简单系统学生精品课件

1、简单系统学生课件第1页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二6.1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、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。 第6章 简单控制系统的设计与参数整定TC206后续字母表示仪表功能第1位数字表示工段号后续数字表示仪表序号第1位字母表示被控参数 LC TT仪表符号标准第2页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二控制系统原理方框图给定值测量变送器控制器执行器对象操作量被控变量干扰热物料载热介质冷物料热交换器 TT TC控制系统工艺流程图第3页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二6.2简单控制系统

2、设计1. 过程控制系统方案设计的基本要求(了解）安全性、稳定性和经济性三个方面。 2. 过程控制系统设计的主要内容 （了解） 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、调节器参数整定等四个主要内容。3. 过程控制系统设计的步骤（了解）1）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3）确定控制方案 包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。 4）控制设备选型5）实验（或仿真）验证第4页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二被控参数与控制变量的选择被控参数（变量）的选择被控变量生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按

3、一定规律变化）的变量。被控变量的选择依据：1、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第5页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例1 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就应以储槽液位为被控变量。 LC TTh第6页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例2 换热器出口温度控制系统工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。热物料载热介质冷物料热交换器 TT TC第7页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工

4、艺参数作为被控变量。例3 化工的精馏物纯度控制系统苯甲苯苯甲苯 该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的选择原则1，塔顶（或塔底）馏出物的组分应作为被控变量。-难在线检测，则不能直接作为被控变量。间接参数塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。选哪一个作为被控变量？第8页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二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。 第9页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二3、被控变量必须有足够大的灵敏度4

5、、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性第10页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二控制变量选择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控制变量或操纵变量。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的。 LC TTh控制变量的确定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；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量影响变量被控变量干扰变量控制变量干扰通道控制通道第11页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二对象特性对控制品质影响的分析：1过程（通道）静态特性对控制品质的影响单回路控制系统的等

6、效框图。Gc(s) 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；Gf(s) 扰动通道的传递函数。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)干扰F(s) 控制变量第12页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 被控参数y(t)受到设定信号x(t)和干扰信号f(t)的共同影响： Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 第13页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二代入系统偏差公式中：将将Gc(s)、 Go(s)， Gf(s)代入得：第14页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二分析给定值x

7、(t)和干扰f(t)对系统稳态偏差得影响。（1）当f(t)0， x(t)作单位阶跃变化时：（2）当x(t)0， f(t)作单位阶跃变化时：第15页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二过程（通道）静态特性对控制品质的影响K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。选择控制变量时，应使控制通道得静态放大系数Ko越大越好；使干扰通道得静态放大系数Kf越小越好。第16页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二2过程（通道）动态特性对控制品质的影响（1）干扰通道动态特性对控制品质的影响干扰通道的容积或惯性环节越多，Tf 越大，干扰对被控变量

8、的影响越缓慢，干扰引起的最大动态偏差越小，系统的控制品质越好。1）干扰通道时间常数Tf对控制质量得影响 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 第17页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二2)干扰通道纯滞后f对控制质量的影响？结论：干扰通道纯滞后f不影响控制质量.第18页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例：某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个位置进入系统。试分析： f1、f2、f3对被控变量的影响越慢。3)扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响单独f3对y的影响单独f2对y的影响单独f1对y的影响第19页，共72页，2022年

9、，5月20日，5点59分，星期二结论：扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰通道的容量滞后有所增加，系统动态偏差越小，干扰对被控参数影响越小。 y(t)tyk(t)yy(t)yk(t)yty(t)yk(t)ty第20页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 （2）控制通道动态特性对控制品质的影响即控制通道时间常数，滞后时间对控制质量的影响t控制通道G0的时间常数T0增大，使控制速度变慢，最大偏差增大，系统过渡过程时间长1）控制通道时间常数对控制质量的影响 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 第21页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星

10、期二控制通道的纯滞后 ，使控制作用滞后0到达，造成控制偏差增大，系统稳定性下降。控制通道的容量滞后也会造成控制质量下降，影响比纯滞后缓和。2)控制通道的纯滞后对控制质量的影响 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) y0(t)tyyk(t)y1(t)第22页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二控制变量的选择原则： 1.控制变量必须是工艺上可调节的。 2.控制变量一般应比其他干扰量对被控参数的影响灵敏。应使控制通道放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。 3.为使干扰对被控参数影响小。应使干扰通道放大系数小，时间常数尽可能大。扰动进入控制通道的未知要远离被控

11、参数，尽可能靠近控制阀。 4.控制通道存在多个时间常数时，应尽可能使时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常数。 5.要考虑工艺的合理性与生产的经济性。第23页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例：液位控制系统控制变量的选择。影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和液体流出量。这两个变量影响力相当，若由工艺决定液体流出量可控。则选液体流出量作为控制变量。 LC LThQiQo第24页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例.热交换器出口温度控制变量的选择。影响出口温度的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物

