《自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)》第5章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

第５章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)５.１簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成５.２被控量與操縱量的選擇５.３執(zhí)行器的選擇５.４基本控制規(guī)律５.５簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定返回５.１簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)也常稱(chēng)為單回路控制系統(tǒng)，是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送裝置(檢測(cè)變送器)、一個(gè)控制裝置(控制器)和一個(gè)執(zhí)行裝置(執(zhí)行器)所組成的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，是所有反饋控制系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單、最基本、應(yīng)用最廣泛的一種控制系統(tǒng)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，大部分系統(tǒng)是單回路控制系統(tǒng)，解決了大量工業(yè)生產(chǎn)中的過(guò)程控制問(wèn)題。圖5一1所示為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的原理框圖。為了便于更直觀(guān)地表示控制系統(tǒng)，工程上常采用過(guò)程控制系統(tǒng)的流程圖，如圖5一2所示。在過(guò)程控制系統(tǒng)的流程圖中，

稱(chēng)為儀表圈。儀表圈內(nèi)第一個(gè)英文字母表示被控量是什么參數(shù)T-溫度，P一壓力，F(xiàn)一流量，L一液位，A一成分。儀表圈內(nèi)第二個(gè)英文字母表示它具有的什么功能,T‘變送，C-控制，R一記錄。返回５.２被控量與操縱量的選擇5.2.1被控量的選擇控制系統(tǒng)的被控量是對(duì)工藝安全生產(chǎn)、產(chǎn)品的質(zhì)量或產(chǎn)量等方面起決定作用的關(guān)鍵性工藝參數(shù)。若選擇不當(dāng)，就不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。被控量應(yīng)是可以測(cè)量的，否則不能控制。因此在實(shí)際生產(chǎn)中通常有兩種。

1.直接參數(shù)控制滿(mǎn)足生產(chǎn)所要求的工藝控制條件，被控量一般選擇可以直接測(cè)量的溫度、壓力、液位、流量、成分等工藝參數(shù)進(jìn)行控制，稱(chēng)為直接參數(shù)控制。下一頁(yè)返回５.２被控量與操縱量的選擇2.間接參數(shù)控制有時(shí)由于實(shí)踐中沒(méi)有可靠、準(zhǔn)確、直接測(cè)量產(chǎn)品質(zhì)量信號(hào)的裝置，或者即使能取得信號(hào)，而測(cè)量過(guò)程的滯后又太大，這時(shí)需要尋找與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系，反應(yīng)又快，還能直接測(cè)量的參數(shù)，這就是間接參數(shù)，來(lái)進(jìn)行控制。例如，工程上常在固定精餾塔壓力的條件下，選擇塔頂溫度作為被控量，來(lái)替代對(duì)塔頂產(chǎn)品純度的控制，這就是間接參數(shù)控制的一個(gè)典型實(shí)例。此外，對(duì)單回路控制系統(tǒng)的被控量還要求有獨(dú)立、可控性。也就是說(shuō)，它不會(huì)受其他控制回路的控制作用影響;否則，控制系統(tǒng)將無(wú)法投運(yùn)和正常工作。上一頁(yè)下一頁(yè)返回５.２被控量與操縱量的選擇

