郑州大学电气工程过程控制3-13-2单回路控制系统.

1、过程控制工程过程控制工程 多媒体课件多媒体课件主讲：李晓媛主讲：李晓媛Email：tel: 67781423第三章第三章 简单过程控制系统工程设计简单过程控制系统工程设计3 31 1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述3 32 2 控制方案设计控制方案设计3 33 3 检测、变送器选择检测、变送器选择3 34 4 执行器（调节阀）选择执行器（调节阀）选择3 35 5 控制器（调节器）选择控制器（调节器）选择3 36 6 过程计算机控制系统过程计算机控制系统3 37 7 过程控制系统投运和控制器参数整定过程控制系统投运和控制器参数整定3 38 8 单回路控制系统工程设计实例单回路控

2、制系统工程设计实例 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。单闭环控制系统。单回路研究意义单回路研究意义 TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC LT仪表符号标准仪表符号标准单回路控制系统原理方框图单回路控制系统原理方框图给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰

3、干扰热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC控制系统工艺流程图控制系统工艺流程图单回路控制系统特点单回路控制系统特点 结构简单、投资少、易于整定和投运； 可满足一般生产过程的工艺要求； 占控制回路的85%以上，应用广泛； 适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。 3.1 简单控制系统工程设计概述简单控制系统工程设计概述1.1.过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。安全性、稳定性和经济性三个方

4、面。 2. 过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。四个主要内容。 其中控制方案设计是控制系统设计的核心。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。 自动控制系统的方案设计自动控制系统的方案设计: :控制系统的方案设计是整个自动化工程中的关键一步。 工程设计工程设计: :控制系统的工程设计是在方案设计的基础上进行的，包括仪表的选择、控制室及仪表控制盘设计、仪表供电供气系统设计、信号系统设计和仪表防护设计等

5、。 工程安装和仪表的单校及系统的联校工程安装和仪表的单校及系统的联校:自动控制系统的正确安装是保证自动化仪表能发挥作用的前提。 控制器的参数整定控制器的参数整定: :控制系统质量的好坏主要决定于被控对象的特性与控制器特性的配合。 3-1 概述3. 过程控制系统设计的步骤过程控制系统设计的步骤1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型）建立被控过程的数学模型3）确定控制方案）确定控制方案 包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。控制系统设计的关键步骤。 4）控制设备选型）控制设备

6、选型5）实验（或仿真）验证）实验（或仿真）验证 3.2控制方案设计控制方案设计确定控制方案是核心。确定控制方案是核心。3.2.1单回路控制系统控制方案设计包括：单回路控制系统控制方案设计包括：1）根据生产工艺要求合理选择系统性能指标；）根据生产工艺要求合理选择系统性能指标； 2）合理选择被控参数和控制参数；）合理选择被控参数和控制参数； 3）合理设计控制规律；）合理设计控制规律；4）执行器（调节阀）选取；）执行器（调节阀）选取；5）检测、变送器选择。）检测、变送器选择。 3.2.2被控参数的选择被控参数的选择被控变量被控变量生产过程中希望借助自动控制保生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按

7、一定规律变化）的变量。持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量（直接选取）键变量作为被控变量（直接选取）例例1 储槽液位控制系统储槽液位控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。就应以储槽液位为被控变量。 LC LTh例例2 换热器出口温度

8、控制系统换热器出口温度控制系统工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。统就应以出口温度为被控变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，称为间接选取。称为间接选取。选取原则选取原则:(1)应选择与直接工艺参数有单值函应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数。数关系的间接工艺参数。例例3 化工的精馏物纯化工的精馏物纯度控制系统度控制系统精馏工艺是利用被分精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度离物中各组分的挥发温度

9、不同，将各组分分离。不同，将各组分分离。如图将苯如图将苯甲苯混合甲苯混合液进行分离。液进行分离。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 该精馏塔的工艺该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔要求是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定的底）馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的纯度。按照被控变量的选择原则选择原则1，塔顶（或，塔顶（或塔底）馏出物的组分应塔底）馏出物的组分应作为被控变量。作为被控变量。但是，没有合适但是，没有合适的仪表在线检测馏出物的仪表在线检测馏出物的纯度，则不能直接作的纯度，则不能直接作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯只好在与馏出物的只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系

