簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定）簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）是指由一個(gè)被控對(duì) 象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥） 所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，有 超過(guò)70%的控制系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，同時(shí)它也是設(shè)計(jì)復(fù) 雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。丿i.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成f5.1.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)實(shí)例TC 1(3溫度控制系統(tǒng) 由丄業(yè)設(shè)備液位控制系統(tǒng)r単組成）咚 2壓力控制系統(tǒng)5.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成5.1.2控制系統(tǒng)的工程表不及方框圖液位控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)管道儀農(nóng)流程圖以標(biāo)準(zhǔn)的圖形符巧及文字代巧簡(jiǎn)要地衣示了主 要匚藝設(shè)備之間的關(guān)系.i藝物料的流向，也規(guī)定

2、了控制系統(tǒng)所要完成 的具體任務(wù)、應(yīng)具備的功能。5.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成f5.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成5.1.2控制系統(tǒng)工程表示及方框圖擾動(dòng)：影響受控變量的各種:f輸入變雖(操縱變量除外) :l Gpd(s)I +1 u 廠二擾動(dòng)通道影響擾動(dòng)受控變量G,s) I4 Gv(s)之間關(guān)系的相關(guān)工藝設(shè)備及部件 籃為J控制器：過(guò)用控制儀髓裝先竿制閥(變:崑響麻獲變就與長(zhǎng)融F控制系 要鯉設(shè)匸二丁-【譽(yù)、號(hào))系的相關(guān)匸藝設(shè)紀(jì)mi B受控對(duì)象旳廬小測(cè)量變送：過(guò)程檢自控設(shè)測(cè)儀表方框圖只是表示各個(gè)變量之間的信號(hào)聯(lián)系，各個(gè)方框的輸出是對(duì) 其輸入變量變化的響應(yīng)，并非表示物料的流動(dòng)方向O5.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成5.1.3過(guò)

3、程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本要求安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)5.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容監(jiān)控方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)訃、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù) 整定等5.1.5過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟1 .熟悉利理解生產(chǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。右條件時(shí)建立被控 過(guò)程的數(shù)學(xué)模型2控制方案的確定3.控制設(shè)備選型5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.1控制系統(tǒng)被控變量的選擇1 日的保證控制系統(tǒng)能發(fā)揮應(yīng)右的價(jià)值2.內(nèi)容確定被控變量的數(shù)量及具體參數(shù)控制指標(biāo)3 原則盡量采用直接變量采用間接變最時(shí)的注意問(wèn)題：?jiǎn)沃敌?、線性性、靈皺度、經(jīng)濟(jì)性5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.2操縱變量的選擇1目的保證控制系統(tǒng)能獲得較好的控制質(zhì)量2. 內(nèi)容

4、根據(jù)工藝操作要求、過(guò)程特性確定操作變量3 原則(1) 操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量(避免以衣征 主要生產(chǎn)負(fù)荷的物料作為操縱變量)(2) 控制通道有-定的快速性(時(shí)間常數(shù)較短)和靈敏性(合適的 靜態(tài)放大倍數(shù))(3) 盡量減少控制通道的純滯后時(shí)間5.2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測(cè)量變送問(wèn)題1. 儀表性能的考慮：基本要求睢確、快速G （$）=厶二通常按一階慣性環(huán)節(jié)考慮Ths + 1準(zhǔn)確性：根據(jù)操作要求確定合適的最程（Km）,根據(jù)指示誤差要 求確定合適的梏度等級(jí)。按儀表要求確定安裝方式?？焖傩裕焊鶕?jù)對(duì)象特性確定合適的 時(shí)間常數(shù)（G），小于對(duì)彖時(shí)間常數(shù)的1/5 即可。根據(jù)檢測(cè)儀表要求確定合適的位置5

5、.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測(cè)量變送問(wèn)題2.測(cè)量信號(hào)的處理（1）測(cè)量信號(hào)的線性化處理（選擇相應(yīng)的線性化方法） 節(jié)流裝置、熱電阻、熱電偶測(cè)量信號(hào)的濾波處理（根據(jù)噪聲特性選擇濾波方式）有脈動(dòng)或窩頻躁聲的信號(hào)（模擬RC電路或數(shù)字濾波） 對(duì)于尖峰型干擾可以采用程序判別濾波的方法_|y（A:-l） + A（），卜仏）-0（1）|y，|y（i-F（-i）刃，）一經(jīng)過(guò)濾波后的輸出值yi）一濾波前的實(shí)際采樣值 （/）預(yù)估輸出值增量5 規(guī)定的閾值5.2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測(cè)量變送問(wèn)題3.安裝與使用條件安裝條件必須符合和應(yīng)檢測(cè)儀表的具體要求。例如：流量測(cè)量 儀衣通常對(duì)前后管道的直管段的要求、節(jié)流裝置流向的