5.2.2操縱量的選擇在過(guò)程控制系統(tǒng)中，操縱量是指通過(guò)自動(dòng)控制閥的某種介質(zhì)流量。通過(guò)改變操縱量實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的控制作用，來(lái)克服各種擾動(dòng)對(duì)被控量偏離給定值的不利影響，使被控量回到給定值。為了更好地理解操縱量的選擇原則，下面介紹一下被控對(duì)象的特性。被控對(duì)象的特性是指在對(duì)象的某一輸入量作用下，其輸出量隨時(shí)間變化的特性。被控對(duì)象的特性由兩個(gè)通道來(lái)描述，即控制通道和擾動(dòng)通道?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)象的特性參數(shù)來(lái)反映被控對(duì)象的特性。上一頁(yè)返回５.３執(zhí)行器的選擇5.3.1氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)氣動(dòng)執(zhí)行器主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩大部分組成。圖5-4是一種常用氣動(dòng)執(zhí)行器的示意圖。氣壓信號(hào)由上部引入，作用在薄膜1上，推動(dòng)閥桿3產(chǎn)生位移，改變了閥芯4與閥座6之間的流通面積，從而達(dá)到了控制流量的目的，圖5-4中5為閥體，上半部為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，下半部為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)執(zhí)行器有時(shí)還配備一定的輔助裝置，常用的有閥門(mén)定位器和手輪機(jī)構(gòu)。閥門(mén)定位器可以使閥門(mén)位置按控制器送來(lái)的信號(hào)準(zhǔn)確定位。手輪機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)控制系統(tǒng)因停電、停氣，控制器無(wú)輸出或執(zhí)行機(jī)構(gòu)失靈時(shí)，利用它可以直接操縱控制閥，以維持生產(chǎn)正常進(jìn)行。下一頁(yè)返回５.３執(zhí)行器的選擇5.3.2控制閥流量特性控制閥的流量特性是指流體通過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度(相對(duì)位移)間的關(guān)系，即式中Q—控制閥在某開(kāi)度時(shí)的流量;Qmax—控制閥全開(kāi)時(shí)的最大流量;l—控制閥在某開(kāi)度時(shí)的行程;L—控制閥全開(kāi)時(shí)的最大行程;J一某種函數(shù)關(guān)系。上一頁(yè)下一頁(yè)返回５.３執(zhí)行器的選擇相對(duì)流量Q/Qmax是控制閥某一開(kāi)度時(shí)流量Q與全開(kāi)時(shí)流量Qmax之比，相對(duì)開(kāi)度l/L是控制閥某一開(kāi)度行程l與全開(kāi)行程L之比?？刂崎y在信號(hào)u(t)的作用下，改變了閥座與閥芯間的節(jié)流面積(即控制閥的開(kāi)度)，因此就改變了通過(guò)它的流量，在控制閥開(kāi)度變化的同時(shí)，控制閥前、后的流體壓降

也在變化。5.3.3控制閥的選擇選用控制閥時(shí)，一般要根據(jù)被控介質(zhì)的特點(diǎn)(溫度、壓力、腐蝕性、載度等)、控制要求、安裝地點(diǎn)等因素，參考各種類(lèi)型控制閥的特點(diǎn)合理地選用。在具體選用時(shí)，一般應(yīng)考慮下列幾個(gè)主要方面的問(wèn)題。上一頁(yè)下一頁(yè)返回５.３執(zhí)行器的選擇

1.控制閥結(jié)構(gòu)與特性的選擇控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性(如腐蝕性、載度等)來(lái)選擇。例如，強(qiáng)腐蝕介質(zhì)可采用隔膜閥，高溫介質(zhì)可選用帶翅形散熱片的結(jié)構(gòu)形式。

2.氣開(kāi)與氣關(guān)的形式選擇在采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，還必須確定氣動(dòng)控制閥的作用方式，即氣開(kāi)、氣關(guān)控制閥的選擇。選擇原則要從工藝生產(chǎn)安全要求出發(fā)。要求信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全。如果閥處于打開(kāi)位置時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式，以便氣源系統(tǒng)發(fā)生故障、氣源中斷時(shí)，閥門(mén)能自動(dòng)打開(kāi)，保證安全;反之，閥處于關(guān)閉時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣開(kāi)閥。上一頁(yè)下一頁(yè)返回５.３執(zhí)行器的選擇例如，加熱爐的燃料氣或燃料油應(yīng)采用氣開(kāi)式控制閥，即當(dāng)信號(hào)中斷時(shí)應(yīng)切斷進(jìn)爐燃料，以免爐溫過(guò)高造成事故。又如控制進(jìn)入設(shè)備易燃?xì)怏w的控制閥，應(yīng)選用氣開(kāi)式，以防爆炸，若介質(zhì)為易結(jié)晶物料，則選用氣關(guān)式，以防堵塞。

