环境工程仿真模拟第三章简单控制系统

1、环境工程仿真与控制环境工程仿真与控制第三章第三章 简单控制系统简单控制系统简单控制系统简单控制系统是指单输入是指单输入-单输出（单输出（SISO）的线性控制系）的线性控制系统，是控制系统的基本形式。统，是控制系统的基本形式。 控制器执行器被控对象测量变送器+-控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf控制器执行器被控对象测

2、量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf工业控制器工业控制器广义对象广义对象控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzfrzeumyf期望液位正反馈正反馈负反馈负反馈控制器执行器被控对象测量变送器+-闭环闭环开环开环（自动）（自动）（手动）（手动）控制器执行器被控对象测量变送器+-

3、定值定值随动随动21BBn %1001CBCBA1pT202)( dtteISE0)(dtteIAE0)(dttetITAE将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用在模拟仪表中，标准信号通常采用15V、420mA、010mA电流或电压信号，电流或电压信号，20100kPa气压信号；在现场气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。总线仪表中，标准信号是数字信号。检测元件变送器过程变量过程变量位移、压力位移、压力差压、电量差压、电量

4、标准信号标准信号检测变送环节的工作原理图检测变送环节的工作原理图检测变送环节包括检测变送环节包括传感器传感器和和变送器变送器。传感器：将非电物理量通过各种物理、化学、光学等原传感器：将非电物理量通过各种物理、化学、光学等原理转换为电学量；理转换为电学量；变送器：将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信变送器：将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出。号输出。检测元件变送器过程变量过程变量位移、压力位移、压力差压、电量差压、电量标准信号标准信号检测变送环节的工作原理图检测变送环节的工作原理图检测元件和变送器的基本要求检测元件和变送器的基本要求：准确、迅速和可靠：准确、迅速和可靠准确准确：能

5、正确反映被控或被测变量，误差小；：能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速迅速：能及时反映被控或被测变量的变化；：能及时反映被控或被测变量的变化；可靠可靠：检测元件和变送器的基本要求，能在环境工况下：检测元件和变送器的基本要求，能在环境工况下长期稳定运行。长期稳定运行。检测变送环节的选择原则：检测变送环节的选择原则：1) 由于检测元件直接与被测或被控介质接触，因此在选由于检测元件直接与被测或被控介质接触，因此在选择检测元件时，首先考虑该元件是否能适应工业生产过择检测元件时，首先考虑该元件是否能适应工业生产过程中的程中的高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境，

6、能，能否长期稳定运行；否长期稳定运行；2) 检测元件的检测元件的精度、快速性、线性特性精度、快速性、线性特性：以满足工艺检测和控制要求为原则，仪表的量程应满足以满足工艺检测和控制要求为原则，仪表的量程应满足读数误差的要求同时应尽量选用线性特性。读数误差的要求同时应尽量选用线性特性。检测变送环节的选择原则：检测变送环节的选择原则：3）检测变送环节的）检测变送环节的时间常数时间常数相对过程，大多数检测变送环节的时间常数是较小的相对过程，大多数检测变送环节的时间常数是较小的成分检测变送环节的时间常数和时滞很大；成分检测变送环节的时间常数和时滞很大；气动仪表的时间常数比电动仪表大；气动仪表的时间常数比

7、电动仪表大；采用保护套管的温度计比直接与被侧介质接触检测温度采用保护套管的温度计比直接与被侧介质接触检测温度有更大的时间常数（保护套管结垢有更大的时间常数（保护套管结垢变大；保护套管磨变大；保护套管磨损损变小）变小）对检测变送信号的处理：对检测变送信号的处理： 1.信号补偿信号补偿气体流量：温度、压力补偿。气体流量：温度、压力补偿。2.线性化线性化检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被控变量检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被控变量的，有些存在非线性，如热电势与温度、差压与流量等，的，有些存在非线性，如热电势与温度、差压与流量等，会造成控制系统的非线性，应进行线性化处理。会造成控制系

8、统的非线性，应进行线性化处理。（1）软件实现线性化；）软件实现线性化；（2）硬件实现线性化）硬件实现线性化开方器。开方器。对检测变送信号的处理：对检测变送信号的处理： 3.信号滤波信号滤波信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤波、带通滤波、带阻滤波等。波、带通滤波、带阻滤波等。硬件滤波硬件滤波：通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组：通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤波，也可以用气阻和气容组成滤波环节；可以成低通滤波，也可以用气阻和气容组成滤波环节；可以组成有源滤波，也可组成无源滤波等。组成有源滤波，也可组成无源滤波等。软件

