简单控制系统设计

1、2 2 简单控制系统设计简单控制系统设计一、控制系统设计概述一、控制系统设计概述1、基本要求控制系统设计人员有全面的自动化知识，同时熟悉工艺装置对象。自动化与工艺人员相互交流，确定控制方案。切忌盲目追求系统先进性和仪表装置先进性。设计要遵守有关的标准、行规。2、基本内容（1）确定控制方案 这是整个设计工作的核心，包括：被控变量的选择和确认、操纵变量的选择与确认、检测点的选择、绘制带控制点的工艺流程图，写出初步控制方案设计说明等文档。2、基本内容（2）仪表和装置选型 根据已经确定的控制方案进行选型，考虑因素：产品质量、价格、可靠性、精度、供货方便程度、技术支持、维护等。（3）相关工程内容设计 包

2、括控制室设计、供电和供气系统设计、仪表配管和配线设计及连锁保护系统设计等，提供相关图表。3、基本步骤（1）初步设计：目的是上报审批，并为订货作准备。（2）施工图设计：项目和方案批准后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。（3）设计文件和责任签字：包括设计、校核、审核、审定、各相关负责人签字等。（4）参与施工与试车。（5）设计回访。二、被控变量的选择二、被控变量的选择 被控变量选择是控制系统设计中关键问题。应该以工艺人员为主（因为对控制要求是从工艺要求提出的），并与自控人员讨论。 为了实现预期的工艺目标，往往有多个工艺变量或参数可以选择，此时应遵循以下原则： （1）尽量选择能直接反映产品质量的

3、变量作为被控变量（2）所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全和高效的要求。（3）必须考虑自动化仪表及装置的现状。（1）三、操纵变量的选择三、操纵变量的选择 选定被控变量后，要进一步确定控制系统的操纵变量（调节变量）。实际上，被控变量与操纵变量是要求一起综合考虑的。操纵变量选择应该遵循一些原则：（1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量（2）操纵变量应该是系统中所有被控对象的输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数k要尽量大，时间常数t适当小，滞后时间尽量小。 （3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。 如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽流

4、量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使得出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。（3）四、控制器及控制规律选择四、控制器及控制规律选择 控制系统中，仪表选型确定后：l 对象特性是固定的，不好改变。l 测量及变送器的特性比较简单，一般也不 好改变。l 执行器加上阀门定位器可有一定程度的调 整，但灵活性不大。 能够改变的参数就是控制器，系统设置控制器目的，是通过它改变整个控制系统的动态特性，达到控制的目的。 控制器的控制规律对控制质量影响很大。根据不同过程特性和要求，选择相应的控制规律，以获得较高的控制质量。 确定控制器的作用方向，以满足系统要求，也是系统设计的重要内容。四、控制器

5、及控制规律选择四、控制器及控制规律选择1 1、控制规律选择、控制规律选择 控制规律主要根据过程特性和要求来选：（1）位式控制 常见的位式控制有双位和三位两种。一般适用于滞后较小，负荷变化不大也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内波动的场合。如恒温箱、电阻炉等的温度控制等。（2 2）比例控制）比例控制 是最基本的控制规律，当负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但过渡过程结束时存在余差，且负荷变化越大余差也越大。 比例控制作用于控制通道滞后较小、时间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不大、控制质量要求不高、允许有余差的场合。如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的

6、蒸汽压力的控制等。（3 3）比例积分控制）比例积分控制 引入积分作用能够消除余差，因此比例积分控制是使用最多、应用最广泛的控制规律，但是，加入积分作用后要保持系统原有的稳定性，必须加大比例度（削弱比例作用），导致控制质量有所下降，如最大偏差和振荡周期相应增大，过渡时间加长。 对于控制通道滞后小、负荷变化不太大、工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制，采用该规律可获得较好的控制质量。（4 4）比例微分）比例微分 引入微分，会有超前作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量，适用于过程滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作

7、用。（5 5）比例积分微分）比例积分微分 微分作用对于克服容量滞后有显著效果，对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上增加微分作用能提高系统的稳定性，如再加上积分作用消除余差，又有 ，ti ， td三个参数可调，因此可以使得系统获得较高的控制质量，它适合容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。控制规律选择原则控制规律选择原则（1）当广义过程控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好效果，积分作用可消除余差，因此可选pid或pi控制规律，如温度过程，此时若选用pi控制规律则因积分作用滞后，控制质量差。（2）当广义过程控制通道存在纯滞