6、耍求.測(cè)溫元件 在被測(cè)介質(zhì)中插入深度的要求.差壓變送器導(dǎo)壓管內(nèi)液體高度應(yīng)該相等 的要求等等。實(shí)際使用儀農(nóng)的工作參數(shù)應(yīng)該符合儀衣的設(shè)計(jì)參數(shù)。例如：氣 體流量測(cè)量時(shí)的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力。如果實(shí)際11作溫度和壓力與設(shè)計(jì) 值偏離較人，將產(chǎn)牛較人的附加誤差。必要時(shí)需耍進(jìn)行校正。5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.4執(zhí)行裝置在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的考作用：根據(jù)控制器的輸出信號(hào)，改變工業(yè)過(guò)程的輸入變量（流體 流量的人小.電功率的人小、轉(zhuǎn)速的快慢），直接影響工業(yè)過(guò)程。過(guò)程 控制系統(tǒng)中常用（氣動(dòng)）調(diào)節(jié)閥。使用環(huán)境比較惡劣。選用調(diào)節(jié)閥時(shí)一 般應(yīng)考慮以下兒個(gè)方面：1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式的選擇根據(jù)工藝條件，如便用溫度、壓力及介質(zhì)的物

7、理、化學(xué)特性（如腐 蝕性，粘度等）來(lái)選擇5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用結(jié)構(gòu)型式直通單座直通雙座套筒角型5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)/心2氣開(kāi)式與氣關(guān)式的選樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的匸反作用N4用上M蓋函t件5.2.4執(zhí)行裝置在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的考慮2 氣開(kāi)式與氣關(guān)式的選擇氣壓（控制）信號(hào)增加，閥門開(kāi)度增加為氣開(kāi)；反之，為氣關(guān)。工藝物料5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.4執(zhí)行裝置在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的考慮2 氣開(kāi)式與氣關(guān)式的選擇 原則：根據(jù)工藝生產(chǎn)的安全要求選擇。確定氣開(kāi)/氣關(guān)形式舉例用蒸汽加熱11藝物料。1 要求物料溫度不能過(guò)高。則采用氣開(kāi)閥。2.防I匕物料在加熱器屮凝固。則采用氣關(guān)閥。5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 調(diào)節(jié)閥的流量

8、特性選擇理想流量特性：流通能力C與閥桿位移I之間的關(guān)系：C/Cmax=f （I/L）閥門的額定流通能力。閥門兩 端壓差100KPa，開(kāi)度100%,介質(zhì) 密度1000Kg/m3,流過(guò)的體積數(shù)。常見(jiàn)的理想流量特性:線性.對(duì)數(shù).拋物線.快開(kāi)1-快開(kāi)疚性對(duì)融XX / /: / / /9/ /Zr么0. 750. 50. 2500. 250. 50. 755.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.4執(zhí)行裝置在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的考 工作流量特性Q“擬閥門開(kāi)度100%,流過(guò)的流量。流量Q與閥桿位移I之間的關(guān)系：Q/QmaR（L）管道阻力的影響，使流僦變化時(shí)閥門兩端的壓差也隨之變化（流量大, 壓差?。?，使理想特性曲線想左上

9、方凸。QP（）P.APPv線性閥在不同S值下的特性曲線。5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇流量特性的原則根據(jù)構(gòu)成控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)特性確定控制閥工作流量特性。要求系 統(tǒng)在整個(gè)工作范圍內(nèi)開(kāi)環(huán)增益盡可能保持恒定。調(diào)節(jié)閥的增益：Kv=dQ/dlKcKvKmKpGc（jcoc ）Gv（jcoe 川）P（JC ） =常數(shù)根據(jù)管道阻力對(duì)流量特性的影響，確定理想流量特性曲線。 當(dāng)S值較大（0.6以上）時(shí)，直接根據(jù)工作特性選用。5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.4執(zhí)行裝置在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的考慮4. 閥門定位器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)及工作原理：使用場(chǎng)合：閥桿摩擦力人、閥芯的不平衡力改變調(diào)節(jié)閥的行程范圍（用于分程控制）改變控制器輸出與閥桿位

10、移Z 間的關(guān)系減少氣動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)滯后u5控制閥口徑選樣口徑選擇的原則：一方面婆滿足工藝生產(chǎn)對(duì)最人流量的要求.并留育一定的余量 （不小于10%）；另一方而要避免低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，閥門開(kāi)度過(guò)小?？趶降倪x擇就是額疋流帚:系數(shù)C的選擇。選抒依據(jù)足介質(zhì)相態(tài) （氣相、液札h蒸汽.氣液混合等）、密度.閥全開(kāi)時(shí)兩端壓差、最人 及最小流疑。II前，大多數(shù)制造廠商有標(biāo)準(zhǔn)的訃算軟件。具體要求：最大流量時(shí)，閥門開(kāi)度不超過(guò)90%；最小流量時(shí), J不低于10%。5.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)丁個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)，要獲得最好的控制質(zhì)量，控 制規(guī)律的選擇起著重要的作用。目前工業(yè)上常用的常規(guī)控制規(guī)律有：P、PI、PID常規(guī)控制

