单回路控制系统实用教案

1、单回路单回路(hul)控制系统框图控制系统框图+调节器执行机构对象D 扰动ymce测量变送ys-ym第1页/共44页第一页，共45页。被控对象的三种被控对象的三种(sn zhn)变量变量 干扰变量(binling) 操作变量(binling) 被控变量(binling)第2页/共44页第二页，共45页。例如：奶粉例如：奶粉(nifn)干燥控制系统干燥控制系统第3页/共44页第三页，共45页。第4页/共44页第四页，共45页。精馏塔多种被控变量精馏塔多种被控变量(binling)和和多种操作变量多种操作变量(binling)第5页/共44页第五页，共45页。5.1 5.1 被控被控(bi kn)

2、(bi kn)变量变量的选择的选择 1. 1. 按照直接控制指标选择按照直接控制指标选择(xunz)(xunz)被控参数被控参数2. 2. 按间接指标选择被控按间接指标选择被控(bi kn)(bi kn)参数参数3. 3. 按推理计算结果作为被控参数按推理计算结果作为被控参数第6页/共44页第六页，共45页。1、按直接控制指标选择被控、按直接控制指标选择被控(bi kn)参数参数 工艺要求什么工艺要求什么(shn me)参数稳定，参数稳定， 就用什么就用什么(shn me)参数作为被控变量参数作为被控变量 对于以温度、压力、流量、液位为控制指对于以温度、压力、流量、液位为控制指标的生产过程就选

3、择这些参数作为被控变标的生产过程就选择这些参数作为被控变量。量。第7页/共44页第七页，共45页。如加热如加热(ji r)(ji r)炉：工艺要求控制加热炉：工艺要求控制加热(ji r)(ji r)炉出口温度，炉出口温度，则温度作为被控变量则温度作为被控变量又如精馏塔：工艺要求控制提馏段温度与又如精馏塔：工艺要求控制提馏段温度与 加热加热(ji r)(ji r)蒸汽流量，则温度与蒸汽流量，则温度与 流量均作为被控变量流量均作为被控变量第8页/共44页第八页，共45页。例例2：油加热炉温度复合：油加热炉温度复合(fh)系统系统第9页/共44页第九页，共45页。例例3：蒸汽加热的带搅拌储槽的：蒸汽

4、加热的带搅拌储槽的温度温度(wnd)控制系统控制系统第10页/共44页第十页，共45页。例例4：电加热的带搅拌储槽的：电加热的带搅拌储槽的温度温度(wnd)控制系统控制系统第11页/共44页第十一页，共45页。例例5 5：一个：一个(y )(y )放热的化学反应器放热的化学反应器第12页/共44页第十二页，共45页。例例6 6：一个：一个(y )(y )加热油的熔炉，加热油的熔炉， 热油出口温度控制热油出口温度控制第13页/共44页第十三页，共45页。例例6 6：一个加热油的熔炉：一个加热油的熔炉(rngl)(rngl)，热油出口温度和燃，热油出口温度和燃料油流量控制料油流量控制第14页/共4

5、4页第十四页，共45页。例例7 7：处理：处理(chl)(chl)沙、水比的选择性控制沙、水比的选择性控制第15页/共44页第十五页，共45页。例例8 8：一个典型的蒸馏塔的：一个典型的蒸馏塔的 被控变量被控变量(binling)(binling)和操作变量和操作变量(binling)(binling)第16页/共44页第十六页，共45页。2. 2. 按间接指标选择按间接指标选择(xunz)(xunz)被控变被控变量量 应用背景：质量指标一般不直接用作被控变量， 而选用相关(xinggun)的 间接参数作为被控变量。 例如： 精馏过程的工作原理是利用被分离物各组分的挥发度不同而将 混合物分离。

6、其对控制的要求首先保证塔顶馏出物（易挥发物 产品）的纯度XD。质量指标。难以控制。 但知道它与塔顶温度和塔内压力有关（书第86页图54 和 图55）。可以选择温度或压力作为被控变量。原则是：间接指标与直接原则是：间接指标与直接(zhji)指标之间指标之间应应 存在单值关系且信号足够大。存在单值关系且信号足够大。第17页/共44页第十七页，共45页。塔顶温度塔顶温度(wnd)控制系统控制系统第18页/共44页第十八页，共45页。选择选择(xunz)(xunz)原则原则（1） 测量滞后 P（2） 工艺合理性 T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(hngdng)，

