简单控制系统概述

1、第六章简单控制系统的设计与参数整定,第一节 简单控制系统的结构与组成,一、什么是简单控制系统？,由一个被控过程（对象）、一套检测变送装置、一台控制（调节）器和一个调节阀组成的单回路闭环控制系统，又称单回路控制系统。,控制系统原理方框图,控制系统工艺流程图 （带控制点工艺流程图）,简单控制系统示例 换热器温度控制系统,被控参数 物料出口温度 控制变量 载热介质流量,简单控制系统示例 水泵压力控制系统,被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量,简单控制系统示例 贮罐液位控制系统,被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量,简单控制系统示例,广义对象,简单控制系统的构成方块图：,控制系统的有关术语,控制

2、系统框图的几点说明,简单控制系统的特点 结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足大多数工业生产过程的控制要求。 简单控制系统应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控质量要求不高的场合，约占目前工业控制系统的80以上。 简单控制系统的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。,精馏塔工艺流程图,上海石油化工总厂,聚 氯 乙 烯 装 置 夜 景,聚 氯 乙 烯 装 置 控制台,青岛丽东化工有限公司,青岛丽东化工有限公司控制台,自动化专业学生在平顶山飞龙化工集团有限实习,在平顶山飞龙化工集团有限实习,白马山水泥厂的生产线,白马山水泥厂的控制

3、室,鄂州电厂锅炉,鄂州电厂锅炉,鄂州电厂锅炉控制室,济宁三利石油化工有限公司,二、对过程控制系统设计的一般要求,要分析、设计和应用好一个过程控制系统，首先应对被控过程做全面了解，对工艺过程、设备等做深入的分析，然后应用自动控制原理与技术，拟定一个合理正确的控制方案，选择合适的检测变送器、控制器、执行器（调节阀），从而达到保证产品质量、提高产品产量、降耗节能、保护环境和提高管理水平等目的。,工业生产对过程控制的要求是多方面的，最终可归纳为三方面要求，即 安全性 稳定性 经济性,安全性,安全性是指在整个生产过程中，确保人员设备的安全，并兼顾环境卫生、生态平衡等社会安全性要求，这是最重要也是最基本的

4、要求。 通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。,稳定性,稳定性是过程可控的前提，它指过程在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。 依据自动控制理论，这就要求系统除了满足绝对稳定性外，还必须具有适当的稳定裕量；其次要求系统具有良好的动态响应特性（过渡过程时间短，稳态误差小等）。,经济性,经济性是指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。 通过采用先进的控制手段对生产子过程乃至整个过程进行优化控制是满足工业生产对经济性不断高涨的要求的重要途径。,在工程上，对过程控制系统的以上要求往往是相互矛盾的。因此在设计时，应根据实际情

5、况，分清主次，以保证满足最重要的质量、指标要求并留有余地。,三、过程控制系统设计的主要内容,过程控制系统设计包括四个主要内容 系统的方案设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。 工程设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。 工程安装和仪表调校 调节器参数整定：保证系统运行在最佳状态。,过程控制系统设计的主要内容,1、控制方案设计 控制方案设计是系统设计的核心。 若控制方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过程

6、中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。,过程控制系统设计的主要内容,2、工程设计 工程设计是在控制方案正确设计的基础上进行的。 工程设计包括仪表或计算机系统选型、控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。,过程控制系统设计的主要内容,3、工程安装和仪表调校 过程控制系统的正确安装是保证系统正常运行的前提。 系统安装完，还要对每台仪表（计算机系统的每个环节）进行单校和对各个控制回路进行联校。,过程控制系统设计的主要内容,4、调节器参数整定 在控制方案设计正确的前提下，调节器参数整定是系统运行在最佳状态的重要保证，是过程控制系统设计的重要环节之一。,四、过程控制系统设计的

7、基本原则,1、明确局部生产过程自动化和全过程自动化间的关系 在进行总体设计和系统布局时，应该全面地考虑各子过程和各生产设备的相互联系，综合各个生产操作之间的相互影响，合理设置各个控制子系统。,同一管道上安装两个控制阀，同时调节前后两个相互矛盾的工艺参数。,例：,要从生产过程的全局去分析问题和解决问题，从物料平衡和能量平衡关系去设置各个过程控制子系统。 所设置的过程控制系统应该包含产品质量控制、物料或能量控制、条件控制等，以全局的设计方法来正确处理整个系统的布局，统筹兼顾。,2、深入了解过程的静态与动态特性,过程控制系统的品质是由组成系统的结构和各个环节的特性所决定的。 过程检测变送仪表的特性在

