第七章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

過程裝備控制及儀表過控裝備與安全工程系教師：郭勇2008年5月第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)基本要求：5.掌握控制器參數(shù)工程整定的方法。1.了解簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成及作用。2.掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中被控變量、操縱變量選擇的一般原則。3.了解各種基本控制規(guī)律的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。4.掌握控制器正、反作用確定的方法。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成一、定義所謂簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通常是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及傳感器（或變送器）、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此有時(shí)也稱為單回路控制系統(tǒng)。二、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的典型方塊圖：給定值偏差控制器執(zhí)行器控制信號(hào)操縱變量被控對(duì)象被控變量干擾測(cè)量值檢測(cè)變送裝置第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成三、控制系統(tǒng)圖的表達(dá)LTLC液位控制系統(tǒng)TTTC換熱器冷流體載熱體溫度控制系統(tǒng)根據(jù)自控設(shè)計(jì)規(guī)范，省略了測(cè)量變送環(huán)節(jié)第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第二節(jié)被控變量的選擇一、選擇“關(guān)鍵變量”作被控變量所謂“關(guān)鍵變量”是指對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性作用，而人工操作又難以滿足要求或者雖然人工操作可以滿足要求但操作是緊張而頻繁的。二、直接指標(biāo)控制與間接指標(biāo)控制1.直接指標(biāo)控制：被控制的指標(biāo)本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（如溫度、壓力、流量、成分等）。2.間接指標(biāo)控制：以產(chǎn)品質(zhì)量為控制指標(biāo)，但質(zhì)量信號(hào)無法檢測(cè)，或檢測(cè)到的信號(hào)微弱或滯后很大，這時(shí)就需要選取與其有單值關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量進(jìn)行控制，稱為間接指標(biāo)控制。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第二節(jié)被控變量的選擇三、被控變量選擇的原則 被控變量的正確選擇是關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期控制效果的重要因素，它的選擇的一般原則是：（1）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或是反映工藝操作狀態(tài)的重要變量；（2）被控變量應(yīng)是工藝生產(chǎn)過程中經(jīng)常變化，因而需要頻繁加以控制的變量；（3）被控變量變盡可能選擇工藝生產(chǎn)過程的直接控制指標(biāo)，當(dāng)無法獲得直接控制指標(biāo)信號(hào)。或其測(cè)量或傳送滯后很大時(shí)，可選擇與直接控制指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接控制指標(biāo)；（4）被控變量應(yīng)是能測(cè)量的，并具有較大靈敏度的變量；（5）被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的；（6）應(yīng)考慮工藝的合理性與經(jīng)濟(jì)性。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第三節(jié)操縱變量的選擇一、定義在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。最常見的操縱變量時(shí)介質(zhì)的流量。二、操縱變量選擇的原則（1）操縱變量應(yīng)是工藝上允許加以控制的可控變量；（2）操縱變量應(yīng)是對(duì)被控變量影響諸因素中比較靈敏的 變量，即控制通道的放大系數(shù)要大一些，時(shí)間常數(shù) 要小一些，純滯后時(shí)間要盡量??；（3）操縱變量的選擇還應(yīng)考慮工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng) 濟(jì)性。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第三節(jié)操縱變量的選擇三、控制通道特性和干擾通道特性操縱變量和被控變量之間的關(guān)系構(gòu)成了被控對(duì)象的控制通道特性。干擾和被控變量之間的關(guān)系構(gòu)成了被控對(duì)象的干擾通道特性。干擾操縱變量被控變量干擾通道控制通道干擾起破壞作用，而操縱變量起校正作用，二者是一對(duì)互相矛盾的變量。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第三節(jié)操縱變量的選擇四、對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響

K0的大小表征了操縱變量對(duì)被控變量的影響程度，K0大，影響越顯著，控制作用更有效。但K0過大，會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。①放大系數(shù)K0（靜態(tài)特性）Ⅰ.控制通道時(shí)間常數(shù)T的影響：

T不宜過大，否則會(huì)使操縱變量的校正作用遲緩，超調(diào)量大，過渡時(shí)間長(zhǎng)，故要求T小一些，使之反應(yīng)靈敏，控制及時(shí)。②動(dòng)態(tài)特性的影響：第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第三節(jié)操縱變量的選擇四、對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響②動(dòng)態(tài)特性的影響：Ⅱ.控制通道純滯后的影響：控制器接收到正偏差信號(hào)時(shí)，純滯后使超調(diào)量增加?？刂破鹘邮盏截?fù)偏差信號(hào)時(shí)，可使過渡過程的振蕩加劇，穩(wěn)定性變差。故應(yīng)使τ0盡量小。Tf

越大，表示干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢。應(yīng)設(shè)法使干擾到被控變量的通道長(zhǎng)一些，Tf

大一些。Ⅲ.干擾通道時(shí)間常數(shù)Tf

的影響：第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第三節(jié)操縱變量的選擇四、對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響②動(dòng)態(tài)特性的影響：Ⅳ.干擾通道純滯后