10、的工艺参数中，找出合适的变参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行量作为被控变量，进行间接参数控制。间接参数控制。经工艺分析发现，经工艺分析发现，塔内压力和塔内温度都塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变验，选出一个合适的变量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯间接控制参数的确定间接控制参数的确定经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。从工艺合理性

11、考虑，选择温度作为被控变量。 例例4：卷烟生产中的烟叶含水率：卷烟生产中的烟叶含水率例例5：混凝土生产中的塌落度控制：混凝土生产中的塌落度控制例例6：奶粉生产中的含水率：奶粉生产中的含水率（2 2）被控变量必须有足够大的灵敏度）被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。被控变量必须灵敏，容易被测量。（3）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控变量。被控变量。上例中，若塔顶、塔底的产品

12、纯度都分别设上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。顶或塔底一端的产品质量。3.2.3控制参数（操纵量）选择控制参数（操纵量）选择把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为作用的变量称为控制变量控制变量或或操纵变量操纵变量。最常见的操。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。纵变量

13、的。 LC LTh控制变量的确定控制变量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。可控的，有些是不可控的。q在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；q其它未被选中的因素则视为系统的干扰。其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量被控变量影响变量影响变量对象特性对控制品质影响的分析：对象特性对控制品质影响的分析：1

14、过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s) 控制器的传递函数；控制器的传递函数；Go(s) 广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s) 扰动通道的传递函数。扰动通道的传递函数。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 被控参数被控参数y(t)受到设定信号受到设定信号x(t)和干扰信号和干扰信号f(t)的的共同影响：共同影响：000( )( )( )( )X( )( )1( )( )1( )( )fcccG

15、sGs GsY ssFsGs GsGs Gs干扰通道干扰通道控制通道控制通道 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：)()()(sYsXsE将将 可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一样的。将分母是一样的。将Gc(s)、 Go(s)代入：代入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000( )( )( )

16、( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssFsGs GsGs Gs)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+=+=vK0Kc越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小；vKc越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的闭环稳定性越低。系统的闭环稳定性越低。vKf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用越强，稳态误差越大。

17、故应选放大系数大的变量作为控制变量。故应选放大系数大的变量作为控制变量。 例：合成氨厂变换炉 CO + H2O = CO2 + H2 N2 + 3H2 = 2NH3被控变量：反应温度控制量：？干扰量：煤气流量、压力、温度、成分；蒸汽流量、压力；冷激量；触媒活性 操纵量三种选择：冷激量、煤气量、蒸汽量 1001001=/0.85004002.51002=/0.31500625014.513=/0.4850016.5KKK 温度相对变化量冷激量相对变化量温度相对变化量煤气量相对变化量温度相对变化量蒸汽量相对变化量2过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（通道）动态特性对控制品质的影响2.1干扰通

18、道动态特性对控制品质的影响干扰通道动态特性对控制品质的影响(1)时间常数时间常数Tf 的影响的影响 f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 干扰通道的惯性因子（干扰通道的惯性因子（Tf s+1）使干扰作用）使干扰作用的的影响缓慢。影响缓慢。vTf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。利于控制。 vTf 越大，惯性越强，对干扰的越大，惯性越强，对干扰的“滤波滤波”效果效果

19、越明显，干扰对输出的动态影响越小，所以希望越明显，干扰对输出的动态影响越小，所以希望Tf越大越好。越大越好。 因为，因为， f 使干扰对被使干扰对被控变量的影响推迟了控变量的影响推迟了f 时间时间，则控制作用也推迟则控制作用也推迟f 时间时间 ，整个过渡过程曲线也推迟整个过渡过程曲线也推迟时间时间f ，但控制品质未变。但控制品质未变。f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s含有含有e f s例：例：某控制系统中，干扰某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个分别在三个位置进入系

