简单控制系统设计

1、简单控制系统设计与参数整定）简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个被控对 象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器（控制阀） 所组成的闭环控制系统。在工业生产实践中，简单控制系统得到广泛应用，有 超过70%的控制系统采用简单控制系统，同时它也是设计复 杂控制系统的基础。丿i.1简单控制系统的构成f5.1.1简单控制系统实例TC 1(3温度控制系统 由丄业设备液位控制系统r単组成）咚 2压力控制系统5.1简单控制系统的构成5.1.2控制系统的工程表不及方框图液位控制系统压力控制系统温度控制系统管道仪农流程图以标准的图形符巧及文字代巧简要地衣示了主 要匚艺设备之间的关系.i艺物料的流向，也规定

2、了控制系统所要完成 的具体任务、应具备的功能。5.1简单控制系统的构成f5.1简单控制系统的构成5.1.2控制系统工程表示及方框图扰动：影响受控变量的各种:f输入变虽(操纵变量除外) :l Gpd(s)I +1 u 厂二扰动通道影响扰动受控变量G,s) I4 Gv(s)之间关系的相关工艺设备及部件 籃為J控制器：过用控制仪髓装先竿制阀(变:崑响麻获变就与長融F控制系 要鯉设匸二丁-【譽、号)系的相关匸艺设紀mi B受控对象旳庐小测量变送：过程检自控设测仪表方框图只是表示各个变量之间的信号联系，各个方框的输出是对 其输入变量变化的响应，并非表示物料的流动方向O5.1简单控制系统的构成5.1.3过

3、程控制系统方案设计的基本要求安全、稳定和经济5.1.4过程控制系统方案设计的主要内容监控方案设计、工程设讣、工程安装和仪表调校、调节器参数 整定等5.1.5过程控制系统方案设计的关键步骤1 .熟悉利理解生产对控制系统的技术要求。右条件时建立被控 过程的数学模型2控制方案的确定3.控制设备选型5.2简单控制系统设计5.2.1控制系统被控变量的选择1 日的保证控制系统能发挥应右的价值2.内容确定被控变量的数量及具体参数控制指标3 原则尽量采用直接变量采用间接变最时的注意问题：单值性、线性性、灵皱度、经济性5.2简单控制系统设计5.2.2操纵变量的选择1目的保证控制系统能获得较好的控制质量2. 内容

4、根据工艺操作要求、过程特性确定操作变量3 原则(1) 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量(避免以衣征 主要生产负荷的物料作为操纵变量)(2) 控制通道有-定的快速性(时间常数较短)和灵敏性(合适的 静态放大倍数)(3) 尽量减少控制通道的纯滞后时间5.2.3系统设计中的测量变送问题1. 仪表性能的考虑：基本要求睢确、快速G （$）=厶二通常按一阶惯性环节考虑Ths + 1准确性：根据操作要求确定合适的最程（Km）,根据指示误差要 求确定合适的梏度等级。按仪表要求确定安装方式。快速性：根据对象特性确定合适的 时间常数（G），小于对彖时间常数的1/5 即可。根据检测仪表要求确定合适的位置5

5、.2简单控制系统设计52.3系统设计中的测量变送问题2.测量信号的处理（1）测量信号的线性化处理（选择相应的线性化方法） 节流装置、热电阻、热电偶测量信号的滤波处理（根据噪声特性选择滤波方式）有脉动或窩频躁声的信号（模拟RC电路或数字滤波） 对于尖峰型干扰可以采用程序判别滤波的方法_|y（A:-l） + A（），卜仏）-0（1）|y，|y（i-F（-i）刃，）一经过滤波后的输出值yi）一滤波前的实际采样值 （/）预估输出值增量5 规定的阈值5.2.3系统设计中的测量变送问题3.安装与使用条件安装条件必须符合和应检测仪表的具体要求。例如：流量测量 仪衣通常对前后管道的直管段的要求、节流装置流向的

6、耍求.测温元件 在被测介质中插入深度的要求.差压变送器导压管内液体高度应该相等 的要求等等。实际使用仪农的工作参数应该符合仪衣的设计参数。例如：气 体流量测量时的设计温度和设计压力。如果实际11作温度和压力与设计 值偏离较人，将产牛较人的附加误差。必要时需耍进行校正。5.2简单控制系统设计5.2.4执行装置在控制系统设计中的考作用：根据控制器的输出信号，改变工业过程的输入变量（流体 流量的人小.电功率的人小、转速的快慢），直接影响工业过程。过程 控制系统中常用（气动）调节阀。使用环境比较恶劣。选用调节阀时一 般应考虑以下儿个方面：1 调节阀结构型式的选择根据工艺条件，如便用温度、压力及介质的物

7、理、化学特性（如腐 蚀性，粘度等）来选择5.2简单控制系统设计常用结构型式直通单座直通双座套筒角型5.2简单控制系统设计/心2气开式与气关式的选样执行机构的匸反作用N4用上M盖函t件5.2.4执行装置在控制系统设计中的考虑2 气开式与气关式的选择气压（控制）信号增加，阀门开度增加为气开；反之，为气关。工艺物料5.2简单控制系统设计5.2.4执行装置在控制系统设计中的考虑2 气开式与气关式的选择 原则：根据工艺生产的安全要求选择。确定气开/气关形式举例用蒸汽加热11艺物料。1 要求物料温度不能过高。则采用气开阀。2.防I匕物料在加热器屮凝固。则采用气关阀。5.2简单控制系统设计3. 调节阀的流量

