回复到设定值。昆明理工大学若负反馈1变成正反馈，控制系统将不能克服扰

6、动，即被控变量不能再回复到设定值。而且控制系统会使得被控变量更加偏离设定值。控制器或执行器的方向选错，也不能克服扰动。二、控制过程分析（控制过程）昆明理工大学图82 换热器温度控制系统方框图本例：控制器：E上升，U上升，E下降，U下降。温度检测、变送器：T上升，Y上升，T下降，Y下降。执行器：U上升，Q上升，U下降，Q下降。图图82昆明理工大学2 2 简单控制系统设计简单控制系统设计昆明理工大学一、控制系统设计概述1、基本要求控制系统设计人员有全面的自动化知识，同时熟悉工艺装置对象。自动化与工艺人员相互交流，确定控制方案。切忌盲目追求系统先进性和仪表装置先进性。设计要遵守有关的标准、行规。昆明

7、理工大学2、基本内容（1）确定控制方案 这是整个设计工作的核心，包括：被控变量的选择和确认、操纵变量的选择与确认、检测点的选择、绘制带控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图，写出初步控制方案设计说明等文档。2、基本内容、基本内容昆明理工大学（2）仪表和装置选型 根据已经确定的控制方案进行选型，考虑因素：产品质量、价格、可靠性、精度、供货方便程度、技术支持、维护等。（3）相关工程内容设计 包括控制室设计、供电和供气系统设计、仪表配管和配线设计及连锁保护系统设计等，提供相关图表。昆明理工大学3、基本步骤（1）初步设计：目的是上报审批，并为订货作准备。（2）施工图设计：项目和方案批准后，为工程施工提

8、供有关内容详细的设计资料。（3）设计文件和责任签字：包括设计、校核、审核、审定、各相关负责人签字等。（4）参与施工与试车。（5）设计回访。昆明理工大学二、被控变量的选择 被控变量选择是控制系统设计中关键问题。应该以工艺人员工艺人员为主（因为对控制要求是从工艺要求提出的），并与自控人员讨论。 为了实现预期的工艺目标，往往有多个工艺变量或参数可以选择，此时应遵循以下原则：昆明理工大学 （1）尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量（2）所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全和高效的要求。（3）必须考虑自动化仪表及装置的现状。（1）昆明理工大学三、操纵变量的选择 选定被控变量后，要进一步确定控制系

9、统的操纵变量（调节变量）。实际上，被控变量与操纵变量是要求一起综合考虑的。操纵变量选择应该遵循一些原则：（1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量（2）操纵变量应该是系统中所有被控对象的输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数K要尽量尽量大，时间常数T适适当当小，滞后时间尽量小。 昆明理工大学（3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。 如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使得出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。（3）昆明理工大学四、控制器及控制规律选择 控制系统中，仪表选型确定后：

10、l 对象特性是固定的，不好改变。l 测量及变送器的特性比较简单，一般也不 好改变。l 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。 能够改变的参数就是控制器控制器，系统设置控制器目的，是通过它改变整个控制系统的动态特性，达到控制的目的。昆明理工大学 控制器的控制规律控制规律对控制质量影响很大。根据不同过程特性和要求，选择相应的控制规律，以获得较高的控制质量。 确定控制器的作用方向作用方向，以满足系统要求，也是系统设计的重要内容。四、控制器及控制规律选择昆明理工大学1、控制规律选择 控制规律主要根据过程特性和要求来选：（1）位式控制 常见的位式控制有双位和三位两种。一般适用于滞后较小

11、，负荷变化不大也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内波动的场合。如恒温箱、电阻炉等的温度控制等。昆明理工大学（2）比例控制 是最基本的控制规律，当负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但过渡过程结束时存在余差余差，且负荷变化越大余差也越大。 比例控制作用于控制通道滞后较小、时间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不大、控制质量要求不高、允许有余差的场合。如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。昆明理工大学（3）比例积分控制 引入积分作用能够消除余差，因此比例积分控制是使用最多最多、应用最广泛最广泛的控制规律，但是，加入积分作用后要保持系统原有的稳

12、定性，必须加大比例度（削弱比例作用），导致控制质量有所下降，如最大偏差和振荡周期相应增大，过渡时间加长。 对于控制通道滞后小、负荷变化不太大、工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制，采用该规律可获得较好的控制质量。昆明理工大学（4）比例微分 引入微分，会有超前作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量，适用于过程滞滞后较大后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频扰动作用频繁繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。昆明理工大学（5）比例积分微分 微分作用对于克服容量滞后有显著效果，对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上增加微分作用能提高系统的稳定性，如再