20、统。干扰离被控变量检测点越远，则干位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y ( )( )1( )( )csF sGs Gs0201012100G( )G(s)( )( )( )1( )( )1( )( )ccsGsFsF sGs GsGs Gs（3 3）干扰作用位置对控制质量的影响）干扰作用位置对控制质量的影响 f1(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大快；当控制作用见效时，被调

21、参数已经变化较大造成动态偏差较大。造成动态偏差较大。 所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。远，干扰对被控参数影响越小。 y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t总结：总结：干扰通道的惯性因子（干扰通道的惯性因子（Tf s+1）使干扰作用）使干扰作用的的影响缓慢。影响缓慢。vTf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。利于控制。 vTf 越大，惯性越强，对干扰的越大，惯性越强，对干扰的“滤波滤波”效果效果越明显，干扰对输出的动态影响越小，所以希望越明显

22、，干扰对输出的动态影响越小，所以希望Tf越大越好。越大越好。v干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则则Tf 越大，控制时最大偏差越小。越大，控制时最大偏差越小。v干扰的幅值越小越好。干扰的幅值越小越好。 2.2 控制通道动态特性对控制品质的影响控制通道动态特性对控制品质的影响（1）时间常数）时间常数T的影响的影响tGCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道控制通道G01的时间常的时间常数数T01增大，使控制速度变增大，使控制速度变慢，最大偏差增大。慢，最大偏差增大。vG02是控制、干扰共用是控制、干扰共用通道，通道，T02不影响最大偏差不影响最大

23、偏差v时间常数太小稳定性时间常数太小稳定性下降下降y2(t)yk(t)yy1(t)y2(t)yk(t)tyy1(t)01（2）滞后）滞后0影响影响v控制通道控制通道G01的纯滞后的纯滞后 ，使控制作用滞后使控制作用滞后01到达，造到达，造成控制偏差增大。成控制偏差增大。vG02是控制、干扰共用通道，是控制、干扰共用通道， 干扰作用滞后干扰作用滞后02产生，但控产生，但控制作用再滞后制作用再滞后02到达，同样造到达，同样造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202GCGVGO2GFGmfreGO1y（3）控制通道的时间常数匹配的影响）控制通道的时间常数匹配的影

24、响这是因为，当广义被控过程近似为：这是因为，当广义被控过程近似为：其相应的临界稳定增益为：其相应的临界稳定增益为：控制效果见P149：表32越有利。的条件下，对保持质量利，在保持一定稳定性有越大，对系统稳定性越错开，由此可见，时间常数越0K2332133112210/2TTTTTTTTTTTTK,) 1)(1)(1()(3210时，由控制理论可知sTsTsTKsG小结：小结： 控制通道时间常数控制通道时间常数T0 小一些好。表明控制变量小一些好。表明控制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。对被控变量的影响迅速，有利于控制。 控制通道纯控制通道纯滞后滞后0越小越好。越小越好。 0会使控制时间延

25、长、最大偏差会使控制时间延长、最大偏差增大。几个时间常数满足错开原理。增大。几个时间常数满足错开原理。 控制变量的选择原则：控制变量的选择原则： 1、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。滞后越小越好。 2、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 总结：总结：操纵量的选择原则： 从放大系数上： 从干扰通道上； 从控制通道上； 从工艺可行和经济性上考虑；3.8 单回路控制系统工程设计实例单回路控制系统工程设计实例 3.8.1喷雾式干燥设

26、备控制系统设计喷雾式干燥设备控制系统设计如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。已浓缩的奶液从储已浓缩的奶液从储槽流下，经过滤后从干槽流下，经过滤后从干燥器顶部喷出。干燥空燥器顶部喷出。干燥空气被加热后经风管吹入气被加热后经风管吹入干燥器。滴状奶液在热干燥器。滴状奶液在热风中干燥成奶粉，并被风中干燥成奶粉，并被气流带出干燥器。气流带出干燥器。3.8.1.1 控制方案设计控制方案设计1. 被控参数选择被控参数选择按工艺要求应首选奶粉含水量为被控变量，但按工艺要求应首选奶粉含水量为被控变量，但此类

