过程控制工程第一章单回路控制系统

1、 单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统 工作过程：工作过程： A.CA.C 控制器控制器控制阀控制阀 被控被控 对象对象 测量测量 变送变送 偏差偏差 给定给定 测量测量 液位液位 给定量位于系统的输入端，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。也称为参考输入量（信号）。也称为参考输入量（信号）。 被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入统的输入端，使之与输入 量进行比较，产生量进行比较，产生偏差偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信

2、号。输出量的（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的 返回过程称为返回过程称为反馈反馈。返回的全部或部分输出信号称为。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号反馈信号。 维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好 偏差控制：纠正偏差偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统占大多数过程工业中，此类系统占大多数 按被控参数分类：按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控制回路 单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统 1.1 单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成

3、1.2 被控变量的选择被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究 控制系统的设计目标控制系统的设计目标 被

4、控变量的选择被控变量的选择 即，要控制什么即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果直接影响基于工艺要求，选择的结果直接影响 生产（产品产量、质量、生产安全）生产（产品产量、质量、生产安全） 最基本的热工参数，一般是可以直最基本的热工参数，一般是可以直 接进行测量和控制的参数接进行测量和控制的参数 温度、压力、液位、流量温度、压力、液位、流量 质量指标，以及一些特殊的参数质量指标，以及一些特殊的参数 成份、物性参数等，在一般条件下，成份、物性参数等，在一般条件下， 无法直接测量和控制无法直接测量和控制 应根据工艺参数的关系，用可应根据工艺参数的关系，用可 测的参数，间接进行控制测的参数，间接进行

5、控制 苯、甲苯二元精馏系统苯、甲苯二元精馏系统 质量指标是最重要的控制参数质量指标是最重要的控制参数 如塔顶产品的纯度如塔顶产品的纯度 x xD D 但但 x xD D 目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。 根据精馏原理，根据精馏原理，x xD D = f (T = f (TD D, p), , p), 即与温度和压力成非线性函数即与温度和压力成非线性函数 关系。关系。 理论上，固定一项，就可用另一项控制理论上，固定一项，就可用另一项控制x xD D 。 一般的，实际中都采用恒定一般的，实际中都采用恒定p p，通过控制塔顶温度

6、来控制塔顶成分，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。 选择原则：选择原则： （1 1） 测量滞后测量滞后 P P （2 2） 工艺合理性工艺合理性 T T 工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率 各块塔板压力恒定，各块塔板压力恒定，X XD D与与T T有对应关系有对应关系 选择选择X XD D=F=F（T T） PTfX D , 0 50 100%0 50 100% D X P一定 T一定一定 D X 精馏塔精馏塔: : F1 F2 Fn Y 必须从影响被控量的诸多影响参数中必须从影响被控量的诸多影响参数中 选择一个，作为选择一个，作为操纵变

7、量操纵变量 其它影响量则只能视作其它影响量则只能视作干扰量干扰量了了 用操纵量克服干扰量对被控变量的影响用操纵量克服干扰量对被控变量的影响 F F1 1(s)(s)F F2 2(s)(s) U(s)U(s)Y(s)Y(s) Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s) 干扰作用下的闭环传递函数为：干扰作用下的闭环传递函数为： 结论：结论： 越大，系统的余差也越大，越大，系统的余差也越大， 控制质量越差控制质量越差 分析过程：分析过程： 结论：结论：越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统 的动态偏

8、差越小，的动态偏差越小， 控制质量提高控制质量提高 干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变 量的影响也越大量的影响也越大 ( )()y ty t 干扰通道特性对控制质量的影响 特性参数静态质量的影响动态质量的影响 Kf增加余差增加无影响 Tf增加无影响过渡过程时间减小，振 荡幅值减小 f增加无影响无影响 静态静态：控制通道放大倍数控制通道放大倍数K K0 0大，控制系统稳态余差小，见式（大，控制系统稳态余差小，见式（1-71-7） 动态动态：控制系统衰减比控制系统衰减比与与Kc Kc 与与K K0 0的乘积有关，见式（的乘积有关，见