13、加上积分作用消除余差，又有 ，TI ， TD三个参数可调，因此可以使得系统获得较高的控制质量，它适合容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。昆明理工大学控制规律选择原则（1）当广义过程控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好效果，积分作用可消除余差，因此可选PID或PI控制规律，如温度过程，此时若选用PI控制规律则因积分作用滞后，控制质量差。昆明理工大学（2）当广义过程控制通道存在纯滞后，若用微分作用来改善控制质量是无效的。也就是说，微分作用对克服纯滞后是无能为力的。 （3）当广义过程控制通道的时间常数较小，系统负荷变化也较小时，为

14、了消除余差，可以采用PI控制规律，如流量过程。控制规律选择原则昆明理工大学（4）当广义过程控制通道的时间常数较小，而负荷变化很大时，采用微分和积分作用都容易引起振荡。如果控制通道时间常数很小，可以采用反微分作用来提高控制质量。（5）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，可以设计复杂控制系统来提高控制质量。控制规律选择原则昆明理工大学2、控制作用方向选择（1）方框的正反作用方向方框的正作用方向方框的正作用方向，是指该方框的输入信号增加，输出信号增加；输入信号减小，输出信号减小。方框的负作用方向方框的负作用方向，是指该方框的输入信号增加，输出信号减小

15、；输入信号减小，输出信号增加。 在控制系统方框图中，每一个方框都有作用方向问题。如作用方向为正正，标注“”；如作用方向为负负，标注“”。昆明理工大学 对于测量仪表方框（传感器）测量仪表方框（传感器），由于测量值Y总是随被控变量的增加而增加，被控变量减小而减小。所以该方框总是正作用方向，可标为“”。 对被控对象被控对象模块，则可能为正作用方向，也可能为反作用方向。 对于执行器执行器，由于执行器中有改变作用方向的装置，因此它可能为正作用，也可能为反作用。它的选择取决于系统安全性系统安全性。2、控制作用方向选择昆明理工大学图83 正作用液位槽系统及方框图Qi增加，h增加，对象为正作用图图8-3 正作

16、用液位槽系统及方框图正作用液位槽系统及方框图昆明理工大学图84 反作用液位槽系统及方框图Qo增加，h减小，对象为反作用图图84昆明理工大学 因此，控制系统中，只有控制器的正、反作用可以改变，以保证整个控制系统是负负反馈控制系统反馈控制系统。（2）控制器方框的正反作用选择 控制器方框的正、反作用选择依据是使整个控制系统为负反馈，图83所示的控制系统的方框图如图85所示。结论结论昆明理工大学图85 控制系统方框图根据前面的讨论，可以标出各方框的作用方向。图图85昆明理工大学 假设执行器也是正作用，此时，来确定控制器的作用方向控制器的作用方向。 如果h受到扰动而增加，则有： 另一方面，h增加了，要使

17、h减小，需要Qi减小，而Qi减小要求U减小。因此，控制规律方框应该是正作用。分析分析昆明理工大学(3)正作用控制器与反作用控制器 由于控制器是由比较点和控制规律方框两部分组成，所以它的作用方向也由两个部分综合。比较点中测量信号前有一个测量信号前有一个“”，将这个符号与控制规律方框的作用方向相乘，就是控制器整机的作用方向。如上例子中，控制器就是反反作用控制器。 如果两部分相乘为正，就是正作用控制器。昆明理工大学五、执行器的选择1、控制阀结构类型及材质的选择。 根据操纵介质的工艺条件（温度、压力、流量等）及其特性（粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等）和控制系统的不同要求来选用。昆明理工大学表表8

18、81 1 不同结构形式控制阀特点及适用场合不同结构形式控制阀特点及适用场合昆明理工大学2、控制阀气开、气关形式的选择 考虑到阀的气源信号中断或者控制系统某环节失灵时，阀处于全开的位置安全还是处于全关的位置安全，具体由工艺确定。以下几条原则可以考虑：（1）从生产安全出发 如生产蒸汽的锅炉水位控制系统中的给水阀，为保证发生故障时不把锅炉烧坏，应采用 。气关阀门气关阀门昆明理工大学（2）从保证产品质量出发 当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应该降低产品的质量。如精馏塔回流量控制阀采用气关式，一旦发生故障，控制阀处于全开状态，防止不合格产品蒸出，从而保证塔顶产品质量。（2）从保证产品质量

19、出发）从保证产品质量出发昆明理工大学（3）从降低原料、成品、动力损耗来考虑 如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式，一旦控制阀失去能源就处于气关状态，不再给塔进料，以免造成浪费。（3）从降低原料、成品）从降低原料、成品昆明理工大学（4）从介质特点考虑 精馏塔釜加热蒸汽控制阀一般选用气开式，以保证控制阀在失去能源时处于关闭状态，从而避免能源浪费。但如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀应选用气关式以防控制阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。（4）从介质特点考虑）从介质特点考虑昆明理工大学3、控制阀流量特性选择 控制阀的流量特性直接影响到系统的控制质量和稳定性，需

