第七章-简单控制系统-1

1、第七章第七章-简单控制系统简单控制系统湖北民族学院湖北民族学院化工仪表及自动化化工仪表及自动化 电子课件电子课件-7化学与环境工程学院化学与环境工程学院化工与制药教研室化工与制药教研室Contents:简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成 1 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 2 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定 3七七 简单控制系统简单控制系统第七章第七章 简单控制系统简单控制系统基本要求：基本要求： 1.了解简单控制系统的了解简单控制系统的结构、组成及作用结构、组成及作用； 2.掌握简单控制系统中掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选被控变量、操纵变量选择的一般原则

2、择的一般原则； 3.了解各种了解各种基本控制规律的特点基本控制规律的特点及及应用应用场合；场合； 4.掌握掌握控制器正、反作用控制器正、反作用确定的方法；确定的方法； 5.掌握掌握控制器参数工程整定控制器参数工程整定的方法。的方法。7.1 简单控制系统的结构及组成简单控制系统的结构及组成 通常是指由通常是指由一个一个被控对象、被控对象、一个一个检测元件及传感器（或检测元件及传感器（或变送器）、变送器）、一个一个控制器和控制器和一个一个执行器所构成的单闭环控制系执行器所构成的单闭环控制系统，也称为单回路控制系统。统，也称为单回路控制系统。一、定义一、定义二、简单控制系统的典型方块图：二、简单控制

3、系统的典型方块图：三、控制系统图的表达三、控制系统图的表达液位控制系统液位控制系统温度控制系统温度控制系统根据自控设计规范，省略了测量变送环节。根据自控设计规范，省略了测量变送环节。7.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计1、选择、选择“关键变量关键变量”作被控变量作被控变量 所谓所谓“关键变量关键变量”是指对产品的产量、质量以及安全是指对产品的产量、质量以及安全具有决定性作用，而人工操作又难以满足要求或者虽然人具有决定性作用，而人工操作又难以满足要求或者虽然人工操作可以满足要求但操作是紧张而频繁的。工操作可以满足要求但操作是紧张而频繁的。一、被控变量的选择一、被控变量的选择1) 直接指标

4、控制：直接指标控制：被控制的被控制的指标本身指标本身就是需要控制的就是需要控制的工艺指工艺指标（标（如温度、压力、流量、成分等）。如温度、压力、流量、成分等）。2) 间接指标控制：间接指标控制：以以产品质量产品质量为控制指标，但质量信号无法为控制指标，但质量信号无法检测，或检测到的信号微弱或滞后很大，这时就需要检测，或检测到的信号微弱或滞后很大，这时就需要 选取选取与其有单值关系而反应又快与其有单值关系而反应又快的的另一变量另一变量进行控制，称进行控制，称为间接指标控制。为间接指标控制。2、直接指标控制与间接指标控制、直接指标控制与间接指标控制其选择关系到系统能否达到预期控制效果，一般原则是：

5、其选择关系到系统能否达到预期控制效果，一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操工艺操作状态作状态的重要变量；的重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁需要频繁加以控制加以控制的变量；的变量；（3）被控变量变尽可能选择工艺生产过程的）被控变量变尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号。或其测量或传送滞后很大时，当无法获得直接控制指标信号。或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；可选择与直接控

6、制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是）被控变量应是能测量的能测量的，并具，并具有较大灵敏度有较大灵敏度的变量；的变量；（5）被控变量应是）被控变量应是独立可控独立可控的；的；（6）应考虑）应考虑工艺的合理性与经济性工艺的合理性与经济性。3、被控变量选择的原则、被控变量选择的原则二、二、 操纵变量的选择操纵变量的选择2、操纵变量选择的原则、操纵变量选择的原则（1）操纵变量应是工艺上）操纵变量应是工艺上允许加以控制允许加以控制的可控变量；的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的比较灵敏的变量变量，即控制通道的，即控制通道的