9、式（1-181-18），且），且 Kc KKc K0 0越大，越大，越小，稳定性差，因此，要保证越小，稳定性差，因此，要保证Kc KKc K0 0= =常数。常数。 在在Kc KKc K0 0= =常数情况下，控制系统稳态余差不变。常数情况下，控制系统稳态余差不变。 从控制角度看，从控制角度看，K K0 0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节， 因此，一般希望因此，一般希望K K0 0大些好大些好 从控制系统传递函数推导进行分析从控制系统传递函数推导进行分析 结论：结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作控制通道的时间常数大，经过

10、的容量数多，系统的工作 频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。 一般希望控制通道时间常数小些好。一般希望控制通道时间常数小些好。 但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性 变差，如流量系统变差，如流量系统 结论：结论：纯滞后纯滞后 的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，的存在，使得控制不及时，增加动态偏差， 降低稳定性。降低稳定性。 控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控 制系统品质，以至于使控制系统

11、发散，造成严重后果，因此，制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此， 实际工程中，必须重视。实际工程中，必须重视。 兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也 不宜作为操纵变量。不宜作为操纵变量。 实质上是决定了控制通道的选择。实质上是决定了控制通道的选择。 原则：原则： （1 1） 操纵变量必须可控操纵变量必须可控 （2 2） 选择通道放大倍数相对大的选择通道放大倍数相对大的 （3 3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道）选择通道时间常数相对小的（干扰通道 时间常数大些）时间常数大些） （4 4）选择通道的纯滞后尽量小）选择通道的

12、纯滞后尽量小 （5 5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀 控制通道特性对控制质量的影响图 特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响 K0增加余差减小（稳定前 提下） 系统趋向于振荡 T0增加无影响过渡过程时间增加，系统 频率变慢 0增加无影响稳定程度大大降低 流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度 之间的关系之间的关系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相对流量相对流量 f(L/Lmax)相对开度相对开度 一般的，生产负荷变化一般的，生产负荷变化对象特性发生变化对象特性发生变化 如

13、，热交换器：如，热交换器： 负荷（被加热的流体）增大：负荷（被加热的流体）增大： 通过热交换器的时间缩短，通过热交换器的时间缩短， 纯滞后减小；纯滞后减小； 特性改变特性改变 流速增大，传热效果变好流速增大，传热效果变好 控制系统投运时，已经整定好了控制系统投运时，已经整定好了PIDPID参数，一旦对象参数，一旦对象 特性发生变化时，原来好的特性发生变化时，原来好的PIDPID参数就变得不好了参数就变得不好了 （1 1）选择自整定调节器，代价大）选择自整定调节器，代价大 （2 2）通过控制阀的特性选择进行弥补）通过控制阀的特性选择进行弥补 K 1 / KK 1 / K0 0G G0 0 如对象

14、负荷静态部分如对象负荷静态部分K K0 0与控制阀流量与控制阀流量F F成反比，成反比， 对象负荷动态部分对象负荷动态部分G G0 0与控制阀流量与控制阀流量F F成正比，成正比， 控制阀特性取线性；控制阀特性取线性； P15 P15 表表1-1 1-1 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择 课本课本P15P15分析的例子分析的例子 P16 P16 表表1-2 1-2 控制阀流量特性经验选择控制阀流量特性经验选择 解决办法：解决办法： 直通单座、直通双座、角阀、高压阀、直通单座、直通双座、角阀、高压阀、 蝶阀、蝶阀、 隔膜阀、三通阀隔膜阀、三通阀 适用于不同工艺场合适用于不同工艺场合 表表

15、1-41-4 A B C 控制阀的辅助装置控制阀的辅助装置 接受控制器信号，输出控制控制阀接受控制器信号，输出控制控制阀 作用：作用： 提高控制阀控制精度，准确定位；提高控制阀控制精度，准确定位； 功率放大；功率放大； 可改变控制阀流量特性；可改变控制阀流量特性； 可实现分程控制可实现分程控制 控制质量：控制质量： 系统的稳定性系统的稳定性 系统的静态误差系统的静态误差 系统的动态误差系统的动态误差 PID 三作用控制器三作用控制器 PID：Proportional Integral Derivative PID控制对偏差信号对偏差信号 (t)进行比例、积分和微分进行比例、积分和微分 运算变换

