第6章 简单控制系统

1、1第第3篇篇 过程控制系统过程控制系统o 第第6章章 简单控制系统简单控制系统o 第第7章章 复杂控制系统复杂控制系统o 第第8章章 先进控制系统先进控制系统自动化自动化仪表仪表“化工仪表自动化化工仪表自动化”2PID如如何选择？何选择？气开、气气开、气关如何选关如何选择？择？ 第第6章章 简单控制系统简单控制系统须解决的几个问题：须解决的几个问题：操纵操纵变量变量如何选如何选择？择？如何选如何选择？择？如何构如何构成负反成负反馈？馈？测量仪测量仪表如何表如何选择？选择？3 第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统p什么是简单控制系统？什么是简单控制系统？ 简单控制系统简单控制系统，又称为单回

2、路反馈控制系统，是，又称为单回路反馈控制系统，是指由指由一个测量变送器一个测量变送器、一个控制器一个控制器、一个执行器一个执行器和和一个被控对象一个被控对象组成的组成的单回路闭环负反馈控制系统单回路闭环负反馈控制系统。 4例：例：5例：例：6p小结小结简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行工作的。工作的。简单控制系统简单控制系统组成自动化装置各环节的设备数量组成自动化装置各环节的设备数量均为一个，它们与被控对象有机地构成一个闭环系均为一个，它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。统。 p简单控制系统特点简单控制系统特点具有结构简单、工作可靠、所需自动

3、化工具少、具有结构简单、工作可靠、所需自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优点，是目前应用投资成本低、便于操作和维护等优点，是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。最多也是最为成熟的过程控制系统。7PID如如何选择？何选择？气开、气气开、气关如何选关如何选择？择？操纵操纵变量变量如何选如何选择？择？如何选如何选择？择？如何构如何构成负反成负反馈？馈？问题一：问题一： 被控变量的选择问题被控变量的选择问题测量仪测量仪表如何表如何选择？选择？8p被控变量的选择可以遵循下面几个原则：被控变量的选择可以遵循下面几个原则：1 1、能直接反映生产能直接反映生产过程过程产量和质量的工艺参数作为被产量

4、和质量的工艺参数作为被 控变量控变量。 9例：例：苯、甲苯二元精馏系统示意图苯、甲苯二元精馏系统示意图无浓度无浓度传感器传感器苯苯甲苯甲苯p被控变量的选择可以遵循下面几个原则：被控变量的选择可以遵循下面几个原则：2、当不能用直接参数作为被控变量时，选择与直接参数、当不能用直接参数作为被控变量时，选择与直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控变量。有单值对应关系的间接参数作为被控变量。 10在二元精馏系统中，塔顶易挥发物组分的浓度在二元精馏系统中，塔顶易挥发物组分的浓度X XD D，塔顶温塔顶温度度T TD D和压力和压力P P三者之间有一定关系三者之间有一定关系。当压力恒定时，组分当压力恒定时

5、，组分 XD和温度和温度TD之间存在单值对应关系。之间存在单值对应关系。当温度当温度TD 恒定时，组分恒定时，组分XD和压力和压力P之间也存在单值对应关之间也存在单值对应关系。系。塔压固定有利于生产，所以：选择塔板温度作为间接被塔压固定有利于生产，所以：选择塔板温度作为间接被控变量。控变量。11p被控变量的选择可以遵循下面几个原则：被控变量的选择可以遵循下面几个原则：3 3、选择间接参数作为被控变量时，应该具有足够大灵敏度，、选择间接参数作为被控变量时，应该具有足够大灵敏度，以便能反映直接指标参数的变化。以便能反映直接指标参数的变化。4 4、注意控制系统间的关联问题，选择的被控变量应该是独立、

6、注意控制系统间的关联问题，选择的被控变量应该是独立可调的。解决办法：可调的。解决办法：解耦控制系统解耦控制系统12PID参参数如何数如何选择？选择？气开、气气开、气关如何选关如何选择？择？操纵操纵变量变量如何选如何选择？择？如何选如何选择？择？如何构如何构成负反成负反馈？馈？问题二：操纵变量的选择问题问题二：操纵变量的选择问题测量仪测量仪表如何表如何选择？选择？13p选择操纵变量的原则：选择操纵变量的原则： 1 1操纵变量必须是可控的。操纵变量必须是可控的。14p选择操纵变量的原则：选择操纵变量的原则： 2 2操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和生操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和生产的

