单控制系统的设计及参数调整方法

《过程控制工程》

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主讲：李晓媛

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tel:677814231.第三章简单过程控制系统工程设计3－1过程控制系统工程设计概述3－2控制方案设计3－3检测、变送器选择3－4执行器（调节阀）选择3－5控制器（调节器）选择3－6过程计算机控制系统3－7过程控制系统投运和控制器参数整定3－8单回路控制系统工程设计实例2.

简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、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。单回路研究意义

TC206后续字母表示仪表功能第1位数字表示工段号后续数字表示仪表序号第1位字母表示被控参数LCLT仪表符号标准3.单回路控制系统原理方框图给定值＋－测量变送器控制器执行器对象操作量被控变量干扰热物料载热介质冷物料热交换器TTTC控制系统工艺流程图4.单回路控制系统特点结构简单、投资少、易于整定和投运；可满足一般生产过程的工艺要求；

占控制回路的85%以上，应用广泛；适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。

5.3.1简单控制系统工程设计概述1.过程控制系统方案设计的基本要求生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。

2.过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。6.自动控制系统的方案设计:控制系统的方案设计是整个自动化工程中的关键一步。工程设计:控制系统的工程设计是在方案设计的基础上进行的，包括仪表的选择、控制室及仪表控制盘设计、仪表供电供气系统设计、信号系统设计和仪表防护设计等。工程安装和仪表的单校及系统的联校:自动控制系统的正确安装是保证自动化仪表能发挥作用的前提。

控制器的参数整定:控制系统质量的好坏主要决定于被控对象的特性与控制器特性的配合。§3-1概述7.3.过程控制系统设计的步骤1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型3）确定控制方案包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。4）控制设备选型5）实验（或仿真）验证

8.3.2控制方案设计确定控制方案是核心。3.2.1单回路控制系统控制方案设计包括：1）根据生产工艺要求合理选择系统性能指标；2）合理选择被控参数和控制参数；3）合理设计控制规律；4）执行器（调节阀）选取；5）检测、变送器选择。

9.3.2.2被控参数的选择被控变量—生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量（直接选取）10.例1储槽液位控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。LCLTh11.例2换热器出口温度控制系统工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。热物料载热介质冷物料热交换器TTTC12.2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，称为间接选取。选取原则:(1)应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数。例3化工的精馏物纯度控制系统精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不同，将各组分分离。如图将苯—甲苯混合液进行分离。苯—甲苯苯甲苯

13.该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的选择原则1，塔顶（或塔底）馏出物的组分应作为被控变量。但是，没有合适的仪表在线检测馏出物的纯度，则不能直接作为被控变量。苯甲苯

苯—甲苯14.只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行间接参数控制。经工艺分析发现，塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变量。苯甲苯

苯—甲苯15.间接控制参数的确定经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。

16.例4：卷烟生产中的烟叶含水率例5：混凝土生产中的塌落度控制例6：奶粉生产中的含水率17.（2）被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。（3）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控变量。上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。18.3.2.3控制参数（操纵量）选择把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控制变量或操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。LCLTh19.控制变量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量影响变量20.对象特性对控制品质影响的分析：1．过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s)—控制器的传递函数；Go(s)—广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s)—扰动通道的传递函数。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－21.被控参数y(t)受到设定信号x(t)和干扰信号f(t)的共同影响：干扰通道控制通道Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－22.代入系统偏差公式中：将可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一样的。将Gc(s)、Go(s)代入：23.K0Kc越大，控制作用越强，稳态误差越小；Kc越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的闭环稳定性越低。Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。故应选放大系数大的变量作为控制变量。24.例：合成氨厂变换炉CO+H2O=CO2+H2↑

N2+3H2=2NH3被控变量：反应温度控制量：？干扰量：煤气流量、压力、温度、成分；蒸汽流量、压力；冷激量；触媒活性25.操纵量三种选择：冷激量、煤气量、蒸汽量