τf

的影響干擾通道純滯后只是將干擾的作用推遲了τf

，控制作用亦推遲了τf

，對(duì)控制質(zhì)量沒有影響。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第四節(jié)測(cè)量元件特性的影響一、測(cè)量元件特性的影響（檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的影響）（1）測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)Tm的影響：對(duì)測(cè)溫元件來講，存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時(shí)間常數(shù)，當(dāng)時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，控制器接收到的將是一個(gè)失真的信號(hào)，不能發(fā)揮正確的校正作用，質(zhì)量無法達(dá)標(biāo)。減小時(shí)間常數(shù)的方法：①選用惰性小的快速測(cè)量元件，例如用快速勢(shì)電偶代替普通熱電偶或溫包。（當(dāng)Tm

小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)1/10時(shí)，對(duì)質(zhì)量影響不大）②必要時(shí)引入微分作用，利用過超前作用來補(bǔ)償測(cè)量元件的動(dòng)態(tài)誤差。③保證測(cè)量元件安裝，使用正確。④使用過程中注意維護(hù)、檢查。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第四節(jié)測(cè)量元件特性的影響一、測(cè)量元件特性的影響（檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的影響）（2）測(cè)量元件的純滯后τ0

的影響：在過程控制中，由于檢測(cè)元件安裝不正確或不適當(dāng)，將會(huì)產(chǎn)生純滯后，如圖所示，pH控制系統(tǒng)：

酸或堿中和槽LTLCATACl1電極l2第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第四節(jié)測(cè)量元件特性的影響一、測(cè)量元件特性的影響（檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的影響）（2）測(cè)量元件的純滯后τ0

的影響：主管道流速過大，不宜放置電極，故引出支管安放電極，支管的引入，使得pH的測(cè)量引入純滯后τ0

l1、l2：主管道、支管道長(zhǎng)度

u1、u2：主管道、支管道內(nèi)流體流速第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第四節(jié)測(cè)量元件特性的影響二、測(cè)量元件特性的選用、安裝、維護(hù)注意事項(xiàng)檢測(cè)元件要正確選用、合理安裝、及時(shí)維護(hù)，以便經(jīng)常保證檢測(cè)元件有足夠的測(cè)量精度、較小的時(shí)間常數(shù)，盡量小的純滯后和信號(hào)的傳遞滯后。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第五節(jié)控制器正反作用方向一、控制器的作用方向控制作用對(duì)被控變量的影響應(yīng)當(dāng)與干擾作用對(duì)被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復(fù)到給定值。

作用方向：指輸入變化后，輸出的變化方向輸入增加，輸出也增加反作用：輸入增加時(shí)，輸出減小。在控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象，測(cè)量元件及變送器，控制器，執(zhí)行器都有各自的作用方向。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第五節(jié)控制器正反作用方向一、控制器的作用方向（1）測(cè)量元件及變送器：當(dāng)被控變量增加時(shí)，其輸出一般也會(huì)增加，故其作用方向一般都是“正”的。熱敏電阻“反”（2）執(zhí)行器：其作用方向取決于氣開還是氣閉閥。氣開閥：當(dāng)控制器輸出信號(hào)增加時(shí)，其開度增加，因而流過閥的流體流量增加，故屬“正方向”。氣閉閥：與氣開閥相反，屬“反方向”第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第五節(jié)控制器正反作用方向一、控制器的作用方向（3）控制器：正作用：當(dāng)給定值不變，被控變量測(cè)量值增加時(shí)，控制器輸出增加；或當(dāng)測(cè)量值不變，給定值減小時(shí)，控制器輸出增加。亦即e

增加，控制器輸出增加。反作用：與上相反。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第五節(jié)控制器正反作用方向二、舉例I．加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)原料油出口TC反"正"正"對(duì)象：加熱爐操縱變量：燃料氣流量被控變量：原料油出口溫度第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第五節(jié)控制器正反作用方向二、舉例對(duì)對(duì)象而言:

操縱變量增加，其被控變量增加，故對(duì)象屬“正作用”方向：對(duì)執(zhí)行器而言：從工藝安全條件出發(fā)，選擇氣開閥，以免當(dāng)氣源突然斷氣時(shí)，控制閥大開而燒壞爐子，此時(shí)，執(zhí)行器為“正作用”。對(duì)控制器而言:

為保證系統(tǒng)是負(fù)反饋，即當(dāng)爐溫上升時(shí)，控制器TC的輸出減小而關(guān)小燃料氣閥門，使?fàn)t溫下降，故控制器應(yīng)選“反作用”。I．加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第五節(jié)控制器正反作用方向二、舉例Ⅱ.簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)：對(duì)象：貯液罐。當(dāng)控制閥開度增加時(shí)，液位下降，故對(duì)象是“反作用”執(zhí)行器：控制閥。為保證一旦停氣或斷氣，閥門能自動(dòng)關(guān)閉，以免物料全部流走，