7、经济性。产的经济性。3 3操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。（要求调节通道：放大系数更加灵敏。（要求调节通道：放大系数K K较大，时较大，时间常数间常数T T较小，纯滞后时间较小，纯滞后时间越小越好越小越好）操纵变量操纵变量干扰变量干扰变量15PID如如何选择？何选择？气开、气气开、气关如何选关如何选择？择？操纵操纵变量变量如何选如何选择？择？如何选如何选择？择？如何构如何构成负反成负反馈？馈？问题三：测量仪表如何选择？问题三：测量仪表如何选择？测量仪测量仪表如何表如何选择？选择？16一、测量变送问题对控制质量的影响一、测量变送问题对控制

8、质量的影响 p关键问题：关键问题：测量变送中的纯滞后问题测量变送中的纯滞后问题测量纯滞后是指：被控变量受干扰后，测量环节不能立测量纯滞后是指：被控变量受干扰后，测量环节不能立即检测，而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。即检测，而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。p造成测量纯滞后的原因有：造成测量纯滞后的原因有： （1）测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏敏 变化区；变化区； （2）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在在 理想的测量点；理想的测量点； （3）成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后；）成分

9、和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后； （4）测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后；）测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后； （5）测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。）测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。 17二、克服测量变送问题的措施二、克服测量变送问题的措施1选择快速测量元件选择快速测量元件p某化工厂有一反应器，如某化工厂有一反应器，如图图 6-8 所示。所示。工艺要求反工艺要求反应温度在给定值的应温度在给定值的3以以内，产品质量符合要求。内，产品质量符合要求。用时间常数用时间常数 100 秒传感秒传感器测温，反应温度在器测温，反应温度在2之内，产品总不合格，说明之内，产品总不合格，说

10、明实际温度波动已超出工艺范实际温度波动已超出工艺范围。围。改用时间常数为改用时间常数为 5 秒热电偶测温，反应温度波动仍秒热电偶测温，反应温度波动仍在在2之内，但产品质量符合要求。之内，但产品质量符合要求。182选好检测点位置选好检测点位置 检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有代表性的位置。代表性的位置。3正确使用微分单元正确使用微分单元 若测量滞后大，可串接微分单元。若测量滞后大，可串接微分单元。4正确选择、安装和使用测量装置正确选择、安装和使用测量装置正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小到最低限

11、度，有利于提高控制精度和质量。到最低限度，有利于提高控制精度和质量。19PID如如何选择？何选择？气开、气气开、气关如何选关如何选择？择？操纵操纵变量变量如何选如何选择？择？如何选如何选择？择？如何构如何构成负反成负反馈？馈？问题四：执行器如何选择？问题四：执行器如何选择？测量仪测量仪表如何表如何选择？选择？20一、一、 阀流量特性的选择阀流量特性的选择21执行器：为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧执行器：为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧坏，选用坏，选用气开式气开式。二、执行器开、闭形式的选择二、执行器开、闭形式的选择p气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统气动执行器有气开和

12、气关两种工作方式。在控制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具体的生产工艺来中，选用气开式还是气关式，主要由具体的生产工艺来决定。决定。例：如图所示例：如图所示加热炉，为保加热炉，为保证加热炉的安证加热炉的安全，防止加热全，防止加热炉中加热管烧炉中加热管烧坏。坏。22从锅炉安全考虑，防止因给水中断导致锅炉烧坏，从锅炉安全考虑，防止因给水中断导致锅炉烧坏，应选择应选择若考虑锅炉后续透平设备的安全，防止蒸汽带液，若考虑锅炉后续透平设备的安全，防止蒸汽带液，应选应选 例：例：透平透平设备设备气关式气关式气开式气开式23 执行器：为保护储罐内物料的安全，防止储罐物料全执行器：为保护储罐内物料的安全，防

13、止储罐物料全部流走，采用部流走，采用: :练习题：练习题：气开式气开式24执行器选择几条原则执行器选择几条原则:1、首先要考虑生产的安全。、首先要考虑生产的安全。2、有利于保证产品的质量。、有利于保证产品的质量。3、有利于降低原料成本和节能。、有利于降低原料成本和节能。选择时还需注意两点：选择时还需注意两点：1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。的结果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的选择结果。同的选择结果

14、。25PID如如何选择？何选择？气开、气气开、气关如何选关如何选择？择？操纵操纵变量变量如何选如何选择？择？如何选如何选择？择？如何构如何构成负反成负反馈？馈？问题五：控制器问题五：控制器PID如何选择？如何选择？测量仪测量仪表如何表如何选择？选择？26一、控制规律的选择一、控制规律的选择 1 1比例控制规律比例控制规律( (P) P) 具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。u u是输出变化量，是输出变化量，e是输入变化量是输入变化量, Kc为比例放大为比例放大系数。系数。p比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大，比例控制器适用于调节通道滞后较