26.2．过程（通道）动态特性对控制品质的影响2.1干扰通道动态特性对控制品质的影响(1)时间常数Tf的影响Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－27.干扰通道的惯性因子（Tfs+1）使干扰作用的影响缓慢。Tf

越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。

Tf

越大，惯性越强，对干扰的“滤波”效果越明显，干扰对输出的动态影响越小，所以希望Tf越大越好。28.因为，τf使干扰对被控变量的影响推迟了τf时间，则控制作用也推迟τf时间，整个过渡过程曲线也推迟时间τf

，但控制品质未变。含有e–τfs（2）滞后时间对控制质量的影响29.例：某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。（3）干扰作用位置对控制质量的影响

30.f1(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大——造成动态偏差较大。所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t31.总结：干扰通道的惯性因子（Tfs+1）使干扰作用的影响缓慢。Tf

越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。

Tf

越大，惯性越强，对干扰的“滤波”效果越明显，干扰对输出的动态影响越小，所以希望Tf越大越好。干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf

越大，控制时最大偏差越小。干扰的幅值越小越好。32.

2.2控制通道动态特性对控制品质的影响（1）时间常数T的影响tGCGVGO2GFGmfreGO1y控制通道G01的时间常数T01增大，使控制速度变慢，最大偏差增大。G02是控制、干扰共用通道，T02不影响最大偏差时间常数太小稳定性下降y2(t)yk(t)yy1(t)33.y2(t)yk(t)tyy1(t)τ01（2）滞后τ0影响控制通道G01的纯滞后

，使控制作用滞后τ01到达，造成控制偏差增大。G02是控制、干扰共用通道，干扰作用滞后τ02产生，但控制作用再滞后τ02到达，同样造成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)2τ02τ02GCGVGO2GFGmfreGO1y34.（3）控制通道的时间常数匹配的影响这是因为，当广义被控过程近似为：其相应的临界稳定增益为：控制效果见P149：表3－235.小结：

控制通道时间常数T0小一些好。表明控制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。控制通道纯滞后τ0越小越好。τ0会使控制时间延长、最大偏差增大。几个时间常数满足错开原理。

控制变量的选择原则：1、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。2、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。

36.例1中，影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和。这两个变量影响力相当，显然，液体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。LCLThQiQo37.例2中，影响出口温度的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量等。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量作为控制变量。热物料载热介质冷物料热交换器TTTCQrQiTiTr38.例3中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度T灵的因素主要有：

TT进料的流量（Q入）、进料的成分（x入）、进料的温度（T入），回流的流量（Q回）、回流的温度（T回），加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度等。39.

这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素

TT40.1、蒸汽流量对提馏段温度影响比回流量对提馏段温度影响更迅速、更显著。2、从节能角度来讲，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：

TT41.小结：操纵量的选择原则：从放大系数上：从干扰通道上；从控制通道上；从工艺可行和经济性上考虑；42.第五章简单控制系统的设计3.调节阀的选择（1）气动与电动的选择：考虑的因素：推力的大小、被控介质的情况（高温，高压，易燃，易爆，剧毒，易结晶，强腐蚀，高粘度等）、安全保证等。（2）气动执行器气开、气关的选择原则：当调节器输出为零时，使生产处于安全状态（详见气动执行器）。（3）调节阀开度和口径的选择原则：在正常运行状态下，使调节阀开度处于15%~80%之间。（4）调节阀流量特性的选择原则：使被控过程的特性与调节阀的流量特性相互作用成线性特性。43.第五章简单控制系统的设计4.调节器正反作用的选择定义:（1）当被控过程的输入量增加时，被控参数也增加，称为正作用过程，此时，记Kp>0；否则，记Kp<0(2)当调节阀为气开时，记Kv>0,否则，记Kv<0