7、放大系数要大放大系数要大一些，一些，时间常数要小时间常数要小一些，一些，纯滞纯滞后时间要尽量小后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑）操纵变量的选择还应考虑工艺工艺的合理性和生产经济性。的合理性和生产经济性。1、定义：、定义： 用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为量称为操纵变量操纵变量。 最常见的操纵变量时最常见的操纵变量时介质的流量介质的流量。3、控制通道特性和干扰通道特性、控制通道特性和干扰通道特性操纵变量和被控变量操纵变量和被控变量之间的关系构成了被控对象之间的关系构成了被控对象控制通道特性。控制通道特性。干扰和被控变量

8、干扰和被控变量之间的关系构成了被控对象的之间的关系构成了被控对象的干扰通道特性干扰通道特性。干扰干扰起起破坏破坏作用，作用，而而操纵变量操纵变量起起校正校正作用，作用，二者是一对二者是一对互相矛盾互相矛盾的变的变量。量。4、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（1） 放大系数放大系数 K0（静态特性）（静态特性） K0 的大小表征了的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度操纵变量对被控变量的影响程度：K0 大，影响越显著，控制作用更有效；大，影响越显著，控制作用更有效；但但 K0 过大，会引起系统不稳定。过大，会引起系统不稳定。（2）动态特性的影响：）动态特性的影响：.

9、控制通道时间常数控制通道时间常数 T 的影响：的影响： T不宜过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓，超不宜过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓，超调量大，过渡时间长，故要求调量大，过渡时间长，故要求 T 小一些小一些，使之，使之反应灵敏，反应灵敏，控制及时。控制及时。 . 控制通道纯滞后的影响：控制通道纯滞后的影响： 控制器接收到正偏差信号时，纯滞后使超调量增加。控制器接收到正偏差信号时，纯滞后使超调量增加。 控制器接收到负偏差信号时控制器接收到负偏差信号时, 可使过渡过程的振荡加剧，可使过渡过程的振荡加剧，稳定性变差。故应使稳定性变差。故应使0 尽量小尽量小。. 干扰通道时间常数干扰通道时间

10、常数 Tf 的影响：的影响： Tf 越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢。应设法使越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢。应设法使干扰到被控变量的通道长一些，干扰到被控变量的通道长一些，Tf 大一些大一些。. 干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后 f 的影响的影响 干扰通道纯滞后只是将干扰的作用推迟了干扰通道纯滞后只是将干扰的作用推迟了f ，控制作用，控制作用亦亦推迟了推迟了f ，对控制质量没有影响，对控制质量没有影响。 0（2） 动态特性的影响动态特性的影响-续：续：三、测量元件特性的影响三、测量元件特性的影响 对测温元件来讲，存在对测温元件来讲，存在热阻和热容热阻和热容，它本身具有一定，它本身具有一

11、定的的时间常数时间常数， 当时间常数较大时，控制器接收到的将是当时间常数较大时，控制器接收到的将是一个一个失真失真的信号，不能发挥正确的校正作用，质量无法达的信号，不能发挥正确的校正作用，质量无法达标。标。1、测量元件时间常数、测量元件时间常数 Tm 的影响：的影响：减小时间常数的方法：减小时间常数的方法： 选用选用惰性小惰性小的快速测量元件，例如用快速势电偶代替普的快速测量元件，例如用快速势电偶代替普通热电偶或温包（当通热电偶或温包（当 Tm 小于对象时间常数小于对象时间常数 1/10 时，对时，对质量影响不大）；质量影响不大）； 必要时引入必要时引入微分微分作用，利用过超前作用来补偿测量元

12、件作用，利用过超前作用来补偿测量元件的动态误差；的动态误差； 保证测量元件保证测量元件安装、使用正确安装、使用正确； 使用过程中注意使用过程中注意维护、检查维护、检查。2、测量元件的纯滞后、测量元件的纯滞后0 的影响：的影响： 在过程控制中，由于在过程控制中，由于检测元件安装不正确检测元件安装不正确或不适当，或不适当，将会产生将会产生纯滞后纯滞后，如图所示，如图所示，pH 控制系统：控制系统： 主管道流速过大，不宜放置电极，故主管道流速过大，不宜放置电极，故引出支管安放引出支管安放电极电极，支管的引入，使得，支管的引入，使得 pH的测量引的测量引入纯滞后入纯滞后0。 l 1、l2：主管道、支管

