过程控制及仪表7

第三章单回路控制系统,过程控制及仪表,（过程控制系统篇）,1.单回路的组成、特点及应用场合；2.被控量的选择：直接参数、间接参数；3.操纵量的选择：放大系数对控制质量的影响；干扰通道和控制通道K、T、的影响,容量滞后的影响；操纵量的选择的选择原则。4.控制阀的选择：控制阀流量特性的选择；控制阀口径的计算；控制阀作用方式的选择,本章重点：,第一节概述,设定值和控制算法,单回路控制系统又称简单控制系统。它是由被控对象、检测元件及变送器、控制器和执行器组成一个闭合回路的反馈控制系统。,单回路控制系统的组成见图3-1和3-2,一、系统的组成,第一节概述,生产过程控制工程主要包括四部分内容：,二、控制系统的工程考虑,单回路的设计和整定方法是其他各类复杂控制系统的基础。,适用于被控对象滞后时间较小、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不很高的场合。,单回路的应用场合：,单回路控制系统是所有过程控制系统中最简单、最基本、最成熟、应用最广泛的一种。,单回路控制系统的特点：,1.方案设计,合理选择操纵量和被控量，处理好不同控制系统间的关联影响。,仪表选型，仪表盘设计，动力设计，信号系统设计，仪表防护设计，绘制相应的图纸。,4.整定控制器的PID参数,3.工程安装、单机仪表及系统联校,2.工程设计,第一节概述,第二节被控量和操纵量的选择,c,c,o,o,K,),S,(,W,Ts,K,),S,(,W,=,+,=,控制器传函：,控制通道传函：,设：,（一）干扰通道静态特性（放大系数）对控制质量的影响,选择操纵量的依据：以被控对象特性参数（K、T、）对控制质量的影响为依据，选择操纵量,二、操纵量的选择,间接参数：与直接参数具有单值关系（P、T等），并有足够灵敏度,直接参数：能表征产品产量、质量、安全性能等方面的参数。,（系统设计方案的核心部分）,一、被控量的选择,1,第二节被控量和操纵量的选择,),S,(,D,),S,(,W,),S,(,W,1,),S,(,W,),S,(,R,),S,(,Y,),S,(,R,),S,(,E,),S,(,W,),S,(,W,1,),S,(,W,),S,(,D,),S,(,Y,1,S,T,(,1,S,T,K,),S,(,W,o,c,d,o,c,d,2,1,d,d,+,-,=,-,=,+,=,+,+,=,控制系统的偏差为：,相对于扰动输入，系统闭环传函为：,）,）,（,干扰通道传函：,余差为：,由终值定理可求出系统,因而，,对于定值系统，,),S,(,D,),S,(,W,),S,(,W,1,),S,(,W,s,lim,),s,(,sE,lim,),t,(,e,lim,),e(,C,),S,(,D,),S,(,W,),S,(,W,1,),S,(,W,),S,(,E,0,),S,(,R,o,c,d,0,s,0,s,t,o,c,d,+,-,=,=,=,=,+,-,=,=,注：对某一控制系统来说，KoKc有一最佳值，因此，Ko小可加大Kc来补偿。,大，控制作用强。,大一点。,，,选择操纵量时，使,Kc大一点好。,越小越好，,由此可见，,，因而，,对于阶跃函数，有,K,K,K,K,K,K,K,1,K,-,C,s,1,),S,(,D,o,o,d,o,d,o,c,d,+,=,=,第二节被控量和操纵量的选择,第二节被控量和操纵量的选择,（二）、干扰通道动态特性对控制质量的影响,将提高。,节数增加时，控制质量,，或者惯性环,干扰通道的时间常数大,结论：,制质量提高。,倍，即超调量减小，控,小了,减,使过渡过程动态分量,过程时间加长。,增大，过程变慢，过渡,极点的影响：,。,，见图,增加了一个极点,）,（,系统的特征方程为：,）,（,干扰通道为一阶惯性环节，则有：,中，设各环节放大系数均为1，,在图,1、时间常数对控制质量的影响,T,.,2,T,.,1,5,3,T,1,0,),S,(,W,),S,(,W,1,T,1,S,),S,(,W,),S,(,W,1,T,1,S,1,T,1,),S,(,W,),S,(,W,1,),S,(,W,),S,(,D,),S,(,Y,3,-,3,d,d,d,o,c,d,o,c,d,d,o,c,d,-,-,=,+,+,+,+,=,+,=,第二节被控量和操纵量的选择,2.