第七簡單控制系統(tǒng)演示文稿

第七簡單控制系統(tǒng)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有35頁\編于星期三\8點（優(yōu)選）第七簡單控制系統(tǒng)當(dāng)前第2頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）組成由一個被控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖7-1液位控制系統(tǒng)圖7-2溫度控制系統(tǒng)當(dāng)前第3頁\共有35頁\編于星期三\8點圖7-3簡單控制系統(tǒng)的方塊圖從圖中可知

簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。當(dāng)前第4頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

被控變量的選擇(自動控制保持恒定值或按一定規(guī)律變化）

“關(guān)鍵”變量：對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用。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。當(dāng)前第5頁\共有35頁\編于星期三\8點圖7-4精餾過程示意圖1—精餾塔；2—蒸汽加熱器圖7-5苯-甲苯溶液的T-x圖圖7-6苯-甲苯溶液的p-x圖舉例當(dāng)前第6頁\共有35頁\編于星期三\8點從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因

在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟性。在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應(yīng)關(guān)系。所選變量有足夠的靈敏度。當(dāng)前第7頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則被控變量的選擇原則①被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量。②被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。③盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。④被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。⑤選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。⑥被控變量應(yīng)是獨立可控的。

當(dāng)前第8頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定當(dāng)前第9頁\共有35頁\編于星期三\8點圖7-7精餾塔流程圖如果根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板（一般為靈敏板）的溫度作為被控變量。舉例圖7-8影響提餾段溫度各種因素示意圖影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有：進料的流量（Q入）、成分（x入）、溫度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液溫度（T回）、加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。通過工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。

當(dāng)前第10頁\共有35頁\編于星期三\8點圖7-9干擾通道與控制通道示意圖

干擾變量由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。對象特性對選擇操縱變量的影響對象特性——是指對象輸入量與輸出量之間的關(guān)系(數(shù)學(xué)模型)由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯(lián)系稱為通道控制變量至被控變量的信號聯(lián)系通道稱控制通道干擾至被控變量的信號聯(lián)系通道稱干擾通道當(dāng)前第11頁\共有35頁\編于星期三\8點典型的微分方程典型的階躍響應(yīng)曲線基本概念：對象特性參數(shù)水槽對象液位的變化曲線K――放大系數(shù)，在階躍輸入作用下，對象輸出達(dá)到新的穩(wěn)定值時，輸出變化量與輸入變化量之比，也稱靜態(tài)增益。K越大，表示輸入量對輸出量的影響越大。T――時間常數(shù)，在階躍輸入作用下，對象輸出達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)變化量的63.2％所需要的時間，時間常數(shù)T是反映響應(yīng)變化快慢或響應(yīng)滯后的重要參數(shù)。用T表示的響應(yīng)滯后稱阻容滯后（容量滯后）。

T大，反應(yīng)慢，難以控制；T小，反應(yīng)塊。當(dāng)前第12頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為ＫＯ擾動通道放大倍數(shù)為Ｋf

ＫＯ的大小表征了操縱變量對被控變量的影響程度Ｋf的大小表征了擾動對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，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，擾動通道的放大倍數(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。當(dāng)前第13頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設(shè)：控制通道的時間常數(shù)為Ｔo，純滯后時間為τo時間常數(shù)ＴO(shè)小，反映靈敏，控制及時，有利于克服干擾的影響時間常數(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，過渡時間增長純滯后時間τ0使操縱變量對被控變量的作用推遲了一段時間，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，過渡時間增長，控制質(zhì)量變壞。當(dāng)前第14頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）設(shè):擾動通道時間常數(shù)為Ｔf，純滯后為τf

對擾動通道特性的影響

ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf當(dāng)前第15頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則操縱變量的選擇被控變量（輸出量）擾動變量（輸入量）操縱變量（輸入量）用來克服干擾對被控變量的影響，實現(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被控變量影響最大的一個?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)Ｋ要盡量大一些，時間常數(shù)Ｔ適當(dāng)小些，滯后時間盡量小。不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動。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：當(dāng)前第16頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計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)、比較小的時間常數(shù)及盡可能小的純滯后時間。⑵系統(tǒng)主要擾動通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時間常數(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。當(dāng)前第17頁\共有35頁\編于星期三\8點測量變送問題----純滯后

