过程控制-3-简单控制系统

1、第三章简单控制系统简单控制系统的结构组成控制目标：控制目标：储液罐内的液位h保持在期望的位置上。输入变量：输入变量：流入液体流量和流出液体流量储液罐液位控制系统储液罐液位控制系统简单控制系统的结构组成储液罐液位控制系统储液罐液位控制系统控制方案控制方案1 1：以入口流量为控制变量，出口流量为扰动变量：以入口流量为控制变量，出口流量为扰动变量简单控制系统的结构组成储液罐液位控制系统储液罐液位控制系统控制方案控制方案2 2：以出口流量为控制变量，入口流量为扰动变量：以出口流量为控制变量，入口流量为扰动变量简单控制系统的结构组成储液罐液位控制系统储液罐液位控制系统控制方案控制方案1 1和和2 2的各

2、环节增益特性判断和选择的各环节增益特性判断和选择注意注意：1、调节阀的、调节阀的气开气关气开气关特性特性2、控制器的、控制器的正反正反作用作用简单控制系统的结构组成控制目标：控制目标：工艺介质出口温度达到规定的温度。输入变量：输入变量：工艺介质流量、工艺介质入口温度、蒸汽流量和蒸汽温度蒸汽加热器温度控制系统蒸汽加热器温度控制系统简单控制系统的结构组成控制方案：控制方案：调节加热蒸汽流量来控制工艺介质出口温度蒸汽加热器温度控制系统蒸汽加热器温度控制系统简单控制系统的组成（单回路控制系统） 由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。简单控制系统的设计喷

3、雾式干燥塔控制系统设计喷雾式干燥塔控制系统设计 碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。生产工艺要求生产工艺要求 产品温度要求稳定，即含水产品温度要求稳定，即含水量波动不能太大。量波动不能太大。 设计要求设计要求1. 1.选择被控变量与操纵变量选择被控变量与操纵变量2. 2. 过程检测、控制设备的选用过程检测、控制设备的选用选择被控变量选择被控变量直接参数-湿度（测量困难）间接参数-干燥塔出口温度选择操纵变量选择操纵变量乳液流量V1旁路空气流量V2蒸汽流量V3简单控制系统的设计在本例中存在着下列三种干扰： ） 干扰 - 乳液流量的变化； ）干扰 - 热交换器散热及温度变化； ）

4、干扰 - 蒸汽压力的变化。 1f2f3f简单控制系统的设计0G0GcGcG31f2f3f1f2f3f方案方案方案方案2x1xyy0GcG1f2f3f100T100T3方案方案1x3x2xy 表示干燥器， 为调节器； 为乳液流量或喷雾口热风温度的变化； 为热交换器后热风温度的变化； 为送入热交换器的蒸汽流量的变化。 0GcG1x2x3x简单控制系统的设计根据对象动特性对调节质量影响的分析： 方案的干扰作用点与对象的输入重合，因而其控制性能最佳； 方案次之； 方案最差。 从控制的品质控制的品质这方面考虑，应该选择方案，即选择乳液作为调节量。从工艺角度工艺角度来考虑：方案并不是最有利的。因为若以乳液

5、流量作为调节参数，则它就不能始终在最大值上工作，也就限制了该装置的生产能力。另外在乳液管线上装了调节阀，容易使浓缩乳液结块，降低产量和质量。因此，综合上述分析比较，选择方案方案是比较好的。方案选择：方案选择：简单控制系统的设计温度控制系统温度控制系统 测温元件-热电阻温度计 变送器-温度变送器 控制阀-气关形式（对数流量特性） 控制器-PID控制 规律，反作用流量控制系统流量控制系统 检测仪表-电磁流量表。 控制阀-气开形式（直线型流量特性） 控制器-比例控制规律，反作用简单控制系统的设计简单控制系统的设计原则 被控变量的选择被控变量的选择 方法一方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量

6、又易于 测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参 数。方法二方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量， 称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化 率等。简单控制系统的设计原则被控变量的选择实例被控变量的选择实例氨合成塔控制 合成塔中进行的化学反应QNHHN32223 LTTM催化剂层深度与温度关系催化剂层深度合成塔内温度热点要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求简单控制系统的设计原则被控变量的选择原则

7、被控变量的选择原则1. 1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境 保护保护 具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2. 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有有 单值函数关系单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。并满足如下条件的间接参数为被控变量。 满足工艺的合理性满足工艺的合理性 具有尽可能大的灵敏度且线形好具有尽可能大的灵敏度且线形好 测量变送装置的滞后小。测量变送装置的滞后小。简单控