9、滤波软件滤波：采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器。：采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器。在智能仪表、在智能仪表、DCS等装置中，通常采用软件滤波。等装置中，通常采用软件滤波。对检测变送信号的处理：对检测变送信号的处理： 4.信号处理信号处理（1）数学运算）数学运算压差数据的开方；压差数据的开方；累积流量是瞬时流量的积分；累积流量是瞬时流量的积分；温度压力补偿时的加、乘、除运算。温度压力补偿时的加、乘、除运算。（2）信号报警与联锁）信号报警与联锁（3）数学变换：富里叶变换、小波变换、数模变换、模）数学变换：富里叶变换、小波变换、数模变换、模数变换等。数变换等。控制阀是自动控制系统中的控制

10、阀是自动控制系统中的重要组成部分重要组成部分，其作用是根，其作用是根据控制器输出信号，直接控制能量或物料等介质的输送据控制器输出信号，直接控制能量或物料等介质的输送量，达到控制工艺参数的目的。量，达到控制工艺参数的目的。由于控制阀安装在生产现场，常年与生产介质直接接触，由于控制阀安装在生产现场，常年与生产介质直接接触，且不少控制阀工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、易堵且不少控制阀工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、易堵塞等恶劣条件下，如果控制阀选择不当或维护不善，就塞等恶劣条件下，如果控制阀选择不当或维护不善，就会使整个控制系统不能可靠工作，严重影响系统的控制会使整个控制系统不能可靠工作，严重影响系

11、统的控制质量。质量。气动调节阀气动调节阀电动电动调节阀调节阀液液动动调节阀调节阀控制阀控制阀根据能源分类：根据能源分类：气动气动、液动液动和和电动电动。气动阀具有结构简单、工作可靠、价格便宜、防火防爆气动阀具有结构简单、工作可靠、价格便宜、防火防爆等等优点。优点。控制阀选择的内容包括控制阀选择的内容包括：结构结构形式及材料的形式及材料的选择；选择；口径口径大小及开闭形式的大小及开闭形式的选择；选择；流量流量特性的特性的选择；选择；阀门阀门定位器的选择等。定位器的选择等。控制阀的结构：控制阀的结构：控制阀由控制阀由执行机构执行机构和和调节机构调节机构两部分组成。两部分组成。执行机构：执行机构：控

12、制器的输出信号控制器的输出信号直线位移或角位移，直线位移或角位移，两者之间为比例关系；两者之间为比例关系；类型：薄膜式（直线位移）、活塞式（直线位移）和长类型：薄膜式（直线位移）、活塞式（直线位移）和长行程式（角位移）。行程式（角位移）。调节机构：调节机构：执行机构输出的直线位移或角位移执行机构输出的直线位移或角位移流通流通截面积的变化，从而改变操纵变量的大小。截面积的变化，从而改变操纵变量的大小。类型：直通阀、角阀、三通阀、球型阀、蝶阀、偏心旋类型：直通阀、角阀、三通阀、球型阀、蝶阀、偏心旋转阀、套筒阀等。转阀、套筒阀等。控制阀的结构：控制阀的结构：直通直通单座阀单座阀只有一个阀芯只有一个阀

13、芯, 阀前后压差阀前后压差小小，适用于适用于要求泄要求泄漏量小的漏量小的场合。场合。有一个阀芯和一个阀座。阀有一个阀芯和一个阀座。阀杆与阀芯连接，当执行机构杆与阀芯连接，当执行机构作直线位移时，通过阀杆带作直线位移时，通过阀杆带动阀芯移动，从而改变操纵动阀芯移动，从而改变操纵变量，实现调节流体流量的变量，实现调节流体流量的功能。功能。直通单座阀是一种最常见的直通单座阀是一种最常见的控制阀。控制阀。控制阀控制阀的的材质：材质：阀芯阀芯：不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等；：不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等；阀体阀体：铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料等。：铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料

14、等。口径大小的选择：口径大小的选择：选择原则：最大流量时，阀门开度为选择原则：最大流量时，阀门开度为85%左右；最小流左右；最小流量时，阀门开度在量时，阀门开度在15%左右。左右。控制阀气开和气关作用方式：控制阀气开和气关作用方式：气开气开：输入的气压信号越高，阀门开度越大，失气时全：输入的气压信号越高，阀门开度越大，失气时全关，故称关，故称FC型；型；气关气关：输入的气压信号越高，阀门开度越小，失气时全：输入的气压信号越高，阀门开度越小，失气时全开，故称开，故称FO型。型。 气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关式两种调节

15、。现气开和气关式两种调节。控制阀气开和气关作用方式：控制阀气开和气关作用方式：序号序号执行机构执行机构阀体阀体控制阀控制阀a a正方向正方向正方向正方向气关气关b b正方向正方向反方向反方向气开气开c c反方向反方向正方向正方向气开气开d d反方向反方向反方向反方向气关气关气动控制阀气开、气关组合方式表气动控制阀气开、气关组合方式表控制阀气开和气关作用方式：控制阀气开和气关作用方式：基本原则基本原则：根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关：根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关特性特性实际应用例子：实际应用例子：气源中断或电源中断时：气源中断或电源中断时：进入装置的原料、热源应切断进入装置的原