7、XD与T有对应关系选择XD=F（T）第19页/共44页第十九页，共45页。总结：被控变量选择总结：被控变量选择(xunz)(xunz)原则原则1 1、直接指标测量滞后小，选择直接指标 为被控变量2 2、选择间接指标时应考虑 工艺合理性 测量滞后小，对直接指标有最大灵敏度 实施方便(fngbin)(fngbin)3 3、直接指标信号微弱，可选用间接指标4 4、考虑国内外仪表状况第20页/共44页第二十页，共45页。3. 3. 按推理计算结果作为被控按推理计算结果作为被控(bi (bi kn)kn)变量变量在以上两种方法都不可行时，可采用按推理计算结果作为被控(bi kn)变量。仍以精馏塔为例：

8、应用普通热电偶测量顶部塔盘上液体的 温度，估算出馏出物成分作为被控(bi kn)变量 （见书第86页图56）第21页/共44页第二十一页，共45页。预测预测PIDPID控制器的研究及工业控制器的研究及工业(gngy)(gngy)应用应用预测PIDPID控制器采用输出变量(binling)(binling)的历史数据实时递推计算模型未来d d步的输出，基于输出预报值, , 根据PIDPID控制规律计算控制量 PID 控制器预测环节 预测PID 控制器被控对象yrypymu第22页/共44页第二十二页，共45页。5.2 5.2 对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响 及操作变量及操作变量

9、(binling)(binling)的选的选择择 各通道(tngdo)的特征参数对调节品质的影响 操作变量的选择原则第23页/共44页第二十三页，共45页。被控对象被控对象(duxing)(duxing)的两种的两种通道通道控制器Gc (s)执行器Gv (s)控制通道Gp (s)测量变送Gm (s)设定值 r偏差 e+_控制变量u操纵变量q受控变量y测量值 z扰动 D干扰通道GD (s)+受控对象第24页/共44页第二十四页，共45页。1. 1. 各通道各通道(tngdo)(tngdo)的特征参数对调节品质的特征参数对调节品质的影响的影响Wf(S) = KfTfs + 1e- f s第25页/

10、共44页第二十五页，共45页。Wp(S) = KpTps + 1e- ps第26页/共44页第二十六页，共45页。2. 2. 操作变量操作变量(binling)(binling)（调节量）（调节量）的选择原则的选择原则（1）、可控、（2）、调节通道(tngdo)放大倍数大于干扰通道(tngdo) 放大倍数（3）、干扰通道(tngdo)时间常数越大越好（4）、调节通道(tngdo)纯滞后时间越小越好（5）、干扰远离被控变量而靠近调节阀（6）、工艺合理性第27页/共44页第二十七页，共45页。第28页/共44页第二十八页，共45页。第29页/共44页第二十九页，共45页。见教材(jioci) 第9

11、799页被控(bi kn)(bi kn)变量：干燥筒的温度操作变量：1 1、乳化物流入量 G G调节通道滞后最小，校正最灵敏。 所有干扰都靠近调节阀。 但乳化物是生产负荷，不宜操作。2 2、换热器旁路空气流量 Q Q调节通道度灵敏次之，滞后时间 稍大。蒸气量干扰仍靠近调节阀。适合3 3、加热蒸气流量 P P调节通道最长，滞后最大，干扰都离开 调节阀，不适合。第30页/共44页第三十页，共45页。5.3 5.3 单回路单回路(hul)(hul)系统的投运和整定系统的投运和整定1 1、控制系统、控制系统(kn zh (kn zh x tn)x tn)的投运的投运2 2、控制器的选择、控制器的选择3

12、 3、控制系统、控制系统(kn zh (kn zh x tn)x tn)的整定的整定 第31页/共44页第三十一页，共45页。1 1、控制系统、控制系统(kn zh x tn)(kn zh x tn)的的投运投运 所谓控制系统(kn zh x tn)的投运，就是由手动工作状态 切换到自动工作状态-由调节器上的 “手动-自动”切换开关完成。 当自动控制系统(kn zh x tn)出现故障时，则由自动工作状态切换到手动工作状态。 切换过程应为“双向无平衡无扰动切换”第32页/共44页第三十二页，共45页。2 2、 控制器的选择控制器的选择(xunz)(xunz)（1）、常用控制算式：P 、PI 、