8、后，若用微分作用来改善控制质量是无效的。也就是说，微分作用对克服纯滞后是无能为力的。 （3）当广义过程控制通道的时间常数较小，系统负荷变化也较小时，为了消除余差，可以采用pi控制规律，如流量过程。控制规律选择原则控制规律选择原则（4）当广义过程控制通道的时间常数较小，而负荷变化很大时，采用微分和积分作用都容易引起振荡。如果控制通道时间常数很小，可以采用反微分作用来提高控制质量。（5）当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求，可以设计复杂控制系统来提高控制质量。控制规律选择原则控制规律选择原则2 2、控制作用方向选择、控制作用方向选择（1）方框的正反作

9、用方向方框的正作用方向方框的正作用方向，是指该方框的输入信号增加，输出信号增加；输入信号减小，输出信号减小。方框的负作用方向方框的负作用方向，是指该方框的输入信号增加，输出信号减小；输入信号减小，输出信号增加。 在控制系统方框图中，每一个方框都有作用方向问题。如作用方向为正，标注“”；如作用方向为负，标注“”。 对于测量仪表方框，由于测量值y总是随被控变量的增加而增加，被控变量减小而减小。所以该方框总是正作用方向，可标为“”。 对被控对象模块，则可能为正作用方向，也可能为反作用方向。 对于执行器，由于执行器中有改变作用方向的装置，因此它可能为正作用，也可能为反作用。它的选择取决于系统安全性。2

10、 2、控制作用方向选择、控制作用方向选择图83 正作用液位槽系统及方框图qi增加，h增加，对象为正作用图83 正作用液位槽系统及方框图图84 反作用液位槽系统及方框图qo增加，h减小，对象为反作用图84 因此，控制系统中，只有控制器的正、反作用可以改变，以保证整个控制系统是负反馈控制系统。（2）控制器方框的正反作用选择 控制器方框的正、反作用选择依据是使整个控制系统为负反馈，图83所示的控制系统的方框图如图85所示。因此，控制系统中，只图85 控制系统方框图根据前面的讨论，可以标出各方框的作用方向。图85 假设执行器也是正作用，此时，来确定控制器的作用方向。 如果h受到扰动而增加，则有： 另一

11、方面，h增加了，要使h减小，需要qi减小，而qi减小要求u减小。因此，控制规律方框应该是正作用。假设执行器也是正作用(3)(3)正作用控制器与反作用控制器正作用控制器与反作用控制器 由于控制器是由比较点和控制规律方框两部分组成，所以它的作用方向也由两个部分综合。比较点中测量信号前有一个“”，将这个符号与控制规律方框的作用方向相乘，就是控制器整机的作用方向。如上例子中，控制器就是反作用控制器。 如果两部分相乘为正，就是正作用控制器。五、执行器的选择五、执行器的选择1、控制阀结构类型及材质的选择。 根据操纵介质的工艺条件（温度、压力、流量等）及其特性（粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等）和控制系统

12、的不同要求来选用。表81 不同结构形式控制阀特点及适用场合表81 不同结构形式控制阀特点及适用场合2 2、控制阀气开、气关形式的选择、控制阀气开、气关形式的选择 考虑到阀的气源信号中断或者控制系统某环节失灵时，阀处于全开的位置安全还是处于全关的位置安全，具体由工艺确定。以下几条原则可以考虑：（1）从生产安全出发 如生产蒸汽的锅炉水位控制系统中的给水阀，为保证发生故障时不把锅炉烧坏，应采用气关阀门。（2）从保证产品质量出发 当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应该降低产品的质量。如精馏塔回流量控制阀采用气关式，一旦发生故障，控制阀处于全开状态，防止不合格产品蒸出，从而保证塔顶产品质量

13、。（2）从保证产品质量出发（3）从降低原料、成品、动力损耗来考虑 如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式，一旦控制阀失去能源就处于气关状态，不再给塔进料，以免造成浪费。（3）从降低原料、成品（4）从介质特点考虑 精馏塔釜加热蒸汽控制阀一般选用气开式，以保证控制阀在失去能源时处于关闭状态，从而避免能源浪费。但如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀应选用气关式以防控制阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。（4）从介质特点考虑3 3、控制阀流量特性选择、控制阀流量特性选择 控制阀的流量特性直接影响到系统的控制质量和稳定性，需要进行选择。选择控制阀的流量特性时，既要依据过程特性，还要结合系统配管情况。 控制阀的工作特性应根据过程特性来选择，其目的是使广义过程为线性。 若变送器的特性为线性，过程特性也近似线性，应选择线性工作特性的控制阀。 若变送器的特性为线性，而过程特性的放大倍数k是随操纵变量的增加而减小，则应选对数工作特性。3 3、控制阀流量特性选择、控制阀流量特性选择 依据工艺配管情况确定配管系数s后，可以从工作特性出发，确定理想特性。 当s10.6时，理想特性与工作特性几乎相同。当s=0.30.6时，无论是线