8、特性选择理想流量特性：流通能力C与阀杆位移I之间的关系：C/Cmax=f （I/L）阀门的额定流通能力。阀门两 端压差100KPa，开度100%,介质 密度1000Kg/m3,流过的体积数。常见的理想流量特性:线性.对数.抛物线.快开1-快开疚性对融XX / /: / / /9/ /Zr么0. 750. 50. 2500. 250. 50. 755.2简单控制系统设计5.2.4执行装置在控制系统设计中的考 工作流量特性Q“拟阀门开度100%,流过的流量。流量Q与阀杆位移I之间的关系：Q/QmaR（L）管道阻力的影响，使流僦变化时阀门两端的压差也随之变化（流量大, 压差小），使理想特性曲线想左上

9、方凸。QP（）P.APPv线性阀在不同S值下的特性曲线。5.2简单控制系统设计选择流量特性的原则根据构成控制系统各环节特性确定控制阀工作流量特性。要求系 统在整个工作范围内开环增益尽可能保持恒定。调节阀的增益：Kv=dQ/dlKcKvKmKpGc（jcoc ）Gv（jcoe 川）P（JC ） =常数根据管道阻力对流量特性的影响，确定理想流量特性曲线。 当S值较大（0.6以上）时，直接根据工作特性选用。5.2简单控制系统设计5.2.4执行装置在控制系统设计中的考虑4. 阀门定位器的应用结构及工作原理：使用场合：阀杆摩擦力人、阀芯的不平衡力改变调节阀的行程范围（用于分程控制）改变控制器输出与阀杆位

10、移Z 间的关系减少气动信号传输的动态滞后u5控制阀口径选样口径选择的原则：一方面婆满足工艺生产对最人流量的要求.并留育一定的余量 （不小于10%）；另一方而要避免低负荷运行时，阀门开度过小。口径的选择就是额疋流帚:系数C的选择。选抒依据足介质相态 （气相、液札h蒸汽.气液混合等）、密度.阀全开时两端压差、最人 及最小流疑。II前，大多数制造厂商有标准的讣算软件。具体要求：最大流量时，阀门开度不超过90%；最小流量时, J不低于10%。5.2简单控制系统设计对丁个已经设计完成的控制系统，要获得最好的控制质量，控 制规律的选择起着重要的作用。目前工业上常用的常规控制规律有：P、PI、PID常规控制

11、规律的特点1.比例（P）:是最简单的调节规律，它对偏差的响应迅速。只碍 要整定 个参数，简便。但系统心在静差。2比例积分（PI）：能消除静差。但动态响应较缓慢。对高频噪 声有一定的抑制作用。超调增加。丿不同控制规律按相同衰减比整定参数时调节过渡过程比较。原则：尽量采用简单的控制规律。5.3简单控制系统操作与投运控制系统设订、安装完成启，通过合理的操作才能使控制系统 正常工作。1 调节器正/反作用设定调节器正/反作用形式是根据调节器输出与测量值之间的变化关 系而定的。调节器输出随测量值增加而增加的，称为止作用形式。反Z, 称为反作用形式。确定正反作用形式的目的：保证控制系统的负反馈。系统负反馈的

12、条件：构成控制系统各环节（包括比较环节）增 益乘积为“负” O控制器增益与正反作用的关系：正作用控制器的增益为“负” O其它环节输出随输入增加而增加的增益为“II O5.3简单控制系统操作与投运5.3简单控制系统操作与投运2. 调节器工作状态设定常规调节器的I作状态有手动.口动.串级。根据操作要求设定。于动状态时，调节器输出由操作员直接改变调节器输出。自动或 串级状态时，调节器根据给定的控制规律对偏差运算产牛控制输出。自动状态时的偏差是内给定与测量值的偏差。串级状态时的偏羌 是外给定与测量值的偏差。控制器上电前总是设置在于动状态。通过手动操作使生产过程达 到或接近设计状态，再将调节器切换到口动

13、或串级状态，实现口动控制。切换状态时，需要保证调节器输出不产生阶跃跳变，称为无扰动3. 调节器参数整定整定的目的：根拯给定的控制规律，寻找一组合适的参数，尽町能使控制系统 的性能指标满足工艺生产的要求。参数整定的方法：理论整定和工程整定。(1)理论整定：C获得控制系统各环节的数学模型时，根据控制 要求确定系统的闭环传递函数或过渡过程指标，讣算调节器的相应参数。常用方法：频率特性法和根轨迹法。另外，也可以通过仿真整定。(2)工程整定：通过实验或利用经验确定控制器参数。常用的工釋 整定方法有响应曲线法、临界比例度法、衰减曲线法、经验法等。丿5.3简单控制系统操作与投运3.调节器参数整定响应曲线法整

14、定过程：获取广义对彖阶跃响应曲线、讣算对彖特性参数.计 算控制器参数、根据调节效果调整参数。5.3简单控制系统操作与投运3.调节器参数整定响应曲线法计算控制器参数：控制规律6TdPU%PI1.13 3 r oPID0.85rO 5z-o5.3简单控制系统操作与投运3.调节器参数整定临界比例度法整定过程：获取临界振荡曲线.讣算特征参数.讣算控制器参数、 根据调节效果调整参数。获取临界振荡曲线：控制器设定为纯 比例。在工况较稳定时，控制器切换 到自动状态。使调节器给定阶跃变化 510%,记录过渡过程曲线。根据z 过渡过程曲线， 出现等幅振荡。比例度6。计算特征参数：调整比例度，使系统 对应的比例度为临界ps-1 -JZAnD/ / ；VVV i30振荡周期Ps2.520.