第七章簡單控制系統(tǒng)

第七章簡單控制系統(tǒng)7.1簡單控制系統(tǒng)組成及分析本章內(nèi)容7.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7.3簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定

簡單控制系統(tǒng)圖7-1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)被控變量：汽包液位過程（被控對(duì)象）：鍋爐汽包操縱變量：進(jìn)水流量主要擾動(dòng)：蒸汽量的變化簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）組成

由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)測量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥），所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。給水閥鍋爐汽包簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

被控變量的選擇(自動(dòng)控制保持恒定值或按一定規(guī)律變化）

“關(guān)鍵”變量：對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)安全具有決定性作用。方法一：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。例如溫度、壓力、液位、流量反映等生產(chǎn)工藝狀態(tài)的參數(shù)；方法二：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(duì)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。例如組分（某物質(zhì)含量）、轉(zhuǎn)化率等。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量的選擇實(shí)例要正確選擇被控變量必須充分了解工藝過程、工藝特點(diǎn)及對(duì)控制的要求xDxw靈敏板簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量的選擇原則

選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。2.當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時(shí)，可選擇一個(gè)與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。⑴滿足工藝的合理性；⑵具有盡可能大的靈敏度且線性好；⑶測量變送裝置的滯后?。唬?）被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的；（5）必須考慮自動(dòng)化儀表及裝置的現(xiàn)狀。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操縱變量的選擇被控變量（輸出量）擾動(dòng)變量（輸入量）操縱變量（輸入量）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。

操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所有干擾變量中的對(duì)被控變量影響最大的一個(gè)?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)Ｋ要盡量大一些，時(shí)間常數(shù)Ｔ適當(dāng)小些，滯后時(shí)間盡量?。徊灰诉x擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動(dòng)；工藝上的合理性和方便性。操縱變量的選取應(yīng)遵循下列原則簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ；擾動(dòng)通道放大倍數(shù)為Ｋf；ＫＯ的大小表征了操縱變量對(duì)被控變量的影響程度；Ｋf的大小表征了擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響程度。小結(jié)：選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，擾動(dòng)通道的放大倍數(shù)Ｋf越小越好，控制通道放大倍數(shù)ＫＯ希望適當(dāng)大些，以使控制通道靈敏些。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（一）設(shè):擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)為Ｔf，純滯后為τf

對(duì)擾動(dòng)通道特性的影響

ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（二）控制通道的時(shí)間常數(shù)為Ｔo，純滯后時(shí)間為τo時(shí)間常數(shù)ＴO(shè)小，反映靈敏，控制及時(shí)，有利于克服干擾的影響時(shí)間常數(shù)ＴO(shè)過大，造成控制作用遲緩，使被控變量的超調(diào)量加大，過渡時(shí)間增長純滯后時(shí)間τ0使操縱變量對(duì)被控變量的作用推遲了一段時(shí)間，由于控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過渡過程振蕩加劇，過渡時(shí)間增長，控制質(zhì)量變壞。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操縱變量的選擇原則⑴要構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大的放大系數(shù)、比較小的時(shí)間常數(shù)及盡可能小的純滯后時(shí)間。⑵系統(tǒng)主要擾動(dòng)通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時(shí)間常數(shù)和盡可能小的放大系數(shù)。⑶考慮工藝上的合理性。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。測量變送問題—純滯后

簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則電極酸槽LCACl1中和槽l2τ=、

為主管道，分管道的長度為主管道，分管道流體流速測量元件的安裝位置測量變送問題—測量元件的時(shí)間常數(shù)

簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量選擇好之后，被控變量如何測量仍然有諸多因素需要考慮，以便更靈敏﹑更快速﹑更及時(shí)和更經(jīng)濟(jì)地測得被控變量．時(shí)間常數(shù)測量滯后簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則測量變送問題----傳遞滯后⑴盡可能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號(hào)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(hào)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。信號(hào)傳遞過程中引起的滯后克服傳遞滯后采取以下措施簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則控制器控制規(guī)律的選擇原則1.對(duì)于一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面，以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)；2.對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，但不允許有余差的情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制系統(tǒng)往往采用ＰＩ控制器；3.當(dāng)對(duì)象滯后較大，如溫度、pＨ值等控制系統(tǒng)則需引入微分作用。一般在對(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時(shí)，可選用比例積分微分（PID）控制器?？刂破鞯恼⒎醋饔么_定控制器“正”、“反”作用開關(guān)不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及控制閥的氣開、氣關(guān)情況來決定。確定原則：保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。其作用方向一般都是“正”的，因?yàn)楫?dāng)被控變量增加時(shí)，其輸出量一般也是增加的。其作用方向則隨具體對(duì)象的不同而各不相同。當(dāng)操縱變量增加時(shí)，被控變量也增加的對(duì)象屬于“正作用”的。反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對(duì)象屬于“反作用”的。它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥（注意不要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥的“正作用”及“反作用”混淆）。當(dāng)控制器輸出信號(hào)（即執(zhí)行器的輸入信號(hào)）增加時(shí)，氣開閥的開度增加，因而流過閥的流體流量也增加，故氣開閥是“正”方向。反之，當(dāng)氣關(guān)閥接收的信號(hào)增加時(shí)，流過閥的流體流量反而減少，所以是“反”方向。其作用方向是這樣規(guī)定的：當(dāng)給定值不變，被控變量測量值增加時(shí)，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當(dāng)測量值不變，給定值減小時(shí)，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測量值增加（或給定值減?。r(shí)，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。被控對(duì)象：測量元件及變送器：執(zhí)行器：控制器：控制器的正、反作用確定原則：保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。氣開閥氣開閥控制器“正”、“反”作用選擇分析：安全要求：防止物料全部流光控制器正、反作用控制器應(yīng)選正作用控制過程分析根據(jù)安全原則，供氣中斷時(shí)給水閥應(yīng)全開，所以應(yīng)選氣關(guān)閥，即“反”作用。分析控制系統(tǒng)的控制過程根據(jù)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析或鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)PZPZ控制器“正”、“反”作用選擇控制過程分析：如圖所示的液位控制系統(tǒng)，如果閥的氣開、氣關(guān)特性發(fā)生改變，控制器的正、反作用也應(yīng)該發(fā)生改變。假設(shè)閥門選用氣關(guān)閥，即“反”作用。液位控制系統(tǒng)正作用控制器假設(shè)閥門選用氣開閥，即“正”作用。反作用控制器PZPZ例1：如圖所示的液位控制系統(tǒng)，假設(shè)工藝要求供氣中斷時(shí)液體不得外溢，請(qǐng)選擇閥的氣開、氣關(guān)特性，并選擇控制器的正、反作用。解：(1)控制閥氣開、氣關(guān)特性的選擇因?yàn)椋汗に囈蠊庵袛鄷r(shí)液體不得外溢，根據(jù)安全原則，所以：選用氣開閥，即“正”作用。(2)控制器的正、反作用的選擇液位控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析，選用反作用控制器控制過程分析反作用控制器PZ例2：如圖蒸汽加熱反應(yīng)釜控制系統(tǒng)，工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高，試確定控制器的正、反作用，并分析控制過程。蒸汽加熱反應(yīng)釜解：(1)確定控制閥的氣開、氣關(guān)特性因?yàn)椋汗に囈蟾獌?nèi)溫度不得過高，也就是說，供氣中斷時(shí)熱源關(guān)斷，所以應(yīng)選氣開閥，即“正”作用。(2)確定控制器的正、反作用根據(jù)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)分析，選用反作用控制器(3)控制過程分析反作用控制器PZ簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)投運(yùn)-----通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩?dòng)工作狀態(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。準(zhǔn)備工作：1.詳細(xì)了解工藝，對(duì)投運(yùn)中可能出現(xiàn)的問題有所估計(jì)。2.吃透控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖。3.在現(xiàn)場，通過簡單的操作對(duì)有關(guān)儀表（包括控制閥）的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判斷。4.設(shè)置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ參數(shù)。5.按無擾動(dòng)切換（指手、自動(dòng)切換時(shí)閥上信號(hào)基本不變）的要求將控制器切入自動(dòng)?？刂破鲄?shù)的工程整定控制器參數(shù)整定-----對(duì)已定的控制系統(tǒng)求取保證控制過程質(zhì)量為最好的控制器參數(shù)（比例度δ%、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD

）控制器的參數(shù)整定方法

理論計(jì)算參數(shù)整定法——已知廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)系統(tǒng)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求，通過計(jì)算確定相應(yīng)的PID參數(shù)?，F(xiàn)場工程整定法——條件：在工藝過程手操穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

1）經(jīng)驗(yàn)法2）衰減曲線法

3）臨界比例度法4）響應(yīng)曲線法控制器參數(shù)的工程整定方法一：臨界比例度法臨界振蕩整定計(jì)算公式控制器參數(shù)控制規(guī)律δ(%)TI(min)TD(min)P2δKPI2.2δKTk/1.2PID1.6δK0.5Tk0.25TI該方法是先將控制器設(shè)置為純比例作用且比例度δ放在較大位置，將系統(tǒng)投入閉環(huán)控制，然后逐步減小比例度δ并施加干擾作用，直至控制系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩的過渡過程，如圖7-9所示。這時(shí)的比例度就叫做臨界比例度δk，振蕩周期就叫做臨界振蕩周期Tk。根據(jù)δk和Tk從表7-2中查找控制器應(yīng)該采用的參數(shù)值。

臨界比例度法目前使用的比較多，它簡單易用，適用面較廣。但要注意的是：(1)對(duì)于工藝上不允許有等幅振蕩的，不能使用;(2)如δk很小，不適用。因?yàn)棣膋很小，即Kp很大，容易使被控變量超出允許范圍。

控制器參數(shù)的工程整定方法二：衰減曲線法衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表

控制器參數(shù)控制規(guī)律δ(%)TI(min)TD(min)PδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS方法

在純比例作用下，由大到小調(diào)整比例度以得到具有衰減比（4：1）的過渡過程，記下此時(shí)的比例度δ

S及振蕩周期TS，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，求出相應(yīng)的積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。衰減曲線法可以適用于幾乎各種應(yīng)用場合。但在應(yīng)用中要注意：(1)加干擾前，控制系統(tǒng)必須處于穩(wěn)定的狀態(tài)，否則不能得到準(zhǔn)確的δs、TS和TT值；(2)階躍干擾的幅值不能大，一般為設(shè)定值的5%左右，必須與工藝人員共同商定；(3)如果過渡過程波動(dòng)頻繁，難于記錄下準(zhǔn)確的比例度、衰減周期或上升時(shí)間，則改用其他方法。控制器參數(shù)的工程整定方法三：經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度流量壓力液面20～6040～10030～7020～803～100.1～10.4～30.5～3（長期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的一種整定方法）方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中通過改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形狀，以δ%、TI、TD，對(duì)控制過程的規(guī)律為指導(dǎo)，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行湊試，直到合適為止單回路控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔噴霧式干燥塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)碳酸鈣漿液干燥過程工藝流程。生產(chǎn)工藝要求產(chǎn)品溫度要求穩(wěn)定，即含水量波動(dòng)不能太大。

設(shè)計(jì)要求1.選擇被控變量與操縱變量2.過程檢測、控制設(shè)備的選用單回路控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例煙道氣4123加壓空氣漿液空氣干燥塔選擇被控變量直接參數(shù)----濕度（測量困難）間接參數(shù)----