15、小、负荷变化不大，控制要求不高，被控变量允许在一定范围内有余差的控制要求不高，被控变量允许在一定范围内有余差的场合。场合。 CueK27 2比例积分控制规律比例积分控制规律(PI)具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器。器。 1()CiueedtKT式中式中Ti为积分时间。为积分时间。 p比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。不允许有余差的场合。283 3比例积分微分控制规律

16、（比例积分微分控制规律（PIDPID）具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为 PID PID 控制器，又称三作用控制器。控制器，又称三作用控制器。 式中式中Td 为微分时间。为微分时间。 p适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。对控制质量要求较高的场合。1()dCideueedtTdtKT29PID如如何选择？何选择？气开、气气开、气关如何选关如何选择？择？操纵操纵变量变量如何选如何选择？择？如何选如何选择？择？如何构如何构成负反成负反馈？馈？问题六：如何构成负反馈控制系统

17、？问题六：如何构成负反馈控制系统？测量仪测量仪表如何表如何选择？选择？30控制器正反作用的选择控制器正反作用的选择o 判别准则：系统中各环节规定符号的乘积为判别准则：系统中各环节规定符号的乘积为负，则该系统为负反馈系统。负，则该系统为负反馈系统。o 满足判别式：满足判别式：（控制器）（执行器）（被控对象）（控制器）（执行器）（被控对象）（变送器）（变送器）=（）（） 31一、各环节正负的定义：一、各环节正负的定义：执行器：执行器：阀门开度随控制器输出信号的增加而增大阀门开度随控制器输出信号的增加而增大（气开式）为（气开式）为“+”，开度随控制器输出信号的增加，开度随控制器输出信号的增加而减小（

18、气关式）为而减小（气关式）为“”；对象：对象：被控变量随操纵变量的增加而增加为被控变量随操纵变量的增加而增加为“+”，随操纵变量的增加而减小为随操纵变量的增加而减小为“”； 变送器变送器：变送器输出随被控变量的增加而增加为：变送器输出随被控变量的增加而增加为“+” ，随被控变量的增加而减小为，随被控变量的增加而减小为“”。通常情。通常情况下变送器环节取况下变送器环节取“+”；32 二、控制器正、反作用的确定二、控制器正、反作用的确定 p工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式。作方式。p控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不控制器设置正、反作用的

19、目的是为了适应对不同被控对象实现闭环负反馈控制的需要。同被控对象实现闭环负反馈控制的需要。控制器：控制器：控制器的输出信号随着被控变量的增大控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时，控制器工作于正作用方式为而增加时，控制器工作于正作用方式为“+”；控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控制器工作于反作用方式为控制器工作于反作用方式为“” 。33执行器执行器为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为为“+”。对象对象出口温度随燃料的增加而升高，符号为出口温度随燃料的增加而升高，符号为 “ +”。变送器变送器输出信

20、号随温度的升高增加，符号为输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。p为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“”，所以应该选择反作用控制器。，所以应该选择反作用控制器。例例1：1，从加热炉安，从加热炉安全考虑，防止炉全考虑，防止炉内管线烧裂，选内管线烧裂，选择气开，气关阀？择气开，气关阀？2，选择控制器，选择控制器+-，构成负反馈。，构成负反馈。34 执行器执行器为了防止在供气中断时物料全部流走，采用了为了防止在供气中断时物料全部流走，采用了 气开式，故符号为气开式，故符号为“+”。对象对象当流出量增加，液位是下降的，符号取为当流出量增加，液位是

21、下降的，符号取为“”。 变送器变送器输出信号随液位的升高增加，输出信号随液位的升高增加，符号为符号为“+”。p控制器必须选择正作用控制器必须选择正作用“+ +”，才能构成负反馈控制系，才能构成负反馈控制系统。统。 例例2：1，从储罐安全考虑，从储罐安全考虑，为了防止在供气中断为了防止在供气中断时物料全部流走，选时物料全部流走，选择气开，气关阀？择气开，气关阀？2，选择控制器，选择控制器+-，构成负反馈。构成负反馈。35执行器执行器从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧干，应选择从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧干，应选择气关式，气关式，“- -”。对象对象当流入量增加，液位是增加的，符号取为当