16、后形成的一种控制规律。运算变换后形成的一种控制规律。 0 1 t pd i d u tKe tedTe t Tdt 其中： Kpe (t) 比例控制项，比例控制项， Kp 为比例系数为比例系数 积分控制项，积分控制项，T Ti 为积分时间常数为积分时间常数； 0 1 t i ed T 微分控制项，微分控制项， d 为微分时间常数为微分时间常数； d d Te t dt PIDPID控制的传递函数：控制的传递函数： ( )1 ( )1 ( ) cpd i U s G sKT s E sTs PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最 为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成 了一套

17、完整的控制方法和典型结构。 在很多情形下，PID 控制并不一定需要全部的三项控 制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、 PD 或PID 控制。显然，比例控制部分是必不可少的。 PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大 多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。 PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程 控制中取得了满意的应用效果。 R(s)E(s) Gc(s) Go(s) F(s) F(s) Go(s)E(s) Gc(s) 22 22 (1)(21) ( ) (1)(21) okll o v ijj KT sT sTs G s sTsT sT s ( )1/F

18、 ss 00 1 lim ( )lim( )lim ( ) tss c e tsE s G s 终值定理： 1 ( )11 c cci ii K G sKTs TsTs 结论结论： 当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍 数成反比，即与比例度成正比，比例度数成反比，即与比例度成正比，比例度越大，越大， 余差越大；余差越大； 当控制器引入积分作用时，可消除余差；当控制器引入积分作用时，可消除余差； 微分作用对余差没有影响。微分作用对余差没有影响。 0c uK eu 0 t y(t) 0 1 c i uKeedtu T 0 t y(t) P P、I I、D

19、 D三参数相互配合三参数相互配合控制器参数整定控制器参数整定 0cD de uKeTu dt 提馏段温度与塔底液位控制系统提馏段温度与塔底液位控制系统 TC LC Gc1(s) Gcn(s) R1(s) nn Rn(s) Y1(s) Yn(s) U1(s) Un(s) ji Gc1(s) Gc2(s) R1(s) R2(s) Y1(s) Y2(s) U1(s) U2(s) Gc1(s) Gc2(s) R1(s) R2(s) Y1(s) Y2(s) U1(s) U2(s) u u y 1 1 y u y 1 1 相对增益的计算：相对增益的计算： 相互关联程度 i j ij i j y u u y

20、 y u i j i j y u u y y u ij ij0 1 1， ij ij1 1， ij ij=0 =0 ij， ij ij 1 T KK PC F C Gc(s)Gv(s)Go(s) Gm(s) R(s)E(s)Y(s) L C 一般，对于仪表控制器，都带有正反作用开关，一般，对于仪表控制器，都带有正反作用开关， 对于计算机控制，可以通过程序设置对于计算机控制，可以通过程序设置 0 25 ( ) (41)(201) G s ss （1 1）临界比例度法）临界比例度法 步骤：步骤： 系统闭环系统闭环 TITI最大、最大、TDTD最小最小 （没有积分、微分作用）（没有积分、微分作用）

21、比例度比例度放到放到100%100%（K=1K=1），由大往小逐渐改变，每改变一），由大往小逐渐改变，每改变一 次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y Y 的变化的变化 若若Y Y衰减振荡，则继续减小衰减振荡，则继续减小；若；若Y Y发散振荡，则应增大发散振荡，则应增大 当当Y Y出现等幅振荡（临界振荡），此时出现等幅振荡（临界振荡），此时kk称为临界比例度，称为临界比例度， 振荡周期振荡周期TkTk称为临界周期。称为临界周期。 有了有了k和和Tk后，按经验公式确定后，按经验公式确定、Ti、TD，按此参数可使控制系统，按此参数可使控制系统 呈呈4：1衰减。若还有差距，可适当调整衰减。若还有差距，可适当调整 0 t Tk 等幅振荡曲线等幅振荡曲线 临界周期临界周期 %Ti，minTD，min P 2k PI2.2k0.85Tk PID1.7k0.5Tk0.13Tk 。 （2 2） 与临界法类似与临界法类似 4 4：