滞后时间对控制质量的影响,S,D,S,D,S,D,.,t,y,y(t),e,),S,(,W,),S,(,W,),S,(,D,),S,(,W,S,Y,e,),S,(,W,),S,(,W,),S,(,W,),S,(,D,),S,(,Y,3,2,1,dc,do,do,S,o,c,d,S,o,c,d,do,do,do,）最大。,（,）次之，,（,，,）对被控量的影响最小,（,。,、,见图,量的影响,干扰作用位置对控制质,致。,的影响：与时间常数一,容量滞后,不影响控制系统的质量。,因此,）,（,其时间响应为,）,（,或,为,，系统的闭环传递函数,时间,设干扰通道存在纯滞后,7,3,6,3,3,1,1,-,-,-,=,+,=,+,=,-,-,t,t,t,t,t,t,第二节被控量和操纵量的选择,获得更好的控制质量。,扰信号远离被控量，以,选择操纵量时，应使干,干扰通道具有的惯性环节阶数增加，对干扰信号的缓和作用越强，控制质量越高,第二节被控量和操纵量的选择,4.干扰幅值大小对控制质量的影响:,太小时，易引起振荡（振荡衰减过程）。时间常数太大时，应考虑更复杂的控制系统。,时间常数小，控制作用强，克服干扰快，过度过程时间短，但时间常数,1、时间常数T对控制质量的影响,（三）、控制通道动态特性对控制质量的影响,稳定该参数。,单独设计一控制系统来,当干扰幅值太大时，需要,干扰幅值越大，影响越大。,T太小时,可以考虑如下措施：1、尽量选择快速检测元件、控制器、执行器。2、使用反微分环节适当降低控制通道的灵敏度。3、可能时，改变系统工艺，增大控制通道时间常数。,第二节被控量和操纵量的选择,压力检测点,第二节被控量和操纵量的选择,2.滞后时间对控制质量的影响,还可以用图3-11来说明。,对系统动态品质的影响，,。,点，使系统变的不稳定,）,，,（,频率特性曲线可能包围,增大，,较大时，或随着,知，当,。分析可,其频率特性见图,函数为：,时，即系统的开环传递,若对象存在纯滞后,。,特性见图,定的。频率,多大，闭环系统总是稳,知，不管,由奈氏稳定判据可,：,时，其开环传递函数为,。当对象不存在纯滞后,见图,0,j,1,K,K,10,3,e,1,TS,K,K,),S,(,W,),S,(,W,),S,(,W,10,3,K,K,1,TS,K,K,),S,(,W,),S,(,W,),S,(,W,9,3,0,c,o,0,s,c,o,o,c,k,0,c,o,c,o,o,c,k,0,t,-,t,-,+,=,=,t,-,+,=,=,-,t,-,第二节被控量和操纵量的选择,第二节被控量和操纵量的选择,3.时间常数匹配对控制质量的影响,容量滞后会使系统的最大偏差变大，采用微分作用克服容量滞后的影响最有效。,越小越好。,间,常数适当小些。滞后时,尽量使控制通道的时间,结论：选择操纵量时，,量。,加，降低系统的控制质,，但会使超调量大大增,容量滞后有一定的作用,虽然对,，如果加大放大系数，,系统控制质量非常不利,只是反应非常缓慢，对,扰动有一定的反应，,则不同，此时，系统对,量滞后,动没有任何反应，但容,的时间内，系统对扰,纯滞后,影响：对于纯滞后，在,容量滞后对控制质量的,C,0,t,t,。,越大，系统的控制质量越高。,指标。,被定义为系统的准品质,的乘积,与临界振荡频率,的临界放大系数,准品质指标：控制系统,K,K,K,k,m,k,m,k,m,w,w,w,第二节被控量和操纵量的选择,。,例：三阶对象见图,12,3,-,表3-1时间常数匹配对质量的影响,结论：减小T3或同时减小T2、T3效果好。,第二节被控量和操纵量的选择,选择操纵量的一般原则：,5、尽可能避免几个时间常数相等或相近，他们越错开越好。,4、应尽量使干扰远离被控量而向执行器靠近；,3、控制通道的放大系数应大于干扰通道；,2、干扰通道的时间常数越大越好。控制通道时间常数应适当的小些，纯滞后时间越小越好；,1、操纵量应具有可控性、工艺操作合理性、经济性；,第二节被控量和操纵量的选择,乳化物dG,风量dQ,蒸汽量dP,T=5s,析以上三个量的影响。,下面从控制质量方面分,最不灵敏。,之，蒸汽压力量干扰,次,著，风量干扰,对出口温度的影响最显,分析：乳化物流量干扰,操纵量的选择：见后面方案,间接参数,。,气体温度,出口,被控量的选择：干燥筒,。,见图,工艺过程及主要参数,系统,例：喷雾式干燥筒控制,d,d,d,),(,t,13,-,3,P,