HG第七章簡單控制系統(tǒng)-位圖

第七章簡單控制系統(tǒng)第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成第二節(jié)

被控變量的選擇第三節(jié)操縱變量的選擇第四節(jié)

測量元件特性的影響第五節(jié)控制規(guī)律的選擇第六節(jié)

控制器參數(shù)的工程整定1第一節(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成定義：由一個(gè)測量儀表（測量元件、變送器）、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所組成的控制一個(gè)對象參數(shù)的（單閉環(huán)）控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)又稱單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)是構(gòu)成復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)：簡單、有效；應(yīng)用最成熟、最普遍,占90%以上。2簡單控制系統(tǒng)舉例3簡單控制系統(tǒng)方塊圖4控制系統(tǒng)的作用等控制系統(tǒng)的作用（定值）：維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好特點(diǎn)：偏差控制：糾正偏差分類：按被控參數(shù)分類：溫度控制回路、壓力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路

按給定值分類：定值、隨動(dòng)、程序（順序）5第二節(jié)

被控變量的選擇方法：1、直接參數(shù)法選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于測量的參數(shù)作為被控變量，稱為直接參數(shù)法。一般是可以直接進(jìn)行測量和控制的參數(shù)，如：溫度、壓力、液位、流量等。2、間接參數(shù)法

選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系、易于測量的參數(shù)作為被控變量稱為間接參數(shù)法。如：質(zhì)量指標(biāo)，以及一些特殊的參數(shù)，如成份等，在一般條件下，無法直接測量和控制；應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可測的參數(shù)，間接進(jìn)行控制。重要性：即，要控制什么？基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響生產(chǎn)（產(chǎn)量、質(zhì)量、安全）。6被控變量的選擇實(shí)例－苯、甲苯二元精餾系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)是最重要的控制參數(shù)如塔頂產(chǎn)品的純度

xD，但xD

目前無法直接測量，因此，只能用間接控制參數(shù)進(jìn)行控制。根據(jù)精餾原理，xD=f(TD,P),即與溫度和壓力成非線性函數(shù)關(guān)系。理論上，固定一項(xiàng)，就可用另一項(xiàng)控制xD

。

一般的，實(shí)際中都采用恒定P，通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分。？7被控變量的選擇原則工藝過程的重要參數(shù)；在工藝系統(tǒng)中易受干擾變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的參數(shù)；盡可能選用直接指標(biāo)作為被控參數(shù)，必要時(shí)可用與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。被控變量應(yīng)方便檢測，并有足夠的靈敏度；考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀；被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。如下：8第三節(jié)

操縱變量的選擇對象特性分析

對于實(shí)際過程，影響輸出的因素一般不只一個(gè)，因此，實(shí)際上都是多輸入系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng):

必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中選擇一個(gè)，作為操縱變量；其它影響量則只能視作干擾量?？刂疲河貌倏v量克服干擾量對被控變量的影響。9精餾塔:影響塔板溫度的因素精餾塔:影響塔板溫度的因素有：壓力、進(jìn)料流量、進(jìn)料成分等。

10問題：如何選擇一個(gè)良好的操縱變量分析對象通道特性操縱量—輸出變量：控制通道干擾量—輸出變量：干擾通道11干擾通道特性分析（1）放大倍數(shù)K的影響K越大，對被控變量的影響越大,越小越好.（2）時(shí)間常數(shù)T的影響T越大，干擾對被控變量的影響越緩慢。越大越好.干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置：越離被控變量近的干擾，對被控變量的影響也越大。（3）純滯后τ的影響干擾通道的純滯后對控制系統(tǒng)質(zhì)量沒有影響，只是滯后了干擾對控制的影響。12控制通道特性分析（1）

放大倍數(shù)K0的影響控制通道放大倍數(shù)K0大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小.從控制角度看，K0大些，說明控制通道對系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)節(jié)，因此，一般希望K0大些好

.13控制通道特性分析（續(xù)）（2）

時(shí)間常數(shù)T的影響結(jié)論：控制通道的時(shí)間常數(shù)大，經(jīng)過的容量數(shù)多，系統(tǒng)控制不及時(shí)、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。一般希望控制通道時(shí)間常數(shù)小些好。但控制通道時(shí)間常數(shù)過小，將使得系統(tǒng)過于靈敏，也會(huì)使穩(wěn)定性變差，如流量系統(tǒng)14控制通道特性分析（續(xù)）（3）純滯后τ0的影響結(jié)論：純滯后τ0的存在，使得控制不及時(shí)，增加動(dòng)態(tài)偏差，降低穩(wěn)定性。

控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素，會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)品質(zhì)，以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散，造成嚴(yán)重后果，因此，實(shí)際工程中，必須重視。15純滯后τ0的影響－－圖16操縱變量的選擇原則操縱變量的選擇，實(shí)質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。原則：

（1）

操縱變量必須可控，工藝上允許調(diào)節(jié)；（2）操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏.