13、道长度。：主管道、支管道长度。 u1、u2：主管道、支管道内流体流速。：主管道、支管道内流体流速。12012lluu 测量信号传送滞后：测量信号传送滞后： 因现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器因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（电信号可忽略）。所引起的滞后（电信号可忽略）。 控制信号传送滞后：控制信号传送滞后： 因控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行因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（气动薄膜控制阀，容量滞后较大）。器所引起的滞后（气动薄膜控制阀，容量滞后较大）。3、信号的传送滞后：应尽量减小、信号的传送滞后：应尽量减小4、测量元件特

14、性的选用、安装、维护注意事项、测量元件特性的选用、安装、维护注意事项 检测元件要检测元件要正确选用、合理安装、及时维护正确选用、合理安装、及时维护，以便经常，以便经常保证检测元件有保证检测元件有足够的测量精度、较小的时间常数足够的测量精度、较小的时间常数，尽量，尽量小小的纯滞后和信号的传递滞后的纯滞后和信号的传递滞后。1、控制器控制规律的确定、控制器控制规律的确定 比例控制器P 比例积分控制器PI 比例积分微分控制器PID四、控制器控制规律的选择四、控制器控制规律的选择控制规律输入e与输出p关系式阶跃作用A下的响应优缺点使用场合位式P=pmax(e0)P=pmin(e0)简单便宜；控制质量不高

15、，会振荡。对象容量大，负荷变化小，控制质量要求不高，允许等幅振荡。比例P p = Kpe简单、及时、整定方便；有余差。允许余差：塔釜液位、储槽、冷凝器液位等。比例积分PI可消余差，积分慢，稳定性差。滞后大负荷变化大，缓慢无余差：压力流量液位等。比例微分PD响应快偏差小稳定.超前控克服惯性；有余差滞后负荷变化小,变化不频繁，允许有余差比例积分微分PID质量高、无余差；整定麻烦。滞后负荷变动大但不频繁，质量要求高：精馏塔反应器等温控。)1(01tcedtTeKp)(dtdeTeKpDc)1(01dtdeTedtTeKpDtcppmaxpmin0e pt0t KpApt0tKpA 控制作用对被控变量

16、的影响应当与干扰作用对被控变量控制作用对被控变量的影响应当与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。作用方向：作用方向：指输入变化后，输出的变化方向；指输入变化后，输出的变化方向； 正作用：正作用：输入增加，输出也增加；输入增加，输出也增加； 反作用：反作用：输入增加时，输出减小。输入增加时，输出减小。在控制系统中，被控对象、测量元件及变送器、控制器、执在控制系统中，被控对象、测量元件及变送器、控制器、执行器都有各自的作用方向。行器都有各自的作用方向。 2、控制器的正反作用的确定、控制器的正反作用的确定（1）测量元件及变送器）测量元

17、件及变送器 当被控变量增加时，其输出一般也会增加，故其作用方当被控变量增加时，其输出一般也会增加，故其作用方向一般都是向一般都是“正正”的。的。 热敏电阻热敏电阻“反反”。（2）执行器：）执行器：其作用方向取决于气开还是气闭阀。其作用方向取决于气开还是气闭阀。气开阀：气开阀：当控制器输出信号增加时，其开度增加，因而流当控制器输出信号增加时，其开度增加，因而流过阀的流体流量增加，故属过阀的流体流量增加，故属“正方向正方向”。气闭阀：气闭阀：与气开阀相反，属与气开阀相反，属“反方向反方向”。（3）控制器：）控制器：正作用：正作用：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制当给定值不变，被控变量测量值

18、增加时，控制 器输出增加；或当测量值不变，给定值减小时，控制器输出增加；或当测量值不变，给定值减小时，控制 器输出增加。器输出增加。 亦即亦即 e 增加，控制器输出增加。增加，控制器输出增加。反作用：反作用：与上相反。与上相反。五、举例五、举例I加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统对象：加热炉对象：加热炉操纵变量：燃料气流量操纵变量：燃料气流量被控变量：原料油出口温度被控变量：原料油出口温度对执行器而言：对执行器而言：从工艺安全条件出发，选择气开阀，以免从工艺安全条件出发，选择气开阀，以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子，此时，执行器当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子，此时，

