简单控制系统设计PPT课件

1、.,1,过程控制,第五章 简单控制系统设计与参数整定,.,2,5.1简单控制系统的构成,简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器（控制阀）所组成的闭环控制系统。,在工业生产实践中，简单控制系统得到广泛应用，有超过70的控制系统采用简单控制系统，同时它也是设计复杂控制系统的基础。,.,3,设置温度控制系统的目的是使加热器出口温度保持在给定值上。当由于某些因素引起温度偏离给定值时，控制器将根据偏差情况适当改变调节阀开度，调整蒸汽流量，使温度回复到给定值。,设置液位控制系统的目的是使水箱液位保持在生产所希望设定值上。当由于某些扰动引起液位偏离给定值时，

2、调节器将根据偏差，输出适当的控制信号改变调节阀的开度，调整出水量，使液位回复到给定值。,5.1 简单控制系统的构成,5.1.1 简单控制系统实例,液位控制系统,压力控制系统,温度控制系统,设置压力控制系统的目的是使水泵出口压力保持在给定值上。当由于某些因素引起压力偏离给定值时，控制器将根据偏差情况适当改变调节阀开度，调整旁路流量，使压力回复到给定值。,共同特点，它们都包含有一个被控对象（由工业设备及相关的管道组成）、一个测量变送器、一个执行装置、一个调节器，采用负反馈控制原理，克服扰动因素对被控变量的影响，实现被控变量的定值或随动跟踪控制。由于其结构简单、目标单一被称为简单控制系统。,.,4,

3、5.1 简单控制系统的构成,5.1.2 控制系统的工程表示及方框图,温度控制系统,压力控制系统,液位控制系统,管道仪表流程图以标准的图形符号及文字代号简要地表示了主要工艺设备之间的关系、工艺物料的流向，也规定了控制系统所要完成的具体任务、应具备的功能。,.,5,5.1 简单控制系统的构成,常用图形符号,调节阀,.,6,5.1 简单控制系统的构成,仪表位号组成,被测参数代号,T I C1 01,回路顺序号，23位,工序号，12位,功能代号,.,7,5.1 简单控制系统的构成,5.1.2 控制系统工程表示及方框图,方框图只是表示各个变量之间的信号联系，各个方框的输出是对其输入变量变化的响应，并非表

4、示物料的流动方向。,受控变量：控制系统的输出,操纵变量：即调节介质,扰动：影响受控变量的各种输入变量（操纵变量除外）,测量值：被控变量经检测变送后的信号,给定值：即被控变量的设定值,偏差值：给定值与测量值之差,控制变量：根据偏差值、经一定算法得到的输出值,调节通道：影响操纵变量与受控变量之间关系的相关工艺设备及部件,扰动通道：影响扰动与受控变量之间关系的相关工艺设备及部件,测量变送：过程检测仪表,控制器：过程控制仪表,执行装置：控制阀（变频器、可控硅）,.,8,5.1 简单控制系统的构成,5.1.3 过程控制系统方案设计的基本要求,安全、稳定和经济,5.1.4 过程控制系统方案设计的主要内容,

5、监控方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等,5.1.5 过程控制系统方案设计的关键步骤,1、熟悉和理解生产对控制系统的技术要求。有条件时建立被控过程的数学模型,2、控制方案的确定,3、控制设备选型,.,9,1.目的保证控制系统能发挥应有的价值,2.内容确定被控变量的数量及具体参数,3.原则尽量采用直接变量,采用间接变量时的注意问题： 单值性、线性性、灵敏度、经济性,5.2 简单控制系统设计,5.2.1 控制系统被控变量的选择,.,10,1.目的保证控制系统能获得较好的控制质量,2.内容根据工艺操作要求、过程特性确定操作变量,3.原则,5.2 简单控制系统设计,5.2.2 控制

6、变量的选择,（1）控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量（避免以表征主要生产负荷的物料作为操纵变量）,（2）控制通道有一定的快速性（时间常数较短）和灵敏性（合适的静态放大倍数）,（3）尽量减少控制通道的纯滞后时间,.,11,5.2 简单控制系统设计,1仪表性能的考虑：,准确性：根据操作要求确定合适的量程（Km），根据指示误差要求确定合适的精度等级。按仪表要求确定安装方式。,5.2.3系统设计中的测量变送问题,快速性：根据对象特性确定合适的时间常数（Tm），小于对象时间常数的1/5即可。根据检测仪表要求确定合适的位置（m）。,基本要求准确、快速 通常按一阶惯性环节考虑,.,12,5.2 简单