8、设计制造时就已人为确定，调节器的特性可根据不同的被控过程和控制要求予以调整，而被控过程的特性是客观存在的，而且往往是比较复杂的。,对于过程控制系统设计者来说除了掌握自动控制理论、计算机、仪器、仪表知识外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度深入了解过程的静态与动态特性，并能针对不同的被控过程、不同的生产工艺控制要求，设计不同的控制系统。,五、过程控制系统设计步骤,过程控制系统设计，从设计任务提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过程。 很难为过程控制系统设计规定一个固定的程序，只能提出大致要经历的几个步骤。 熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指

9、标 建立被控过程的数学模型 选择控制方案 检测、控制仪表及装置选型 实验和仿真验证,过程控制系统设计步骤,1、熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标 控制系统的技术要求与性能指标一般由生产过程设计制造单位或用户提出，这些技术要求与性能指标是控制系统设计的基本依据，设计者必须全面、深入地了解与掌握。 技术要求与性能指标必须科学合理、切合实际。,过程控制系统设计步骤,2、建立被控过程的数学模型 建立被控过程的数学模型是过程控制系统设计的第一步。 在过程控制系统设计中，首先要解决如何用恰当的数学关系式（或方程式）即所谓数学模型来描述被控过程的特性。 只有掌握了过程的数学模型（或深入了解了过程特

10、性），才能深入分析过程的特性和选择正确的控制方案。,过程控制系统设计步骤,3、选择控制方案 根据设计任务和技术指标要求，经过调查研究，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技术实施的可行性、简单性，进行反复比较，选择合理的控制方案。 过程控制方案初步确定后，还要应用控制理论并借助计算机辅助分析进行系统静态、动态特性的分析计算，判定系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足系统的品质指标要求。最后才能确定过程控制方案。,过程控制系统设计步骤,4、检测、控制仪表及装置选型 根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、调节器（控制规律）与执行器（调节阀）等。,过程控制系统设计步骤,5、实验和仿真验

11、证 实验和仿真是检验系统设计正确与否的重要手段。 有些在系统设计过程中难以考虑的因素，可以在实验中考虑，同时通过实验可以检验系统设计的正确性，以及系统的性能。 若系统性能指标不能令人满意，则必须进行再设计，直到获得满意的结果为止。,一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示,设计中需要注意的有关问题,1认真熟悉过程特性 深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一 。 2明确各生产环节之间的约束关系 生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。 3重视对测量信号的预处理 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系

12、统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产生的系统误差。,4注意系统的安全保护 一个好的过程控制系统首先必须保证安全可靠地运行，尤其当系统处在高危险环境下运行时，应设计多层次、多级别的安全保护系统。 总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期的效果。,设计中需要注意的有关问题（续）,六、控制系统正常运行的重要准则,控制系统正常运行的重要准则有负反馈准则和稳定运行准则。 负反馈准则 控制系统成为负反馈的条件是该控制系统各开环增益之积为正。 稳定运行准则 在扰动或设定变化时，控制系统静

13、态稳定运行条件是控制系统各环节增益之积基本不变；控制系统动态稳定运行条件是控制系统总开环传递函数的模基本不变。,一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示,过程控制系统开发的主要步骤,1熟悉控制系统的技术要求或性能指标 控制系统的技术要求或性能指标是由用户或被控过程的设计制造单位提出的。 是控制方案设计的主要依据之一。 2建立控制系统的数学模型 控制系统的数学模型是控制系统理论分析和设计的基础。 系统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统数学模型的精度。 3确定控制方案 系统的控制方案包括系统的构成、控制方式和控制规律的确定，是控制系统设计的关键。控制方案的确定要依据被控过程的特性、技术

14、指标和控制任务的要求，还要考虑方案的简单性、经济性及技术实施的可行性等，并且要进行反复研究与比较 ，方可确定。,4根据系统的动态和静态特性进行分析与综合 在确定了系统控制方案的基础上，根据要求的技术指标和系统的动、静态特性进行分析与综合，以确定各组成环节的有关参数。 5系统仿真与实验研究 系统仿真与实验研究是检验系统理论分析与综合正确与否的重要步骤。 其中Matlab语言是进行系统仿真的有效工具。,过程控制系统开发的主要步骤（续）,6工程化设计 工程化设计的主要内容包括测量方式与测量点的确定、仪器仪表的选型与定购、控制室及仪表盘的设计、仪表供电与供气系统的设计、信号连锁与安全保护系统的设计、电缆的敷设以及保证系统正常运行的有关软件的设计等。 7工程安装 工程安装是依据施工图对控制系统的具体实施。 8控制器的参数调整 控制器的参数调整是在控制方案设计合理、仪器仪表工作正常、系统安装正确无误的前提下，使系统运行在最佳状态的重要步骤。,过程控制系统开发的主要步骤（续）,设计中需要注意的有关问题,1认真熟悉过程特性 深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一 。 2明确各生产环节之间的约束关系 生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。 3