應(yīng)選氣開閥，是“正作用”控制器：在液位升高時(shí)，測(cè)量值增加，控制器的輸出增加，以保證控制閥的開度增加，使液位下降，故控制器是“正作用”問：被控變量和操作變量是什么？第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第六節(jié)控制器參數(shù)的工程整定一、綜述當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝完成后，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)以及被控對(duì)象各通道的特性就不能再改變了，只能改變調(diào)節(jié)器的比例度

δ、TI、TD，即調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，其目的就是按照已定的控制系統(tǒng)，求取控制系統(tǒng)質(zhì)量的最佳參數(shù)值。例如，對(duì)單回路控制系統(tǒng)，一般希望過渡過程是4:1~10:1的衰減振蕩過程。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第六節(jié)控制器參數(shù)的工程整定二、整定方法分類（1）理論計(jì)算整定法：常見的有根軌跡法，頻率響應(yīng)法，偏差積分準(zhǔn)則等。特點(diǎn)：必須知道被控對(duì)象的特性，才能獲得最佳的參數(shù)。在缺乏足夠被控對(duì)象特性資料時(shí)，難以得到準(zhǔn)確的參數(shù)，對(duì)復(fù)雜過程而言，其計(jì)算繁瑣，工作量大，費(fèi)時(shí)。常用于科研工作中做方案比較用。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第六節(jié)控制器參數(shù)的工程整定二、整定方法分類（2）工程整定法避開被控對(duì)象的特性和數(shù)學(xué)描述，在被控對(duì)象運(yùn)行時(shí)，通過改變控制器參數(shù)，觀察被控變量的過渡過程，來獲取參數(shù)的最佳值。常見有臨界比例法，衰減曲線法和經(jīng)驗(yàn)湊試法

第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第六節(jié)控制器參數(shù)的工程整定二、整定方法分類Ⅰ．臨界比例法又稱Ziegler-Nichols方法，早在1942年已提出，它首先求取在純比例作用下的閉環(huán)系統(tǒng)為等幅振蕩過程時(shí)的比例度δk

和振蕩周期

Tk（臨界周期），再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。具體步驟：①將積分和微分作用去掉，在純比例的情況下，按比例度從小到大的規(guī)律，對(duì)應(yīng)于某一

δ值做小幅度的設(shè)定值階躍干擾，直到獲得等幅振蕩的過渡過程；②根據(jù)表7-1所給的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出各參數(shù)整定值。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第六節(jié)控制器參數(shù)的工程整定二、整定方法分類表7-1所列是PID參數(shù)整定算式的閉環(huán)系統(tǒng)得到4：1的衰減比，并且有合適的超調(diào)量為目標(biāo)。適用條件：①工藝允許被控變量作等幅振蕩。②在獲取等幅振蕩曲線時(shí)，不能使閥出現(xiàn)全開或全關(guān)的極限狀態(tài)。否則由此獲得的等幅振蕩實(shí)際上是“極限循環(huán)”，從線性系統(tǒng)的概念上說系統(tǒng)早已發(fā)散了。③對(duì)臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。由于

δk

很小，則控制器輸出變化一定很大，被調(diào)參數(shù)容易超出允許范圍，影響正常生產(chǎn)。

第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第六節(jié)控制器參數(shù)的工程整定二、整定方法分類Ⅱ．衰減曲線法

Ⅲ.經(jīng)驗(yàn)試湊法自學(xué)第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)實(shí)例分析例1.試確定如圖所示系統(tǒng)（圖示系統(tǒng)為冷卻器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能太低，否則容易結(jié)晶）中控制閥的氣開、氣關(guān)型式和控制器的正、反作用。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)實(shí)例分析

解：由于被冷卻物料溫度不能太低，當(dāng)控制閥膜頭上氣源突然中斷時(shí)，應(yīng)使冷劑閥處于關(guān)閉狀態(tài)，以避免大量冷劑流入冷卻器，所以應(yīng)選擇氣開閥型式。當(dāng)冷劑流量增大時(shí)，被冷卻物料出口溫度是下降的，故該對(duì)象為“反作用”方向的，而氣開閥是“正”作用方向的，為使整個(gè)系統(tǒng)能起負(fù)反饋?zhàn)饔茫试撓到y(tǒng)中控制器應(yīng)選“正”作用的。當(dāng)出口溫度增加時(shí)，控制器的輸出增加、使控制閥開大，增加冷劑流量，從而自動(dòng)地使出口溫度下降，起到負(fù)反饋的作用。第七章

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)實(shí)例分析例2．如圖所示為一蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)。（1）指出該系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、控對(duì)象各是什么？（2）該系統(tǒng)可能的干擾有哪些？（3）該系統(tǒng)的控制通道是指什么（4）試畫出該系統(tǒng)的方塊圖。（5）如果被加熱物料過低易結(jié)晶時(shí)，試確定控制閥的氣開、氣關(guān)型式和控制器的正、反作用。（6）試分析當(dāng)冷物料的流量突然增加時(shí)，系統(tǒng)的控制過程及各信號(hào)的變化情況