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

為主管道，分管道的長度為主管道，分管道流體的流速測量元件的安裝位置當(dāng)前第18頁\共有35頁\編于星期三\8點測量變送問題----測量元件的時間常數(shù)

簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計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﹑更及時和更經(jīng)濟地測得被控變量．時間常數(shù)測量滯后當(dāng)前第19頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則測量變送問題----傳遞滯后⑴盡可能縮短傳送管線長度，一般氣壓信號管路長度不超過

300m，管徑應(yīng)大于６mm?；蛟跉饴?0m距離間加氣動繼動器，提高氣信號傳輸功率，減小傳輸時間。⑵采用氣-電、電-氣轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換傳遞，或用閥門定位器等。信號傳遞過程中引起的滯后克服傳遞滯后采取以下措施：當(dāng)前第20頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則控制器控制規(guī)律的選擇原則

對于一些對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。一般在對象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時，可選用比例（P）積分（I）微分（D）控制器。當(dāng)前第21頁\共有35頁\編于星期三\8點控制器的正、反作用確定控制器“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)。當(dāng)前第22頁\共有35頁\編于星期三\8點其作用方向一般都是“正”的，因為當(dāng)被控變量增加時，其輸出量一般也是增加的。其作用方向則隨具體對象的不同而各不相同。當(dāng)操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“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（即執(zhí)行器的輸入信號）增加時，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)閥接收的信號增加時，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，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，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，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。被控對象：測量元件及變送器：執(zhí)行器：控制器：當(dāng)前第23頁\共有35頁\編于星期三\8點控制器的正、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)。氣開閥安全要求：加熱鍋爐不能損害當(dāng)前第24頁\共有35頁\編于星期三\8點氣開閥控制器“正”、“反”作用選擇分析：安全要求：防止物料全部流光圖7-16液位控制當(dāng)前第25頁\共有35頁\編于星期三\8點控制器正、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)PZ正作用控制器當(dāng)前第26頁\共有35頁\編于星期三\8點例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液體不得外溢，請選擇閥的氣開、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)特性的選擇因為：工藝要求供氣中斷時液體不得外溢，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當(dāng)前第27頁\共有35頁\編于星期三\8點例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)特性因為：工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高，也就是說，供氣中斷時熱源關(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當(dāng)前第28頁\共有35頁\編于星期三\8點

控制好控制器的正、反作用，是確保整個自動控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的重要一環(huán)。正作用？反作用？圖7-17控制器正、反作用開關(guān)示意圖當(dāng)前第29頁\共有35頁\編于星期三\8點簡單控制系統(tǒng)的投運控制系統(tǒng)投運-----通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩庸ぷ鳡顟B(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)到自動工作狀態(tài)。準(zhǔn)備工作：1.詳細(xì)了解工藝，對投運中可能出現(xiàn)的問題有所估計。2.吃透控制系統(tǒng)的設(shè)計意圖。3.在現(xiàn)場，通過簡單的操作對有關(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.按無擾動切換（指手、自動切換時閥上信號基本不變）的要求將控制器切入自動。當(dāng)前第30頁\共有35頁\編于星期三\8點控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)整定-----對已定的控制系統(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%、積分時間TI、微分時間TD

）控制器的參數(shù)整定方法

理論計算參數(shù)整定法——已知廣義對象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)系統(tǒng)的各項質(zhì)量指標(biāo)要求，通過計算確定相應(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)上進行。

1）經(jīng)驗法2）衰減曲線法

3）臨界比例度法4）響應(yīng)曲線法當(dāng)前第31頁\共有35頁\編于星期三\8點控制器參數(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。圖7-18臨界振蕩過程當(dāng)前第32頁\共有35頁\編于星期三\8點