（3）当反馈到调节器输入端的系统输出测量值增加时，调节器的输出随之增加，称为正作用，此时记Kc<0;否则，记Kc>0

（4）Km>0原则：欲使反馈控制系统能正常工作，则44.第五章简单控制系统的设计确定步骤：（四）调节规律对控制质量的影响及调节规律的确定

1、比例调节规律对系统调节质量的影响45.第五章简单控制系统的设计（2）P调节对系统质量的影响：

a）比例调节是一种有差调节？

b）比例调节系统的静差随比例带的增大而增大？比例带的减少，意味着系统稳定性降低？

c）比例调节不适合给定值随时间变化的情况；

d）增大（即减小比例带），可以减少系统的静差，加快系统的响应速度？这是因为：46.第五章简单控制系统的设计

a）比例调节是一种无差调节，积分调节可以提高系统的稳态控制精度；

b）积分调节可使过渡过程变慢，稳定性变差，还会产生积分饱和现象。

2、积分调节规律对系统调节质量的影响（2）积分调节对系统质量的影响：（3）工程中常用PI调节，即：47.第五章简单控制系统的设计特点：将比例控制的快速反应与积分的消除静差相结合。

3、微分调节规律对系统调节质量的影响（3）工程中实际的PD调节器（为消除噪声而增加滤波环节）48.第五章简单控制系统的设计（4）PD调节规律对系统调节质量的影响

a）PD调节为有差调节？

b）PD可提高系统的稳定性，抑制最大动态偏差？

c）PD有利于减少稳态误差，提高响应速度？

d）PD不适用于变化剧烈的过程，如压力、流量等；

e）PD对于纯时延过程是无效的。4、PID调节规律49.第五章简单控制系统的设计（1）当过程时间常数较大或容积延迟较大时，引入D；或PD、PID；（2）优点：

P的快速性，I的消除静差功能，D的预测功能，互相取长补短，兼顾了静态与动态两方面的控制要求；（3）缺点：难以将三个参数整定的最佳，参数整定不合理，会取得相反的效果。5、调节规律的确定：（2）当过程时间常数较小，负荷变化不大，允许有静差时，可选P；50.第五章简单控制系统的设计（4）当时间常数很大，纯延迟较大，负荷变化剧烈，应采用其他控制方案。（3）当过程时间常数较小，负荷变化不大，要求无静差时，可选PI；返回51.第五章简单控制系统的设计（五）调节器参数的工程整定（1）理论整定法（根轨迹法、频率法等，依赖于数学模型）；1、参数整定的目标：（2）平方误差积分（ISE），绝对误差积分（IAE），时间乘以绝对误差积分（ITAE）分别取极小。2、参数整定方法：（2）工程整定法（较少依赖数学模型）。52.第五章简单控制系统的设计3、调节器参数的工程整定方法。（1）临界比例度法整定步骤a）系统闭环运行：b）系统稳定运行后：设定值加一阶跃；减小，系统输出出现等幅震荡，即如图所示，记下此时的临界比例度和临界振荡周期；1）临界比例度法53.第五章简单控制系统的设计a）该法可直接在闭环状态下进行，且无需测试过程的动态特性；