3.控制閥流量特性選擇原則因控制閥制造廠(chǎng)家所提供的產(chǎn)品都是理想流量特性。用戶(hù)的控制閥管路系統(tǒng)的配置情況是不同的。因此，應(yīng)按控制閥實(shí)際工作流量特性的情況，以及被控對(duì)象的特性、工藝負(fù)荷變動(dòng)等具體情況來(lái)選擇控制閥的理想流量特性。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回５.３執(zhí)行器的選擇4.控制閥口徑的確定控制閥口徑的確定是指閥流量系數(shù)的計(jì)算和閥公稱(chēng)直徑、閥座直徑的確定。控制閥口徑確定是在計(jì)算閥流量系數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是控制閥選擇的重要內(nèi)容。

上一頁(yè)返回５.４基本控制規(guī)律5.4.1控制器的控制規(guī)律控制器的控制規(guī)律，就是指控制器接受被控量的測(cè)量值。Cm(t)、與給定值r(t)進(jìn)行比較后，若偏差不為零時(shí)，應(yīng)依據(jù)什么規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)u(t)。采用不同的控制規(guī)律，在相同的偏差作用下，控制器發(fā)出的控制信號(hào)u(t)不同，其控制的效果與質(zhì)量是不同的。

5.4.2基本控制規(guī)律的類(lèi)型基本控制規(guī)律的類(lèi)型有4種，即雙位控制規(guī)律、比例控制規(guī)律、積分控制規(guī)律和微分控制規(guī)律。下一頁(yè)返回５.４基本控制規(guī)律5.4.3常用控制規(guī)律的選擇通常，有以下一些選用原則可供參考:(I)廣義被控對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)不大、負(fù)荷變動(dòng)不大，以及對(duì)控制要求不高的場(chǎng)合，可以選用比例控制規(guī)律。

(2)廣義被控對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變動(dòng)也不大，但被控量不允許有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，可選用PI控制規(guī)律。

(3)廣義被控對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)或容積遲延都較大，負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)考慮引入微分控制。若被控量允許有穩(wěn)態(tài)誤差，可以選用PD控制規(guī)律;若被控量不允許有穩(wěn)態(tài)誤差，可以選用PID控制規(guī)律。上一頁(yè)下一頁(yè)返回５.４基本控制規(guī)律(4)廣義被控對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)、容積遲延或純遲延都較大、負(fù)荷變動(dòng)也很大，對(duì)控制質(zhì)量的要求又較高，這時(shí)即使采用PID控制也不能滿(mǎn)足要求，需要采用復(fù)雜控制系統(tǒng)。

5.4.4控制器正、反作用的選擇

1.控制器正、反作用當(dāng)輸入控制器的被控量測(cè)量值cm(t)的變化方向與控制器輸出的控制信號(hào)u(t)的變化方向相同時(shí)，稱(chēng)控制器是“正作用”的;反之，稱(chēng)控制器為“反作用”的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回５.４基本控制規(guī)律2.確定控制器正、反作用的方法(1)畫(huà)出典型簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5一19所示。(2)確定被控對(duì)象、檢測(cè)變送裝置和控制閥傳遞函數(shù)的符號(hào)。(3)確定控制器的正、反作用。為了確?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，應(yīng)要求閉環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gk(s)>0，即(4)驗(yàn)證所定控制器正、反作用的正確性。上一頁(yè)返回５.５簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)如檢測(cè)變送裝置、控制器、執(zhí)行器等的選擇都得當(dāng)，安裝也正確，但在控制系統(tǒng)實(shí)際投運(yùn)前，還必須對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定。工程整定法是依靠工程經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行，整定控制器的最佳參數(shù)。其方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，而且容易掌握，所得參數(shù)雖然不一定為最佳，但是實(shí)用，能解決一般性問(wèn)題，所以在工程上得到了廣泛應(yīng)用。控制器參數(shù)整定就