12、料流量等。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量作为控制变量。热物料载热介质冷物料热交换器 TT TCQrQiTiTr第25页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例. 提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。此控制系统控制变量的选择。影响灵敏板温度T灵的因素主要有： TT进料的流量（Q入）、进料的成分（ x入）、进料的温度（T入），回流的流量（Q回）、回流的温度（T回），加热蒸汽流量（Q蒸）、第26页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素 TT在两个可控因素

13、中，选蒸汽流量为操纵变量。TC第27页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二检测环节、执行器及调节器正负作用选择 传感器、变送器选择（了解）1按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)测量环节时间常数对测量信号的影响第28页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二3合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图6.15 pH值控制系统图 LT LC中和槽贮酸槽 pHT pHCl04测量信号的处理 测量信号的校正

14、与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。第29页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二执行器的选择 1调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。3调节阀的气开、气关作用方式选择 （1）按控制信号中断时，保证生产设备，人身安全的原则确定（2）保证产品质量原则（3）减少原料，能耗原则（4）基于介质特点的工艺设备安全原则第30页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二调节器正反作用的选择负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相

15、反，才能使被控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。给定值测量变送器控制器执行器对象操作量被控变量干扰第31页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二为了说明选择方法，对各环节先定义一个表示其性质的正（“”），负（“”）符号。变送器：输出信号随被测变量增加而增加，为“”；反之为“”。变送器一般都为“”执行器：气开阀为“”，气关阀为“”被控对象：若控制变量增加，被控参数随之增加，为“”，反之为“”。控制器：正作用控制器：当给定值不变时，随测量值增加，控制器输出增加。 或者测量值不变时，给定值减小时，控制器输出增加。取为“”反作用控制器：当给定值不变时，随

16、测量值增加，控制器输出减小。 或者测量值不变时，给定值减小时，控制器输出减小。取为“”偏差控制器执行器对象变送器给定值被调参数干扰测量值第32页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二偏差控制器执行器对象变送器给定值被调参数干扰测量值 调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈 简单的判定方法：闭合回路中各环节符号之积为“”。第33页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例：储槽液位控制系统LTLCM正气开出料要求：出现故障或气源断开时，不允许物料全部流走。试确定调节器的正，反作用方式。LTLCM反气关出料例：另一工艺的储槽液位控制系统要求：出现故障或气源断开时

17、，物料不能溢出储槽。试确定调节器正反作用方式。第34页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二练习：如图所示加热炉温度控制系统指出系统被控对象，被控参数，调节参数作出系统方框图选择调节阀气开，气关形式选择调节器正反作用方式TTTC燃料出料第35页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二练习：储槽液位控制系统如图。工艺要求：出现故障或气源断开时，不允许物料全部流走。hrQiQo-贮罐LTLCh指出系统被控对象，被控参数，调节参数作出系统方框图选择调节阀气开，气关形式选择调节器正反作用方式并进行验证。第36页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二6.3调

18、节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节器的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。P = f ( e )调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。第37页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二调节规律对控制品质影响的分析（复习）第38页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二比例（P）调节对系统控制品质的影响比例带的物理意义：比例带P是放大倍数KC的倒数，其大小决定比例控制作用的强弱。P越小，控制作用越强、静差越小，系统调节越快、系统稳定性降低。P越大，静差越大。比例带P对控制过程的影响 比例控制的特

19、点控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。控制结果存在余差，随比例度增大而增大。实现定值控制的有差跟踪。第39页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 振荡逐渐加剧PPPPP P越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。 P越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度Pmin ，振荡频率称为临界振荡频率M第40页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二积分（I）调节与比例积分（PI）调节对系统控制质量的影响1 积分控制（I）输出变化量p与输入偏差e的积分成正比当输入偏差e是幅值

20、为e 的阶跃时：TI 积分时间 SI积分速度ee ttu第41页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二积分控制可以消除余差。 积分控制的特点积分输出信号是随时间逐渐增强的，控制作用缓慢，稳定性比P控制差。故一般积分作用不单独使用。第42页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 2 比例积分控制（PI）若偏差是幅值为e 的阶跃干扰ee ttu第43页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二积分时间的物理意义：若偏差是幅值为e的阶跃:当 t = TI 时:积分时间TI对控制过程的影响e e/P2e/PuttTIe第44页，共72页，2022年，5月20

21、日，5点59分，星期二TI越大，Si越小，积分作用越弱， TI = ，Si0，积分作用为零。TI减小，Si增大，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。如果T1适当，系统能很快消除余差。 积分时间TI 或积分速度Si对过渡过程的影响第45页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 比例微分（PD）调节对系统控制品质的影响 式中：TD 微分时间 偏差变化速度 理想微分1 微分控制（D）ee ttu第46页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 微分控制能在偏差出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。提前动作当偏差存在