7、控制系统设计,2. 测量信号的处理, 测量信号的线性化处理 （选择相应的线性化方法） 节流装置、热电阻、热电偶, 测量信号的滤波处理（根据噪声特性选择滤波方式） 有脉动或高频躁声的信号（模拟RC电路或数字滤波）,对于尖峰型干扰可以采用程序判别滤波的方法,经过滤波后的输出值,滤波前的实际采样值,预估输出值增量 规定的阈值,5.2.3系统设计中的测量变送问题,.,13,5.2 简单控制系统设计,3安装与使用条件,安装条件必须符合相应检测仪表的具体要求。例如：流量测量仪表通常对前后管道的直管段的要求、节流装置流向的要求、测温元件在被测介质中插入深度的要求、差压变送器导压管内液体高度应该相等的要求等等

8、。,实际使用仪表的工作参数应该符合仪表的设计参数。例如：气体流量测量时的设计温度和设计压力。如果实际工作温度和压力与设计值偏离较大，将产生较大的附加误差。必要时需要进行校正。,5.2.3系统设计中的测量变送问题,.,14,5.2 简单控制系统设计,作用：根据控制器的输出信号，改变工业过程的输入变量（流体流量的大小、电功率的大小、转速的快慢），直接影响工业过程。过程控制系统中常用（气动）调节阀。使用环境比较恶劣。选用调节阀时一般应考虑以下几个方面：,1. 调节阀结构型式的选择,根据工艺条件，如使用温度、压力及介质的物理、化学特性(如腐蚀性，粘度等)来选择,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考

9、虑,.,15,5.2 简单控制系统设计,常用结构型式,4.2 执行装置在控制系统设计中的考虑,直通单座直通双座 套筒角型,.,16,5.2 简单控制系统设计,2.气开式与气关式的选择,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,执行机构的正反作用,.,17,5.2 简单控制系统设计,2.气开式与气关式的选择,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,气压（控制）信号增加，阀门开度增加为气开；反之，为气关。,.,18,5.2 简单控制系统设计,2.气开式与气关式的选择,原则：根据工艺生产的安全要求选择。,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,确定气开/气关形式举例,用蒸汽加热工艺物料。

10、1、要求物料温度不能过高。则采用气开阀。 2、防止物料在加热器中凝固。则采用气关阀。,.,19,5.2 简单控制系统设计,3.调节阀的流量特性选择,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,理想流量特性：流通能力C与阀杆位移l之间的关系： C/Cmax=f（l/L）,Cmax阀门的额定流通能力。阀门两端压差100KPa，开度100，介质密度1000Kg/m3，流过的体积数。,常见的理想流量特性： 线性、对数、抛物线、快开,.,20,5.2 简单控制系统设计,工作流量特性,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,流量Q与阀杆位移l之间的关系： Q/Qmax=f（l/L）,Qmax阀门开度1

11、00，流过的流量。,管道阻力的影响，使流量变化时阀门两端的压差也随之变化（流量大，压差小），使理想特性曲线想左上方凸。 线性阀在不同S值下的特性曲线。,.,21,5.2 简单控制系统设计,选择流量特性的原则,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,根据构成控制系统各环节特性确定控制阀工作流量特性。要求系统在整个工作范围内开环增益尽可能保持恒定。,根据管道阻力对流量特性的影响，确定理想流量特性曲线。 当S值较大（0.6以上）时，直接根据工作特性选用。 S值较小时，通常采用对数特性阀。 尽量避免S0.3。,调节阀的增益：KV=dQ/dl,.,22,5.2 简单控制系统设计,4. 阀门定位器的应

12、用,使用场合：,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,阀杆磨察力大、阀芯的不平衡力,改变调节阀的行程范围（用于分程控制）,结构及工作原理：,改变控制器输出与阀杆位移之间的关系,减少气动信号传输的动态滞后,.,23,5.2 简单控制系统设计,5. 控制阀口径选择,一方面要满足工艺生产对最大流量的要求，并留有一定的余量（不小于10）；另一方面要避免低负荷运行时，阀门开度过小。,5.2.4 执行装置在控制系统设计中的考虑,口径的选择就是额定流量系数C的选择。选择依据是介质相态（气相、液相、蒸汽、气液混合等）、密度、阀全开时两端压差、最大及最小流量。目前，大多数制造厂商有标准的计算软件。,具体要