8、制系统的设计原则操纵变量的选择操纵变量的选择被控变量（输出量） 扰动变量（输入量）操纵变量（输入量） 从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数简单控制系统的设计原则对象静态特性对控制质量的影响对象静态特性对控制质量的影响设：控制通道放大倍数为 扰动通道放大倍数为f 的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度 f的大小表征了扰动对被控变量的影响程度小结小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数f越小越好，控制通道放大倍数希望适当大适当大些，以使控制通道灵敏些。简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（

9、一）对象动态特性对控制质量的影响（一）设：控制通道的时间常数为o，纯滞后时间为o时间常数O小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响时间常数O过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡时间增长纯滞后时间0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（二）对象动态特性对控制质量的影响（二）设: 扰动通道时间常数为f，纯滞后为f 对扰动通道特性的影响对扰动通道特性的影响 ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2ff简单控制系统的设计原则操纵变量

10、的选择原则操纵变量的选择原则 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的 放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时 间。间。 系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数 和尽可能小的放大系数。和尽可能小的放大系数。 考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的 质量，就不宜选为操纵变量。质量，就不宜选为操纵变量。测量变送问题测量变送问题-纯滞后纯滞后 简单控制系统的设计原则电极酸槽LCACl1中和

11、槽l2=2211vlvl1l、2l 为主管道，分管道的长度1v2v为主管道，分管道流体的流速 测量元件的安装位置测量元件的安装位置简单控制系统的设计原则测量变送问题测量变送问题-传递滞后传递滞后 尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过 300m，管径应大于mm。或在气路60m距离间加气动继动 器，提高气信号传输功率，减小传输时间。 采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。信号传递过程中引起的滞后信号传递过程中引起的滞后克服传递滞后采取以下措施：控制器及其参数整定比例（比例（P P）控制）控制0cuK eu1100%cK图3-17 比例控制器的静态特性控制器及其参数整

12、定比例（比例（P P）控制）控制 P控制： 干扰变化较小，自衡能力强， /T0 较小，工艺允许有误差，控制质量要求不高的场合。如塔釜液位控制等。0控制器及其参数整定比例积分（比例积分（PIPI）控制）控制0011( )( )()tiu te teduT控制器及其参数整定比例积分（比例积分（PIPI）控制）控制PI控制：无静差，动态品质较差。适用于适用于负荷变化较稳定， 较小，自衡能力强，工艺上不允许有静差的场合。0控制器及其参数整定比例积分微分（比例积分微分（PIDPID）控制）控制0011( )( )( )( )tdide tu te tedTuTdt PID控制：静、动态品质均好。 适用于

13、适用于负荷变化大，T0 或 较大，工艺要求无静差，控制质量要求较高的场合。0比较示例：111sT)(sGc110sTKf)(tesvpvGc ： P，PI，PD，PIDT1=20S控制器及其参数整定阶跃干扰作用下，选取不同控制算法在)( 1)(ttf)(sGc，将其参数整定到，比较其过度过程，可以看出PID最佳。如下图示：衰减率9 . 0 003020107 . 06 . 05 . 04 . 03 . 02 . 01 . 01 . 0405060708090100110120IPIPIDPDP（秒）被调参数在阶跃干扰作用下，各种调节的过渡过程比较在阶跃干扰作用下，各种调节的过渡过程比较控制器及

14、其参数整定控制器的选型控制器的选型T0很大时，取PD时，取P或PI2 . 000T0 . 12 . 000T时，取PI或PID0 . 100T时，往往用简单单回路PID不能达到要求，要考虑采用复杂控制系统。控制器及其参数整定控制器参数的工程整定控制器参数整定控制器参数整定-对已定的控制系统求取保证控制过程对已定的控制系统求取保证控制过程 质量为最好的控制器参数（比例度质量为最好的控制器参数（比例度 %、 积分时间积分时间T TI I、微分时间、微分时间T TD D ）控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法 理论计算参数整定法理论计算参数整定法已知广义对象的数学模型，然后根据已知广义对象的数学

15、模型，然后根据 系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应 的的PIDPID参数。参数。 现场工程整定法现场工程整定法条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。 1 1）经验法）经验法 3 3）衰减曲线法）衰减曲线法 2 2）临界比例度法）临界比例度法 4 4）响应曲线法）响应曲线法控制器参数的工程整定方法一：经验法方法一：经验法系统系统参数参数(%)(%)T TI I ( ( min min) )T TD D( ( min min) )温度温度流量流量压力压力液面液面202060604040100100303070702