因此應(yīng)通過合理選擇操縱變量,使得:控制通道的放大系數(shù)適當(dāng)大,時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小,純滯后時(shí)間盡量小;（3）為了使其他干擾對被控變量的影響減小.應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)盡可能小,時(shí)間常數(shù)盡可能大;（4）兼顧考慮工藝的合理性，工藝上不易頻繁改變的量也不宜作為操縱變量。如：生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。17第四節(jié)測量元件特性的影響一、測量元件的時(shí)間常數(shù)由于測量元件具有一定的時(shí)間常數(shù)，可看作一階慣性環(huán)節(jié)。理論上講，只有當(dāng)過渡時(shí)間無限長時(shí)，輸出才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)（等于工藝參數(shù)值）。因此，測量變送的輸出一般小于工藝參數(shù)實(shí)際值，不利于系統(tǒng)控制。18一、測量元件的時(shí)間常數(shù)測量元件的時(shí)間常數(shù)Tm<對象的To

的1/10，對系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大。特別是測溫元件.19二、測量元件的純滯后：參數(shù)變化信號傳遞到測量點(diǎn)需要一定的時(shí)間，使得對象中含有純滯后環(huán)節(jié)，不利于控制，要盡量克服。測量純滯后的例子20三、傳遞滯后的影響測量信號傳送滯后：變送器→控制室控制信號傳送滯后：控制室→控制閥

生產(chǎn)現(xiàn)場與控制室有較長的一段距離，對于氣動(dòng)信號的傳遞，就會(huì)產(chǎn)生信號的傳送滯后。一般比較小，對于電信號，可以忽略。21克服滯后的辦法測量滯后：

選擇快速反應(yīng)的測量元件，以減小時(shí)間常數(shù)；選擇合適的測量點(diǎn)，以減小純滯后；使用微分單元，起到超前作用，以克服容量滯后，但是，微分環(huán)節(jié)會(huì)使得系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，因此，要合理使用。傳送滯后：

⑴盡可能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號管路長度不超過300m，管徑應(yīng)大于６mm。或在氣路60m距離間加氣動(dòng)繼動(dòng)器，提高氣信號傳輸功率，減小傳輸時(shí)間。⑵采用氣-電、電-氣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換傳遞，或用閥門定位器等。22第五節(jié)控制規(guī)律的選擇PID控制器，3個(gè)可調(diào)整的參數(shù)：比例度δ（P）；積分時(shí)間Ti（I）；微分時(shí)間Td（D）。重要性！自動(dòng)控制系統(tǒng)＝廣義對象＋控制器。常用控制一般都采用PID控制，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)比例常數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種控制規(guī)律。23可調(diào)參數(shù)對系統(tǒng)靜態(tài)誤差的影響（回顧）結(jié)論：

當(dāng)控制器為純比例作用時(shí)，系統(tǒng)余差與放大倍數(shù)成反比，即與比例度成正比，比例度δ越大，余差越大；當(dāng)控制器引入積分作用時(shí)，可消除余差；微分作用對余差沒有影響。24可調(diào)參數(shù)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響（1）Kp的影響

比例增益增大：系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，但穩(wěn)態(tài)余差變小——矛盾?。?）Ti的影響PI控制器比例作用基礎(chǔ)上疊加對偏差的積分輸出