13、求：最大流量时，阀门开度不超过90；最小流量时，开度不低于10。,口径选择的原则：,.,24,5.2 简单控制系统设计,对于一个已经设计完成的控制系统，要获得最好的控制质量，控制规律的选择起着重要的作用。,目前工业上常用的常规控制规律有：P、PI、PID,5.2.5 调节器调节规律的选择,1.比例（P）：是最简单的调节规律，它对偏差的响应迅速。只需要整定一个参数，简便。但，系统存在静差。,2.比例积分（PI）：能消除静差。但，动态响应较缓慢。对高频噪声有一定的抑制作用。超调增加。,3.微分（D）：能加快调节过程，减小超调。但，会放大噪声作用。,常规控制规律的特点,.,25,5.2 简单控制系统

14、设计,5.2.5 调节器调节规律的选择,不同调节规律按相同衰减比整定参数时调节过渡过程比较。,原则：尽量采用简单的控制规律。,.,26,5.3 简单控制系统操作与投运,1 调节器正/反作用设定,控制系统设计、安装完成后，通过合理的操作才能使控制系统正常工作。,确定正反作用形式的目的：保证控制系统的负反馈。,调节器正/反作用形式是根据调节器输出与测量值之间的变化关系而定的。调节器输出随测量值增加而增加的，称为正作用形式。反之，称为反作用形式。,系统负反馈的条件：构成控制系统各环节（包括比较环节）增益乘积为“正” 。,控制器增益与正反作用的关系：正作用控制器的增益为“负”。,其它环节输出随输入增加

15、而增加的增益为“正”。,.,27,5.3 简单控制系统操作与投运,确定调节器正/反作用形式举例。,设控制阀均为气开阀，Kv为正。 左图应采用反作用控制器 右图应采用正作用控制器,.,28,5.3 简单控制系统操作与投运,2 调节器工作状态设定,控制器上电前总是设置在手动状态。通过手动操作使生产过程达到或接近设计状态，再将调节器切换到自动或串级状态，实现自动控制。,常规调节器的工作状态有手动、自动、串级。根据操作要求设定。,手动状态时，调节器输出由操作员直接改变调节器输出。自动或串级状态时，调节器根据给定的控制规律对偏差运算产生控制输出。,自动状态时的偏差是内给定与测量值的偏差。串级状态时的偏差

16、是外给定与测量值的偏差。,切换状态时，需要保证调节器输出不产生阶跃跳变，称为无扰动切换。,.,29,5.3 简单控制系统操作与投运,3 调节器参数整定, 理论整定：已获得控制系统各环节的数学模型时，根据控制要求确定系统的闭环传递函数或过渡过程指标，计算调节器的相应参数。 常用方法：频率特性法和根轨迹法。 另外，也可以通过仿真整定。,整定的目的：,根据给定的控制规律，寻找一组合适的参数，尽可能使控制系统的性能指标满足工艺生产的要求。,参数整定的方法：理论整定和工程整定。, 工程整定：通过实验或利用经验确定控制器参数。常用的工程整定方法有响应曲线法、临界比例度法、衰减曲线法、经验法等。,.,30,

17、5.3 简单控制系统操作与投运,3 调节器参数整定,计算对象特性参数：, 响应曲线法,整定过程：获取广义对象阶跃响应曲线、计算对象特性参数、计算控制器参数、根据调节效果调整参数。,获取阶跃响应曲线：在工况较稳定时，使调节器输出阶跃变化510，记录测量值变化曲线。,.,31,5.3 简单控制系统操作与投运,3 调节器参数整定,计算控制器参数：, 响应曲线法,.,32,5.3 简单控制系统操作与投运,3 调节器参数整定,计算特征参数：振荡周期Ps, 临界比例度法,整定过程：获取临界振荡曲线、计算特征参数、计算控制器参数、根据调节效果调整参数。,获取临界振荡曲线：控制器设定为纯比例。在工况较稳定时，

18、控制器切换到自动状态。使调节器给定阶跃变化510，记录过渡过程曲线。根据过渡过程曲线，调整比例度，使系统出现等幅振荡。对应的比例度为临界比例度s 。,.,33,5.3 简单控制系统操作与投运,3 调节器参数整定,计算控制器参数：, 临界比例度法,.,34,5.3 简单控制系统操作与投运,3 调节器参数整定,计算特征参数：振荡周期Pu, 衰减曲线法,整定过程：获取衰减振荡曲线、计算特征参数、计算控制器参数、根据调节效果调整参数。,获取衰减振荡曲线：控制器设定为纯比例。在工况较稳定时，控制器切换到自动状态。使调节器给定阶跃变化510，记录过渡过程曲线。根据过渡过程曲线，调整比例度，使系统出现4：1衰减振荡。对应的比例度为u 。,.,35,5.3 简单控制系统操作与投运,3 调节器参数整定,计算控制器参数：, 衰减曲线法,.,36,5.2 简单控制系统设计-实例,喷雾式干燥设备控制