22、流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。 变送器变送器输出信号随液位的升高增加，符号为输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器控制器必须选择正作用必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。，才能构成负反馈控制系统。 练习题练习题1 1：1，从锅炉安，从锅炉安全考虑，防止全考虑，防止因断水导致锅因断水导致锅炉烧干，选择炉烧干，选择气开，气关阀？气开，气关阀？2，选择控制，选择控制器器+-，构成负，构成负反馈。反馈。36闭环负反馈系统闭环负反馈系统分析：分析：例例1：画如图控：画如图控制系统的方块图？制系统的方块图？并分析：当被加并分析：当被加热的物料量突然热的物料量突然增加，控制系统

23、增加，控制系统如何克服扰动。如何克服扰动。37执行器执行器为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为为“+”。对象对象出口温度随燃料的增加而升高，符号为出口温度随燃料的增加而升高，符号为 “ +”。变送器变送器输出信号随温度的升高增加，符号为输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。p为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“”，所以应该选择反作用控制器。，所以应该选择反作用控制器。闭环负反馈系统闭环负反馈系统分析：分析：例例1：画如图控：画如图控制系统的方块图？制系统的方块图？并分析：当被加并分析：当被加热的物

24、料量突然热的物料量突然增加，控制系统增加，控制系统如何克服扰动。如何克服扰动。38分析：分析：物料量突然物料量突然物料温度物料温度温度变送器输出信号温度变送器输出信号 偏差信号偏差信号控制器输出信号控制器输出信号气开阀开度气开阀开度燃料气燃料气对象：物料温度对象：物料温度闭环负反馈系统闭环负反馈系统分析：分析：例例1：画如图控：画如图控制系统的方块图？制系统的方块图？并分析：当被加并分析：当被加热的物料量突然热的物料量突然增加，控制系统增加，控制系统如何克服扰动。如何克服扰动。+-39p在控制系统的设计、安装或检修之后，下步工作是在控制系统的设计、安装或检修之后，下步工作是如何将控制系统投运。

25、为了保证控制系统能顺利地一如何将控制系统投运。为了保证控制系统能顺利地一次投运成功，通常涉及到以下几个步骤：次投运成功，通常涉及到以下几个步骤： 1 作好准备工作；作好准备工作； 2 线路和管路的核查；线路和管路的核查； 3 各种自动化仪表的检查；各种自动化仪表的检查； 4 测量仪表和执行器的投运；测量仪表和执行器的投运； 5 手动控制与自动控制的切换。手动控制与自动控制的切换。p控制器由手动切换到自动后，控制系统便进入自动控制器由手动切换到自动后，控制系统便进入自动控制状态。为使控制系统获得最佳效果，需对控制状态。为使控制系统获得最佳效果，需对PIDPID控控制器参数进行整定。制器参数进行整

26、定。过程控制系统的投运过程控制系统的投运40PID控制器参数整定控制器参数整定可分为两大类：可分为两大类：1.1. 理论计算整定法理论计算整定法 基于被控对象的数学模型计算控制器参数，理论基于被控对象的数学模型计算控制器参数，理论 复杂，计算繁冗，所得结果的可靠性依赖于模型复杂，计算繁冗，所得结果的可靠性依赖于模型 精度。精度。2. 2. 工程整定法工程整定法 直接在控制回路的实际运行中对控制器参数进行直接在控制回路的实际运行中对控制器参数进行 整定，具有简捷、实用和易于掌握的特点。工程整定，具有简捷、实用和易于掌握的特点。工程整定方法在实际中得到了广泛的应用。整定方法在实际中得到了广泛的应用

27、。41工程整定法工程整定法1 1：临界比例度法临界比例度法 （l l）将积分时间将积分时间T Ti i置到最大值（置到最大值（T Ti i），微分时间微分时间T TD D置为零（置为零（T TD D= =0 0 ），），比例度比例度置于适当大的值，使系统置于适当大的值，使系统在纯比例作用下投入运行。在纯比例作用下投入运行。(2)(2)系统稳定后，将比例系统稳定后，将比例度度逐渐减小，直到出现逐渐减小，直到出现图图6-146-14所示的等幅振荡，所示的等幅振荡，即临界振荡过程。即临界振荡过程。记录此记录此时的临界比例度时的临界比例度kk和临和临界振荡周期界振荡周期T TK K（即两个波即两个波峰间的时间间隔）。峰间的时间间隔）。42( 3)根据得到的根据得到的kk和和T TK K值，采用表值，采用表6-2 中给出的经验公中给出的经验公 式计算出控制器的整定参数式计算出控制器的整定参数、T Ti i和和T TD D。( 4)按照先比例（按照先比例（P）、）、后积分（后积分（I）、）、再微分（再微分（D）的的 操作顺序将控制器的参数逐一调整到整定值上