16、料、热源应切断进料阀选气开进料阀选气开切断装置向外输出产品切断装置向外输出产品出料阀选气开出料阀选气开精馏塔回流应打开精馏塔回流应打开回流阀选气关回流阀选气关控制阀的流量特性：控制阀的流量特性：控制阀流量特性指控制阀流量特性指介质流过阀门的流量与阀杆行程之间介质流过阀门的流量与阀杆行程之间的关系的关系理想流量特性可分为线性、等百分比（对数）、抛物线、理想流量特性可分为线性、等百分比（对数）、抛物线、双曲线、快开、平方根等多种类型。双曲线、快开、平方根等多种类型。国内常用的理想特性有国内常用的理想特性有线性线性、等百分比等百分比和和快开快开等几种。等几种。流量特性选择的目的流量特性选择的目的 ：

17、通过控制阀增益通过控制阀增益Kv的变化来补偿的变化来补偿被控对象增益被控对象增益Kp的变化。的变化。1-线性；线性；2-对数（等百分比）；对数（等百分比）；3-快开快开L/Lmax(%)5010031203.350100Q/Qmax(%)阀门定位器的选择：阀门定位器的选择：阀门定位器有气动阀门阀门定位器有气动阀门定位器和电定位器和电-气阀门定气阀门定位器两种，后者兼有电位器两种，后者兼有电-气转换功能。气转换功能。阀门定位器的功能：改阀门定位器的功能：改善控制阀的动、静态特善控制阀的动、静态特性；改善控制阀的流量性；改善控制阀的流量特性特性改变反馈凸轮的改变反馈凸轮的形状等。形状等。dttde

18、TdtteTteKtudtic)()(1)()(0sTsTKsEsUsGdicc11)()()(显示曲线0设定值-0.1255偏差e-0.2511控制器输出uPID控制器控制器15s+1干扰通道干扰150s +15s+12被控对象0.1255被控变量y偏差e被控变量y控制器输出u偏差e偏差e被控变量y被控变量y控制器输出u控制器输出u)()(teKtucccKsEsUsG)()()(utu0比例控制器比例控制器输出输出t)(C0teKuutt偏差偏差e0 102030405060708090100-10-8-6-4-2024681012 e(t)y(t)u(t)g(t)spcspcscssps

19、csscscsuKKfKKrKufKrKyrKeKu)()(pcspspcspcsccscsKKfKrKKfKKrKKuKe1111scsfKe110sf0sepcspcscsKKfKKrKu10sr1pK显示曲线0设定值-0.1255偏差e-0.2511控制器输出uPID控制器控制器15s+1干扰通道干扰150s +15s+12被控对象0.1255被控变量y偏差e被控变量y控制器输出u偏差e偏差e被控变量y被控变量y控制器输出u控制器输出u0 102030405060708090100012345678910Kc增大ticdtteTteKtu0)(1)()(sTKsEsUsGicc11)()

20、()(tidtteTtu0)(1)(utu0比例控制器比例控制器输出输出t)(C0teKuutt偏差偏差etutu0积分控制输出积分控制输出tittteTuu00 d)(1比例积分控制比例积分控制输出输出utu0t0tttoittteTteKuu d)(1)(C00 102030405060708090100-14-12-10-8-6-4-202y(t)e(t)u(t)ticdtteTteKtu0)(1)()(010002000300040005000600070008000900010000-0.500.511.52 PPI0 102030405060708090100-1-0.500.51

21、1.522.533.5Ti减小u10t0 t*0t1t2t3tu2u3u0阀门抵上限阀门抵上限0te被控变量被控变量无变化无变化被控变量被控变量有变化有变化dttdeTdtteTteKtudtic)()(1)()(0dttdeTtud)()(dttdeTteKtudc)()()(t偏差偏差etutu0微分控制输出微分控制输出dttdeTuudt)(0比例微分控制比例微分控制输出输出utu0t0tdttdeTteKuudt)()(C0KC eu0比例控制输出比例控制输出eKuutC0u0微分控制输出微分控制输出dtdeTuudt0u0积分控制输出积分控制输出titteTuu00 d1阀门抵上限阀门抵上限eu0比例积分微比例积分微分控制输出分控制输出阀门抵上限阀门抵上限titteTteTeKuu0dC0)d/d( d1偏差偏差pcpcdfKKsKKTTTsTTsTKsFsY1)() 1()()(212212)1 (22121pcpcdKKTTKKTTT0 20406080100120140160180200-1-0.500.511.522.533.54Td过小Td