c）按下表计算出P、I、D调节器的参数（2）优缺点：b）方法简单，使用方便；54.第五章简单控制系统的设计（1）整定步骤：

c）应用受限：有些过程不允许出现等幅震荡，有些过程则根本不会出现等幅振荡；2）衰减曲线法

d）实际运行的修正：当对无自衡特性的过程，会出现；对有自衡特性的高阶过程，会出现b）待系统稳定后，对设定值作阶跃扰动，观察系统输出，调整，使输出出现如下页所示的衰减振荡过程,记下此时的55.第五章简单控制系统的设计56.第五章简单控制系统的设计a）适用于大多数过程，闭环运行，无需测试过程特性；（2）优缺点：b）对扰动频繁的过程，较难确定衰减程度。c）按下表计算PID的调节器参数。57.第五章简单控制系统的设计（1）整定步骤：3）反应曲线法（动态特性参数法）b）求取近似的过程的传递函数对有自平衡能力的对象：对无自平衡能力的对象：58.第五章简单控制系统的设计用作图法求出其参数：59.第五章简单控制系统的设计c）按下表分别求取PID参数(见P180表5-3,5-4)60.第五章简单控制系统的设计61.第五章简单控制系统的设计d)按柯恩-库恩整定公式，为:62.第五章简单控制系统的设计e)以IAE、ISE、ITAE的极小化为准则，其整定公式为:4、整定实例63.第五章简单控制系统的设计先用反应曲线法：再用柯恩-库恩整定公式计算可得：64.第五章简单控制系统的设计最后用临界比例度法：同一整定方法不同计算公式的相应误差为：不同整定方法相应误差为：65.第五章简单控制系统的设计1.共同点:通过试验然后按工程整定经验公式计算而得2.不同点：2)临界比例度法与衰减曲线法：闭环试验，无需模型，但应用受限，实验数据难以准确，变化较快的过程不适用。3)对于减少干扰对试验信息的影响，后两者优于前者，闭环试验对干扰有较好的抑制作用。返回由计算可知，同一种工程整定方法使用不同计算公式，则相应的相对误差较小，而不同的工程整定方法，则相应的相对误差较大。5、三种工程整定方法的比较：1)反应曲线法:开环试验：典型模型,适应性强,准最优整定。66.第五章简单控制系统的设计（六）单回路控制系统设计举例-喷雾式干燥设备过程控制系统设计1.生产工艺简介见下页图（见P184图5-11）：2.系统控制方案设计:(1)被控参数选择——间接参数（温度）与直接参数水分含量一一对应。(2)控制参数选择——乳液流量，旁路空气量加热蒸汽量三种控制方案如后图所示（见P184图5-12，5-13，P185图5-14）：67.高位槽AB干燥器鼓风机阀3蒸汽阀2阀1过滤器风管换热器68.第五章简单控制系统的设计＋－＋＋＋混合过程换热器调节器风管风管阀调节干燥器干燥器干燥器测量变送69.第五章简单控制系统的设计图5－13风量为控制参数时系统框图70.第五章简单控制系统的设计图5—14蒸汽量为控制参数时系统框图71.第五章简单控制系统的设计经分析选择第二种方案比较适宜。(3)仪表的选型——电动单元组合仪表(DDZ)(4)调节阀选型：气关形式？对数流量特性？(5)测温元件与变送器:热电阻温度计,三线制接法,配用温度变送器(6)调节器:PI或PID,调节器的正反作用的确定:已知:要求:72.返回3、控制系统原理与框图（见P185图5-15）第五章简单控制系统的设计4、调节器参数的工程整定（略）73.3.8单回路控制系统工程设计实例

3.8.1喷雾式干燥设备控制系统设计如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在2%~2.5%。已浓缩的奶液从储槽流下，经过滤后从干燥器顶部喷出。干燥空气被加热后经风管吹入干燥器。滴状奶液在热风中干燥成奶粉，并被气流带出干燥器。74.

控制方案设计1.被控参数选择按工艺要求应首选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。试验发现，奶粉含水量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在150±2℃，则奶粉含水量符合2%~2.5%。因此选干燥器出口流体温度为被控变量。75.2.控制变量选择影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控因素有：乳液流量变化f1

旁路空气流量变化f2

加热蒸汽流量变化f3

若分别以这三个变量为控制变量，可以得到三个不同的控制方案。

f2

f1

f3

76.影响量作用的位置不同：f3蒸气流量f2旁路冷风流量f1乳液流量热交换器T=100,T=100送风管道

τ=3干燥器

Go

f2

f1

f3

乳液流量变化f1的作用通道最短；旁路空气流量变化f2的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量变化f3的作用通道又增加了两个100秒的双容滞后。77.调节方案：方案1：取乳液流量为控制变量（调节阀1）控制通道最短f3f2f1热交换器送风管道干燥器调节阀1调节器变送器－ry78.方案2：取旁通冷风流量为控制变量（调节阀2）由于有送风管路的传递滞后存在，较方案1多一个纯滞后环节τ=3sf3f2f1热交换器风管干燥器调节阀2调节器变送器－ry79.热交换器为双