—消除余差Ti小，積分作用強(qiáng)，消除余差的能力強(qiáng)，但是，系統(tǒng)振蕩加劇，衰減比變?。籘i大，積分作用弱，消除余差的能力弱。25（3）微分時(shí)間Td的影響也是和比例作用配合，P、PI、PD、PID微分輸出與偏差變化速度成正比，——“超前”調(diào)節(jié)作用Td大，微分作用大，控制系統(tǒng)靈敏，但穩(wěn)定性變差26控制規(guī)律選擇原則：（1）對控制要求不高的參數(shù)，可只采用比例控制器；（2）對控制要求不高，且慣性較大的參數(shù)，可采用比例-微分控制器；（3）對于精度要求高的，要加入積分規(guī)律，PI、PID。P：控制及時(shí)，有余差；滯后小、負(fù)荷變化小、無無差要求的場合。如液位、壓力控制。PI：無余差，穩(wěn)定性、及時(shí)性下降；滯后小、負(fù)荷變化小、有無差要求的場合；如：流量、壓力、液位控制。PID：無余差，穩(wěn)定性、及時(shí)性較好；容量滯后大、負(fù)荷變化大、有無差要求的場合；如；溫度、成分控制；滯后小、噪聲重時(shí)不能加微分作用。27控制器正反作用的確定實(shí)際控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)的正反作用：正作用：環(huán)節(jié)的輸入量增加，輸出量也增加。正作用：環(huán)節(jié)的輸入量增加，但輸出量減少。測量環(huán)節(jié)：一般為正作用；對象：由工作機(jī)理分析可得；控制環(huán)節(jié)：用被測量減去設(shè)定值作為輸入量；執(zhí)行環(huán)節(jié)：安全原則?？刂破髡醋饔玫拇_定原則：保證整個(gè)控制系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。28例：加熱爐出口溫度控制系投分析例：圖7-15，執(zhí)行器氣開（危險(xiǎn)：無控制信號時(shí)閥門大開燒毀爐），假設(shè)控制器正作用，當(dāng)出料溫↑，測量值↑，偏差↑，控制器輸出↑，（執(zhí)行器氣開）閥門開↑，爐溫、出料溫↑，是正反饋，29例：水槽液位控制系統(tǒng)分析圖7-16，執(zhí)行器氣開（危險(xiǎn)：無控制信號時(shí)閥門大開物料全流走），假設(shè)控制器正作用當(dāng)出料溫↑，測量值↑，偏差↑，控制器輸出↑，（執(zhí)行器氣開）閥門開↑，液位↓，構(gòu)成負(fù)反饋，控制器正作用假設(shè)正確。30第六節(jié)控制器參數(shù)的工程整定1、整定的目的

目前基本控制器一般均為PID控制器（比例、積分、微分控制器）PID控制器整定，調(diào)節(jié)P、I、D參數(shù)，使得控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)達(dá)到滿意。一旦控制系統(tǒng)安裝到位，控制系統(tǒng)的品質(zhì)就取決于控制器的參數(shù)設(shè)置。2、整定方法

兩類：理論計(jì)算和工程整定方法

3、理論整定方法

基于控制原理的計(jì)算方法（時(shí)域法、頻域法、根軌跡法等），具體方法見相關(guān)參考書。314、工程整定方法理論整定方法，必須要求已知各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，對于一般的實(shí)際問題，難于滿足。另外，理論計(jì)算也比較煩瑣，工程上一般不采用。工程整定方法，經(jīng)驗(yàn)方法，簡單、方便，工程實(shí)際中廣泛采用。（1）臨界比例度法（2）衰減曲線法（3）經(jīng)驗(yàn)湊試法32（1）臨界比例度法步驟：系統(tǒng)閉環(huán)；純比例作用，TI最大、TD最?。]有積分、微分）；比例度δ放到100%（K=1），從大往小逐漸改變，每改變一次，通過設(shè)定值的改變給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，觀察輸出Y的變化；若Y衰減振蕩，則繼續(xù)減小δ；若Y發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大δ；當(dāng)Y出現(xiàn)等幅振蕩，臨界振蕩，此時(shí)δk稱為臨界比例度，振蕩周期Tk稱為臨界周期。33臨界比例度法－續(xù)34（2）衰減曲線法與臨界法類似4：1衰減曲線：比例度δ放到100%（K=1），從大往小逐漸改變，每改變一次，通過設(shè)定值的改變給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，觀察輸出Y的變化若Y衰減比大于4:1，則繼續(xù)減小δ；若小于4:1，則應(yīng)增大δ，直到出現(xiàn)4:1衰減振蕩，記錄此時(shí)比例度δs和振蕩周期Ts按經(jīng)驗(yàn)公式確定δ、TI、TD35（2）衰減曲線法－續(xù)