20、要进行选择。选择控制阀的流量特性时，既要依据过程特性，还要结合系统配管情况。 控制阀的工作特性应根据过程特性来选择，其目的是使广义过程为线性线性。昆明理工大学 若变送器的特性为线性，过程特性也近似线性，应选择线性工作特性的控制阀。 若变送器的特性为线性，而过程特性的放大倍数K是随操纵变量的增加而减小，则应选对数工作特性。3、控制阀流量特性选择昆明理工大学 依据工艺配管情况确定配管系数S后，可以从工作特性出发，确定理想特性。 当S10.6时，理想特性与工作特性几乎相同。当S=0.30.6时，无论是线性或对数工作特性，都应选对数理想特性。当S0.3时，一般不适宜控制。3、控制阀流量特性选择昆明理工

21、大学4、控制阀口径大小的选择 依据阀的流量系数，来选择控制阀的口径。正常工况下要求控制阀的开度处于1585之间，因此不宜将控制阀口径选得过大或过小。否则，会使控制阀可能运行在全开时的非线性饱和工作状态，系统失控；或者使阀门经常处于小开度的工作状态，造成流体对阀芯、阀座严重冲蚀，甚至引起控制阀失灵。昆明理工大学3 简单控制系统投运与参数整定昆明理工大学一、投运步骤1、投运前的准备 （1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、电源、气源等。（2）现场校验所有的仪表，保证仪表能正常工作。（3）根据经验或估算，设置KP 、 TI 和 TD，或者先将控制器设置为比例度较大的纯比例作用。昆明

22、理工大学（4）确认控制阀的气开、气关作用。（5）确认控制器的正、反作用。（6）根据前述的设置，假设被控变量受扰动有增加，分析控制系统能否克服扰动的影响。2、现场人工操作 控制阀安装如图86所示。将控制阀前后的阀门1和2关闭，打开阀门3，观察测量仪表在能否正常工作，待工况稳定。昆明理工大学图86 控制阀安装示意图图图86昆明理工大学（3）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号p至一个适当数值，然后，打开上游阀门2，再逐步打开下游阀门1，过渡到遥控，待工况稳定。（4）投入自动 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，控制器切换到自动状态。至此，初步投运过程

23、结束，但控制器参数有待整定。（3）手动遥控）手动遥控昆明理工大学二、控制器参数整定理论计算法 需要较多理论知识，实际情况复杂，因此只能依据理论和工程经验估计一组参数，再在运行过程中优化参数。工程整定法u经验法u临界比例度法u衰减曲线法 昆明理工大学 先将控制器设置为纯比例作用（积分时间放在无穷大，微分时间置“0”位置），且比例度放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度并施加扰动，直到控制系统出现等幅振荡的过渡过程，如图87所示。这时的比例度称为临界比例度 ，振荡周期就叫临界振荡周期 。根据这两个数值查表8-2。1、临界比例度法kTk昆明理工大学表82 临界比例度法控制器参数表值表表

24、82昆明理工大学 临界比例度法比较简单，适用面广，应用较多。但对于工艺上不允许有等幅振荡等幅振荡的情况不能用；如 很小，容易使得被控变量超出允许范围，也不能使用。k临界比例度法比较简单临界比例度法比较简单昆明理工大学 先将控制器设置为纯比例作用且比例度放在较大位置，将系统投入闭环控制，待系统稳定后，逐步减小比例度，改变设定值以施加阶跃扰动，观察过渡过程曲线，直到出现衰减比n=4的过渡过程，如图88所示。这时的比例度称为临界比例度 ，衰减周期为 。根据这两个数值查表8-3。2、衰减振荡法sTs昆明理工大学图88 4:1衰减振荡法图图88昆明理工大学表表8 83 4:13 4:1衰减曲线法控制器参

25、数值衰减曲线法控制器参数值昆明理工大学 有时希望衰减比大于4，即要求过渡过程更稳定，振荡减弱些。这时仍然按照上述方法找到 ，只是衰减比取10，如图89所示。但此时 较难测准，因此改测上升时间 ，再查表84得到控制器参数。TTssT昆明理工大学表表8 84 10:14 10:1衰减曲线法控制器参数值衰减曲线法控制器参数值昆明理工大学衰减曲线法应用注意问题（1）加扰动前，控制系统必须稳定，否则测得的比例度及振荡周期等参数不准确。（2）阶跃扰动幅度不能太大，一般为设定值的5，具体数值由工艺定。（3）如果过渡过程波动频繁，难于记录准确的比例度、衰减周期或上升时间，需要改用其他方法。昆明理工大学前面所说的各种方法也属经验，表格中数据也是经验总结，不一定要拘泥于表格中的数据。经验法是根据实际经验，先将控制器参数 、 、 预先设置为一定的数值，控制系统投入自动后，改变设定值施加扰动，即观察记录曲线，根据不同参数对过渡过程的影响，反复改变参数，直到过渡过程过渡过程的曲线满意为止。3、经