13、PID （2）、 控制参数: 比例带、积分时间、微分时间（3）、 正、反作用的选择： 纯比例作用时调节器的输出随测量值的变化情况。 正作用-调节器的输出随测量值的增加(zngji)而增加(zngji)。 反作用-调节器的输出随测量值的增加(zngji)而减小。 （把比较机构放在调节器的内部容易理解。）第33页/共44页第三十三页，共45页。调节器正反作用调节器正反作用(zuyng)(zuyng)符号法符号法各环节符号：各环节符号： 1 1）调节器反作用为正，正作用为负）调节器反作用为正，正作用为负 2 2）对象）对象(duxing)(duxing)：输入增加，输出增加为正：输入增加，输出增加为

14、正 3 3）阀：气开阀为正，气关阀为负）阀：气开阀为正，气关阀为负 控制系统正常工作：控制系统正常工作： 必须为负反馈，为保证负反馈，必须为负反馈，为保证负反馈， 各环节放大系数乘积为正。各环节放大系数乘积为正。第34页/共44页第三十四页，共45页。反馈控制系统反馈控制系统(kn zh x tn)的典型响的典型响应应第35页/共44页第三十五页，共45页。3 3、控制器的参数、控制器的参数(cnsh)(cnsh)整定整定 目的(md) 方法第36页/共44页第三十六页，共45页。决定决定(judng)控制系统质量指标的因素控制系统质量指标的因素目的：对象特性(txng)控制方案干扰的形式和大

15、小控制器的选型和参数整定 所谓参数整定就是求取满足某项质量指标的控制器的最佳参数。一般采用单一性能指标，如4：1衰减比。在计算机控制中采用时间积分准则。 参数整定的方法：理论计算法 工程整定法第37页/共44页第三十七页，共45页。(1)(1)、理论计算(j sun)(j sun)法用系统综合法确定控制器的传递函数与整定参数所谓系统综合法指的是：-根据对象的数学模型和系统过渡过程的质量指标来确定控制器的控制规律 及控制器参数。 常用的质量指标有：单一性能准则和时间积分准则例：已知被控对象的传递函数为 例一：工艺要求给定值做阶跃变化时，被控变量(binling)的时间响应为1/4衰减比。例二：工

16、艺要求给定值做阶跃变化时，被控变量(binling)具有非周期响应，试确定控制器的控制规律及整定控制器参数。第38页/共44页第三十八页，共45页。（2 2）工程整定法）工程整定法第一：临界第一：临界(ln ji)(ln ji)比例度法比例度法利用临界(ln ji)比例度，临界(ln ji)周期进行参数稳定方法步骤：1）在系统闭合情况下，整定参数 纯比例：Ti= Td=02）改变 K ，由大到小，每改变一次K ，作一次扰动（如改变给定值）观察曲线直到等幅振荡，记下 3）根据K、TK ，按表（经验）求取参数4）求取 ：、Ti、 Td 后，先比例（比例度大一些）后积分，最后加微分。观察曲线，不断修

17、改直到满意为止。第39页/共44页第三十九页，共45页。特点：方法简单易行，易于判断。但工艺特点：方法简单易行，易于判断。但工艺(gngy)(gngy)上不允许阀全开，全关场合，受到限上不允许阀全开，全关场合，受到限制。制。第40页/共44页第四十页，共45页。步骤：1）系统闭合（Ti= Td=0）2）改变 ，系统加干扰，观察过程为4：1，或10：1为止，记下(j xi)此时S、TK3）根据表（经验公式），求出、Ti、 Td .第二、衰减第二、衰减(shui jin)(shui jin)曲线法曲线法特点；1）适合(shh)各种系统 2）对于干扰频繁场合，会造成曲线不规律第41页/共44页第四十一页，共45页。第三第三(d sn)、经验凑试法、经验凑试法1、先比例后积分(jfn)微分2、先积分(jfn)后比例微分第42页/共44页第四十二页，共45页。单回路单回路(hul)控制系统的投运控制系统的投运1、做好准备工作2、先手动后自动(zdng) 参看书115页第43页/共44页第四