27、在线测量仪表精度低、速度慢。此类在线测量仪表精度低、速度慢。试验发现，奶粉含水试验发现，奶粉含水量与干燥器出口温度之间量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度存在单值关系。出口温度稳定在稳定在1502，则奶粉，则奶粉含水量符合含水量符合2%2.5% 。因此选干燥器出口流体温因此选干燥器出口流体温度为被控变量。度为被控变量。2. 控制变量选择控制变量选择影响干燥器出口奶粉流体温度的主要影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控可控因素因素有：有：乳液流量变化乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化旁路空气流量变化 f2 加热蒸汽流量变化加热蒸汽流量变化 f3 若分别以这三个变量若分别以这三个变量为控制

28、变量，可以得到三为控制变量，可以得到三个不同的控制方案。个不同的控制方案。 f2 f1 f3 影响量作用的位置不同：影响量作用的位置不同：f3蒸气流量蒸气流量f2旁路冷风流量旁路冷风流量f1乳液流量乳液流量 热交换器热交换器T=100, T=100送风管道送风管道 =3干燥器干燥器 Go f2 f1 f3 乳液流量变化乳液流量变化f1的作的作用通道最短；旁路空气流用通道最短；旁路空气流量变化量变化f2的作用通道增加了的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量秒的滞后；加热蒸汽流量变化变化f3的作用通道又增加了的作用通道又增加了两个两个100秒的双容滞后。秒的双容滞后。q调节方案：调节方案：方案方

29、案1：取乳液流量取乳液流量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀1） v控制通道最短控制通道最短f3f2f1 热交换器热交换器送风管道送风管道干燥器干燥器调节阀调节阀1调节器调节器变送器变送器ry方案方案2：取旁通冷风流取旁通冷风流量为控制变量（调节阀量为控制变量（调节阀2）v由于有送风管路的传由于有送风管路的传递滞后存在，较方案递滞后存在，较方案1多一多一个纯滞后环节个纯滞后环节=3sf3f2f1 热交换器热交换器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀2调节器调节器变送器变送器ryv热交换器为双容特热交换器为双容特性，因而调节通道又多性，因而调节通道又多了两个容量滞后，时间了两个容量滞后，时间常数都

30、是常数都是T = 100秒。秒。 方案方案3：取蒸汽流量取蒸汽流量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀3）f3f2f1换热器换热器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀3调节器调节器变送器变送器ry 已知系统各部件的模型：干燥筒：换热器：风管：检测元件：soesK231) 15 . 8(22) 1100(sKose3) 15(3sKo K未给出，从略； 控制通道 方案1 方案2 方案3时间常数T 8.5 8.5 100,8.5阶次 3 3 2 + 3滞后时间 2 2+3=5 2+3=5 干扰通道 方案1 方案2 方案3时间常数Tf 100,8.5 8.5 100,8.5 8.5 8.5 8.5阶次

31、2 3 3 2 3 3 3 3滞后时间 2+3=5 5 5 2 5 2 q 控制方案的判别：控制方案的判别： 从控制效果考虑，方从控制效果考虑，方案案1的调节通道最短，控制的调节通道最短，控制性能最佳；方案性能最佳；方案2次之，方次之，方案案3最差。但从工艺合理性最差。但从工艺合理性考虑，方案考虑，方案1并不合适。并不合适。因为乳液量应按该装置的最大生产能力控制，且因为乳液量应按该装置的最大生产能力控制，且在浓缩乳液管道上装调节阀，容易使调节阀堵塞而影在浓缩乳液管道上装调节阀，容易使调节阀堵塞而影响控制效果。因此，选择方案响控制效果。因此，选择方案2比较合适。即：将调比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。节阀装在旁通冷风管道上。2.检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择温度传感器及变送器温度传感器及变送器选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥器出口附近。传感器应安装在干燥器出口附近。调节阀调节阀选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。调节器调节器可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求（偏差（偏差2），采用），采用PI或或PID调节