16、02080803 3 10100.10.11 10.40.43 30.50.53 3（长期的生产实践中总结出来的一种整定方法）方法方法 根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的 控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形 状，以状，以 %、T TI I、T TD D，对控制过程的规律为指导，调整相应，对控制过程的规律为指导，调整相应 的参数进行凑试，直到合适为止的参数进行凑试，直到合适为止 控制器参数的工程整定方法二：临界比例度法方法二：临界比例度法临界振荡整定计算公式临界振荡

17、整定计算公式 控制规律控制规律(%)(%)TI (min)TD (min)P2K KPI2.2K KTk/1.2PID1.6K K0.5Tk0.25TI(1)、使 ， ， Ti0TdpKc1取较小，将PID调节系统投运。(2)、在闭环调节系统上施加给定阶跃作用( )，观察 过渡过程及衰减率 。(3)、如 ，则增大Kc，重复(2)。0(4)、如 ，即闭环系统处于临界振荡状态，这时0PmKmKc1令，测得临界振荡周期 （临界振荡频率 ）mmT(5)、根据选择的调节算法，按下表计算调节算法参数 ， ， 。PTiTd(6)、将整定参数后 投运，再加给定阶跃作用( )，观察 过渡过程，看 是否为0.75

18、。若是，整定完毕可正式投运。)(sGcsvpvsvpv整定步骤：方法二：临界比例度法方法二：临界比例度法控制器参数的工程整定说明： (1)、 过小时，不宜使用。因为对于 较大， 较大的系统，此时调节阀易00TmP0T于处于全开或全关状态，对正常工艺生产不利或不允许。如燃油加热的炉子。(2)、工艺上约束条件严格时，等幅振荡影响安全，不适合使用。(3)、对于单容或双容对象，且 很小时，无论 多么大，都不可能达到00TKc临界振荡状态，故无法使用。控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定方法三：衰减曲线法方法三：衰减曲线法衰减曲线法控制器参数计算表衰减曲线法控制器参数计算表 控制规控制规律律(%)(

19、%)TI (min)TD (min)PS SPI1.2S S0.5TSPID0.8S S0.3TS0.1TS方法方法 在纯比例作用下，由大到小在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比调整比例度以得到具有衰减比（4：1）的过渡过程，记下此）的过渡过程，记下此时的比例度时的比例度 S S及振荡周期及振荡周期T TS S，根据经验公式，求出相应的积根据经验公式，求出相应的积分时间分时间T TI I和微分时间和微分时间T TD D。(6)、投运。先将P放在较大值上（相对计算值而言），然后投入积分，再投入微分作用。（即Td从0增加到计算值），最后再将P调到计算值。说明：(1)、该法较安全，但费

20、时，有时不易观察。(2)、必须允许给定变化。(3)、如 ，则改变 ，重复(2)。75. 0(4)、直到 ，记下此时的比例度 ，过渡过程振荡周期 。75. 01sT(5)、根据选择的调节算法，按表3-3计算调节算法参数 ， ， 。PTiTdKcsPP (2)、适当改变给定值 （通常在5%左右为宜），观察 过渡过程及衰减率 。svpv整定步骤：(1)、使 ， ， Ti0TdKc取某一 ，将PID调节系统投运。控制器参数的工程整定方法三：衰减曲线法方法三：衰减曲线法控制器参数的工程整定方法四：响应曲线法方法四：响应曲线法响应曲线法控制器参数计算表响应曲线法控制器参数计算表控制规控制规律律Kc Ti

21、Td PTP/ KPPPI0.9TP/ KPP3.3P PID1.2TP/ KPP2P0.5P （根据广义对象的时间特性来整定参数）（根据广义对象的时间特性来整定参数） 方法方法 将控制器处于将控制器处于“手操手操”，操作，操作“手操拨盘手操拨盘”使控制输出有个阶跃变化，由使控制输出有个阶跃变化，由记录仪表记下被控变量的记录值记录仪表记下被控变量的记录值Z(t) Z(t) 。在反应曲线拐点处作一切线，根据切。在反应曲线拐点处作一切线，根据切线与初始值及稳态值的交点，就可获得广义对象的三个特征参数线与初始值及稳态值的交点，就可获得广义对象的三个特征参数K KP P、T TP P、 P P (3)、投运。对于PI调节器：对于P调节器：(2)、根据选择的控制算法，用以下经验公式求 ， ， 。PTiTd%100TKP3 . 3%1001 . 1iTTKP对于PID调节器：5 . 02%10085. 0TdTTKPi说明：(1)、对于某些工艺生产过程，要求严格，不允许做飞升曲线。(2)、某些工艺生产过程，干扰因素多且频繁，测试