22、，但不变化时，微分输出为零，对静态偏差毫无抑制能力。不能单独使用。 微分控制的特点eettu第47页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二2 比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制eettutuPD调节是有差调节。PD具有提高系统稳定性，抑制最大动态偏差的作用。PD调节有利与提高系统的响应速度，减小稳态误差。若Td太大，微分作用太强，易造成系统振荡。第48页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。6.3.1.4 （PID）调节对系统控制品质的

23、影响第49页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较被控变量t无控制作用PPDPIDPI第50页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二调节规律优 点缺 点应 用P灵敏、简单，只有一个整定参数；存在静差负荷变化不显著，工艺指标要求不高的对象。适用于一般要求的液位，压力调节系统PI能消除静差，又控制灵敏降低了系统控的稳定性。对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效果不好。应用于调节通道容量滞后较小、负荷变化不大、精度要求高的调节系统。适用于流量，要求较严格的压力，液位调节系统。PD增进调节系统的稳定度，可调小比例度，而加快调

24、节过程，减小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高频干扰。应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的对象。加热较慢的温度控制系统。PID综合了各类调节作用的优点，所以有更高的调节质量。对于滞后很大，负荷变化很大的对象，PID调节也无法满足要求，应设计复杂调节系统应用于调节通道容量滞后较大、负荷变化较大、精度要求高的对象。温度控制系统与成分控制系统调节规律的选择第51页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二0/T00.2，用P或PI 0.20/T01.0，用PD或PID 0/T01.0，用简单控制系统效果不好。若广义对象传递函数可用 描述第52页，共72页，

25、2022年，5月20日，5点59分，星期二6.4调节器参数的工程整定方法控制器参数的整定就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。工程整定法在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。第53页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二稳定边界法（临界比例度法） 属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。（1）

26、 置调节器Ti ， Td=0，比例度P 较大值，将系统投入运行。（2） 逐渐减小P ，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。y(t)Tm 系统临界振荡曲线t第54页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二（3）根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值。 整定参数调节规律 P（%） Ti Td P 2Pm PI 2.2Pm 0.85 Tm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 表6.1 稳定边界法整定参数计算表第55页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二方法：（1）把调节器设成比例作用（Ti=，Td=0），置于较

27、大比例度，投入自动运行。（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。记下此时的比例度Ps及周期Ts。n=10:1时，记Ps及TsTsTr衰减曲线法 也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。第56页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各种调节规律时的整定参数。表6.2 衰减比为4:1时，整定参数计算表表6.3 衰减比为10:1时，整定参数计算表0.1Ts0.3 Ts0.8PsPID 0.

28、5 Ts1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数调节规律0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数调节规律第57页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二响应曲线法属于开环整定方法。以广义对象的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作广义对象的阶跃响应曲线。给定值控制器被控变量测量变送器执行器对象第58页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数K0、T0、0，用表6-4的经验公式求整定参数。T00 表6.4 响应曲线法整定参数的公式

29、0.5020PID3.30PIPTdTiP（%） 整定参数调节规律第59页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二 经验法 凭经验凑试。 其关键是“看曲线，调参数”。控制器参数对控制过程的影响：比例度逐渐减小积分时间逐渐减小微分时间逐渐增大第60页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二6.4.5 几种整定方法的比较整定方法优 点缺 点反应曲线法方法简单系统开环，被调量变化较大，影响生产稳定边界法系统闭环会出现被调量等幅振荡衰减曲线法系统闭环，安全实验费时经验法系统闭环，不需计算需要经验第61页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二注意：同一个系统，

30、最佳整定参数可能不是唯一的。不同的PID参数组合，有时会得到极为相近的控制结果。例如某初馏塔塔顶温度控制系统，控制器采用以下两组参数时： P 15 TI 7.5min P 35 TI 3 min系统都得到10:1的衰减曲线，超调量和过渡时间基本相同。 第62页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二例：一蒸汽加热的热交换温度控制系统，要求热水温度稳定在65。当调解阀输入信号增加1.6mADC（调节阀门输入电流范围为420mADC）时，热水温度上升为67.8 ，并达到新的稳定状态。温度变送器量程和调节器刻度范围为3080 。从温度动态曲线上可以测出 。如果采用PI或PID调节规律，计算调节器的整定参数。解：由题意：代入表64计算即可。第63页，共72页，2022年，5月20日，5点59分，星期二6.5 简单控制系统设计实例 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2%2.5%。6.5.1 生产过程概述6.5.2 控制方案设计6.5.2.1 被控参数选择直接参数选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。间接参数奶粉含水量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在1502，则奶粉含水量符合2