19、执行器为为“正作用正作用”。对控制器而言对控制器而言: 为保证系统是负反馈，即当炉温上升时，为保证系统是负反馈，即当炉温上升时，控制器控制器TC的输出减小而关小燃料气阀门，使炉温下降，故控的输出减小而关小燃料气阀门，使炉温下降，故控制器应选制器应选“反作用反作用”。 对对象而言对对象而言: 操纵变量增加，其操纵变量增加，其被控变量增加，故对象属被控变量增加，故对象属“正作用正作用”方向；方向；执行器：控制阀。执行器：控制阀。为保证一旦停气或断气，阀门能自动关为保证一旦停气或断气，阀门能自动关闭，以免物料全部流走应选气开阀，是闭，以免物料全部流走应选气开阀，是“正作用正作用”。问：被控变量和操作

20、变量是什么？问：被控变量和操作变量是什么？ . 简单液位控制系统：简单液位控制系统：对象：贮液罐。对象：贮液罐。当控制阀开度增加时，液位下降，故对象当控制阀开度增加时，液位下降，故对象是是“反作用反作用”。控制器：控制器：在液位升高时，测量值增在液位升高时，测量值增加，控制器的输出增加，以保证控加，控制器的输出增加，以保证控制阀的开度增加，使液位下降，故制阀的开度增加，使液位下降，故控制器是控制器是“正作用正作用”。例例1. 试确定如图所示系统（试确定如图所示系统（ 图示系统为冷却器出口物料图示系统为冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶）温度控制系统，要求物料温度不能

21、太低，否则容易结晶）中中控制阀的气开、气关型式控制阀的气开、气关型式和和控制器的正、反作用控制器的正、反作用。 解：解： 由于被冷却物料温度不能太低，当控制阀膜头上由于被冷却物料温度不能太低，当控制阀膜头上气源气源突然中断时，应使冷剂阀处于关闭状态突然中断时，应使冷剂阀处于关闭状态，以避免大量冷剂流，以避免大量冷剂流入冷却器，所以应选择入冷却器，所以应选择气开阀气开阀型式。型式。 当冷剂流量增大时，被冷却物料出口温度是下降的，故当冷剂流量增大时，被冷却物料出口温度是下降的，故该该对象为对象为 “反作用反作用” 方向方向的，而的，而气开阀是气开阀是 “正正” 作用方向作用方向的，为使整个系统能起

22、的，为使整个系统能起负反馈负反馈作用，故该系统中作用，故该系统中控制器应选控制器应选 “正正” 作用作用的。的。 当出口温度增加时，控制器输出增加、使控制阀开大，当出口温度增加时，控制器输出增加、使控制阀开大，增加冷剂流量，从而自动地使出口温度下降，起到增加冷剂流量，从而自动地使出口温度下降，起到负反馈负反馈的的作用。作用。例例2如图所示为一蒸汽加热器如图所示为一蒸汽加热器温度控制系统。温度控制系统。（1）指出该系统中被控变量、操纵变量、被控对象各是什么？）指出该系统中被控变量、操纵变量、被控对象各是什么？（2）该系统可能的干扰有哪些？）该系统可能的干扰有哪些？（3）该系统的控制通道是指什么？

23、）该系统的控制通道是指什么？（4）试画出该系统的方块图。）试画出该系统的方块图。（5）如果被加热物料过低易结晶时，试确定控制阀的气开、气）如果被加热物料过低易结晶时，试确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用。关型式和控制器的正、反作用。（6）试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控制过程及各）试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控制过程及各信号的变化情况信号的变化情况.冷物料冷物料蒸汽蒸汽热物料热物料 解解:（1）该系统的）该系统的被控对象被控对象是是蒸汽加热器蒸汽加热器，被控变量被控变量是是被加热被加热物料的出口温度物料的出口温度，操纵变量操纵变量是是加热蒸汽的流量加热蒸汽的流量。