11、規(guī)律的特點(diǎn)1.比例（P）:是最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)規(guī)律，它對(duì)偏差的響應(yīng)迅速。只礙 要整定 個(gè)參數(shù)，簡(jiǎn)便。但系統(tǒng)心在靜差。2比例積分（PI）：能消除靜差。但動(dòng)態(tài)響應(yīng)較緩慢。對(duì)高頻噪 聲有一定的抑制作用。超調(diào)增加。丿不同控制規(guī)律按相同衰減比整定參數(shù)時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)渡過(guò)程比較。原則：盡量采用簡(jiǎn)單的控制規(guī)律。5.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)操作與投運(yùn)控制系統(tǒng)設(shè)訂、安裝完成啟，通過(guò)合理的操作才能使控制系統(tǒng) 正常工作。1 調(diào)節(jié)器正/反作用設(shè)定調(diào)節(jié)器正/反作用形式是根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出與測(cè)量值之間的變化關(guān) 系而定的。調(diào)節(jié)器輸出隨測(cè)量值增加而增加的，稱為止作用形式。反Z, 稱為反作用形式。確定正反作用形式的目的：保證控制系統(tǒng)的負(fù)反饋。系統(tǒng)負(fù)反饋的

12、條件：構(gòu)成控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（包括比較環(huán)節(jié)）增 益乘積為“負(fù)” O控制器增益與正反作用的關(guān)系：正作用控制器的增益為“負(fù)” O其它環(huán)節(jié)輸出隨輸入增加而增加的增益為“II O5.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)操作與投運(yùn)5.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)操作與投運(yùn)2. 調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)設(shè)定常規(guī)調(diào)節(jié)器的I作狀態(tài)有手動(dòng).口動(dòng).串級(jí)。根據(jù)操作要求設(shè)定。于動(dòng)狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出由操作員直接改變調(diào)節(jié)器輸出。自動(dòng)或 串級(jí)狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器根據(jù)給定的控制規(guī)律對(duì)偏差運(yùn)算產(chǎn)?？刂戚敵?。自動(dòng)狀態(tài)時(shí)的偏差是內(nèi)給定與測(cè)量值的偏差。串級(jí)狀態(tài)時(shí)的偏羌 是外給定與測(cè)量值的偏差?？刂破魃想娗翱偸窃O(shè)置在于動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)手動(dòng)操作使生產(chǎn)過(guò)程達(dá) 到或接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，再將調(diào)節(jié)器切換到口動(dòng)

13、或串級(jí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)口動(dòng)控制。切換狀態(tài)時(shí)，需要保證調(diào)節(jié)器輸出不產(chǎn)生階躍跳變，稱為無(wú)擾動(dòng)3. 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定整定的目的：根拯給定的控制規(guī)律，尋找一組合適的參數(shù)，盡町能使控制系統(tǒng) 的性能指標(biāo)滿足工藝生產(chǎn)的要求。參數(shù)整定的方法：理論整定和工程整定。(1)理論整定：C獲得控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，根據(jù)控制 要求確定系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)或過(guò)渡過(guò)程指標(biāo)，訃算調(diào)節(jié)器的相應(yīng)參數(shù)。常用方法：頻率特性法和根軌跡法。另外，也可以通過(guò)仿真整定。(2)工程整定：通過(guò)實(shí)驗(yàn)或利用經(jīng)驗(yàn)確定控制器參數(shù)。常用的工釋 整定方法有響應(yīng)曲線法、臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)法等。丿5.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)操作與投運(yùn)3.調(diào)節(jié)器參數(shù)整定響應(yīng)曲線法整

14、定過(guò)程：獲取廣義對(duì)彖階躍響應(yīng)曲線、訃算對(duì)彖特性參數(shù).計(jì) 算控制器參數(shù)、根據(jù)調(diào)節(jié)效果調(diào)整參數(shù)。5.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)操作與投運(yùn)3.調(diào)節(jié)器參數(shù)整定響應(yīng)曲線法計(jì)算控制器參數(shù)：控制規(guī)律6TdPU%PI1.13 3 r oPID0.85rO 5z-o5.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)操作與投運(yùn)3.調(diào)節(jié)器參數(shù)整定臨界比例度法整定過(guò)程：獲取臨界振蕩曲線.訃算特征參數(shù).訃算控制器參數(shù)、 根據(jù)調(diào)節(jié)效果調(diào)整參數(shù)。獲取臨界振蕩曲線：控制器設(shè)定為純 比例。在工況較穩(wěn)定時(shí)，控制器切換 到自動(dòng)狀態(tài)。使調(diào)節(jié)器給定階躍變化 510%,記錄過(guò)渡過(guò)程曲線。根據(jù)z 過(guò)渡過(guò)程曲線， 出現(xiàn)等幅振蕩。比例度6。計(jì)算特征參數(shù)：調(diào)整比例度，使系統(tǒng) 對(duì)應(yīng)的比例度為臨界ps-1 -JZAnD/ / ；VVV i30振蕩周期Ps2.520.