24、 （2）该系统可能的）该系统可能的干扰干扰有加热蒸汽压力；冷物料的流量有加热蒸汽压力；冷物料的流量及温度；加热器内的传热状况（如结垢状况）；环境温度及温度；加热器内的传热状况（如结垢状况）；环境温度变化等。变化等。 （3）该系统的）该系统的控制通道控制通道是指由加热是指由加热蒸汽流量变化到热物蒸汽流量变化到热物料的温度变化料的温度变化的通道。的通道。 （4）方块图如下图所示。）方块图如下图所示。 （5）由于被加热物料过冷易结晶，为避免过冷，当控制阀上气源中断时）由于被加热物料过冷易结晶，为避免过冷，当控制阀上气源中断时,应使阀处于开启状态，所以应使阀处于开启状态，所以控制阀应选气闭型式控制阀应

25、选气闭型式。 由于加热蒸汽流量增加时，被加热物料出口温度是增加的，故该系统由于加热蒸汽流量增加时，被加热物料出口温度是增加的，故该系统中的中的对象是属于对象是属于 “正正” 作用方向作用方向的。的。阀是气闭型式，属于阀是气闭型式，属于 “反反” 作用方作用方向向。为使系统具有负反馈作用，。为使系统具有负反馈作用，控制器应选控制器应选 “正正” 作用作用的，即正作用方向的，即正作用方向的。的。 （6）当冷物料流量突然增大时，会使物料出口温度）当冷物料流量突然增大时，会使物料出口温度 T 下降。这时由于温下降。这时由于温度控制器度控制器 TC 是正作用的，故当测量值是正作用的，故当测量值 z 下降

26、时，控制器的输出信号下降时，控制器的输出信号u下降下降,即控制阀膜头上的压力下降。由于阀是气闭型式的，故阀的开度增加、通即控制阀膜头上的压力下降。由于阀是气闭型式的，故阀的开度增加、通过阀的蒸汽流量也相应增加，于是会使物料出口温度上升，起到因物料流过阀的蒸汽流量也相应增加，于是会使物料出口温度上升，起到因物料流量增加而使温度下降相反的作用，故为负反馈作用。所以该系统由于控制量增加而使温度下降相反的作用，故为负反馈作用。所以该系统由于控制作用的结果，能自动克服干扰对被控变量的影响，使被控变量维持在恒定作用的结果，能自动克服干扰对被控变量的影响，使被控变量维持在恒定的数值上。的数值上。第七章第七章

27、 简单控制系统简单控制系统7.3 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定一、综述一、综述 当一个控制系统设计安装完成后，系统的各个环节以及当一个控制系统设计安装完成后，系统的各个环节以及被控对象各通道的特性就不能再改变了，只能改变调节器的被控对象各通道的特性就不能再改变了，只能改变调节器的比例度比例度、TI、TD，即调节器的即调节器的参数整定参数整定，其目的就是按照，其目的就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量的已定的控制系统，求取控制系统质量的最佳参数值最佳参数值。 例：对单回路控制系统，一般希望过渡过程是例：对单回路控制系统，一般希望过渡过程是4:110:1 的的衰减振荡衰减振荡过程。

28、过程。 二、整定方法分类二、整定方法分类常见的有常见的有根轨迹法，频率响应法，偏差积分准则根轨迹法，频率响应法，偏差积分准则等。等。特点：特点：必须知道必须知道被控对象的特性被控对象的特性，才能获得最佳参数。，才能获得最佳参数。 在缺乏足够被控对象特性时，难以得到准确参数，在缺乏足够被控对象特性时，难以得到准确参数， 对复杂过程而言，其对复杂过程而言，其计算繁琐，工作量大，费时计算繁琐，工作量大，费时。 常用于常用于科研科研工作中做方案比较用。工作中做方案比较用。1、理论计算整定法：、理论计算整定法： 避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，通过改变通过改变控制器参数控制器参数，观察被控变量的过渡过程观察被控变量的过渡过程，来获取参，来获取参数的数的最佳值最佳值。 常见有临界比例法，衰减曲线法和经验试验法。常见有临界比例法，衰减曲线法和经验试验法。 （2）工程整定法）工