简单控制系统课件

第12章简单控制系统第12章简单控制系统本章主要回答如下三个问题：（1）控制什么？（2）拿什么来控制？（3）通过什么方式控制？第十二章简单控制系统2本章主要回答如下三个问题：第十二章简单控制系统2第一个问题：控制什么？答：控制工艺要求的指标。具体分为两种情况：（1）工艺要求的指标可以直接在线测量直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）。（2）工艺要求的指标不可以直接在线测量寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）。例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据实际分析，最终确定：固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的。3第一个问题：控制什么？答：控制工艺要求的指标。具体分为两种情第二个问题：拿什么控制？答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控制。K大一些，T小一些，τ最好为0。测量仪表的选用和安装执行器的选用和安装4第二个问题：拿什么控制？答：拿一个对被控变量影响较显著的变量第三个问题：以什么方式控制？答：没有标准答案（选择合适的调节规律）最常用的调节规律：位式控制、P、PI、PD、PID（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）后续问题：如何整定PID参数？答：临界比例度法＋经验衰减曲线法＋经验经验凑试法最好的方法就是“经验”5第三个问题：以什么方式控制？答：没有标准答案（选择合适的调节12.1简单控制系统的组成四个基本环节：

测量变送环节控制器执行器被控对象被控变量控制器执行器被控对象测量变送环节干扰偏差设定值＋－612.1简单控制系统的组成四个基本环节：测量变送环节被控控制器(LC或TC)执行器（控制阀）被控对象（液位储槽或换热器）测量、变送环节（LT或TT）被控变量（液位或温度）干扰偏差设定值＋－广义对象简单控制系统方块图载热体冷流体换热器温度控制系统液位控制系统常见的两种简单控制系统：12.1简单控制系统的组成7控制器执行器被控对象测量、变送环节被控变量干扰偏差设定值＋－

1、基本要求：

（1）控制系统设计人员要掌握较为全面的自动化专业知识，同时尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；（2）要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；（3）工艺人员要注意倾听自动化专业技术人员的建议，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化；（4）设计一定要遵守有关的标准﹑行规，按科学合理的程序进行。12.2简单控制系统的设计12.2.1控制系统设计概述81、基本要求：12.2简单控制系统的设计12.2.（1）确定控制方案2、基本内容

（2）仪表及装置的选型（3）相关工程内容的设计12.2简单控制系统的设计12.2.1控制系统设计概述9（1）确定控制方案2、基本内容（2）仪表及装置的选型（3）

3、基本步骤

（1）初步设计

（2）施工图设计

（3）设计文件和责任签字

（4）参与施工和试车

（5）设计回访12.2.1控制系统设计概述103、基本步骤12.2.1控制系统设计概述1012.2.2被控变量的选择明确控制目的使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）分析生产工艺“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量确定被控变量两种控制类型：直接指标控制和间接指标控制。1、选择被控变量选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述简单控制系统的设计1112.2.2被控变量的选择明确使生产过程自动按照预定的目标精馏过程示意图冷却水TDp进料

Q入，X入，T入回流F塔底产品塔顶产品QZ蒸汽TH苯－二甲苯的T-x图TD

/℃XD%苯－二甲苯的P-x图P/MPaXD%

塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之间的关系为：XD=f(TD，P)，两个独立变量。例：精馏塔系统的被控变量选择12.2.2被控变量的选择12精馏过程示意图冷却水TDp进料Q入，X入，T入回流F塔底产

（1）有代表性

被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是比较重要的变量。

（2）应该独立可控

简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合)关系。

（3）滞后要小

采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。

（4）灵敏度要高

被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。

（5）成本要低

选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。

2、被控变量选择的一般原则12.2.2被控变量的选择13（1）有代表性被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反1、操纵变量与干扰变量

12.2.3操纵变量的选择Q入T入X入QZFTH被控变量TD影响塔顶温度的各种输入示意图被控对象原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。

选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述141、操纵变量与干扰变量12.2.3操纵变量的选择Q入T入

精馏过程示意图冷却水TDp进料

Q入，X入，T入回流F塔底产品塔顶产品QZ蒸汽TH进料流量Q入不可控进料成分X入

不可控进料温度T入

不可控回流流量F

可控回流温度TH

不可控加热蒸汽流量QZ

可控冷凝器冷却温度不可控塔压P不可控例：精馏塔系统的操纵变量选择12.2.3操纵变量的选择15精馏过程示意图冷却水TDp进料Q入，X入，T入回流F塔底控制通道干扰通道干扰变量控制变量被控变量干扰作用与控制作用之间的关系

被控对象控制质量：系统的过渡过程形式——超调量、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期对象特性：（1）系统的输入输出关系

（2）分为对象静态性质和对象动态性质（3）考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量2、对象特性对控制质量的影响12.2.3操纵变量的选择16控制通道干扰通道干扰变量控制变量被控变量干扰作用与控制作用之放大系数绝对放大系数YXPOY/(YMAX-YMIN)X/(XMAX-XMIN)

相对放大系数控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征。从控制有效性考虑，K0应适当的大一些；干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征。希望Kf小一些，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小；操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。

3、对象稳态性质对控制质量的影响12.2.3操纵变量的选择17放大系数绝对放大系数YPOY/(YMAX-YMIN（1）控制通道时间常数T0（2）控制通道滞后时间τ0

T0小一点好，不能过大，否则会使控制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长

A:无纯滞后时的校正作用B:有纯滞后时的校正作用C:不受控下的输出曲线D:无纯滞后时的输出曲线E:有纯滞后时的输出曲线3、对象稳态性质对控制质量的影响12.2.3操纵变量的选择18（1）控制通道时间常数T0（2）控制通道滞后时间τ0T干扰通道纯滞后τf的影响无纯滞后有纯滞后3、对象稳态性质对控制质量的影响（3）干扰通道时间常数Tf

Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量。（4）干扰通道滞后时间τf

干扰通道的纯滞后τf一般不会影响控制质量。12.2.3操纵变量的选择19干扰通道纯滞后τf的影响无纯滞后有纯滞后3、对象稳态性质对控4、操纵变量的选择原则

（1）操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。

（2）操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，应合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小、纯滞后时间尽量小。同时为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。

（3）在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量是不宜经常波动的。12.2.3操纵变量的选择204、操纵变量的选择原则（1）操纵变量应是可控的，即工艺乳化物干燥系统示意图乳化物高位槽过滤器12WWW3蒸汽空气产品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)

工艺要求在保证产品含水率合格的前提下，保证最大产量。

被控变量产品含水率－>干燥温度T1

影响被控变量的主要输入变量乳化物流量Fw

旁路空气流量FQ

加热蒸汽流量Fp

举例：乳液干燥器控制系统设计12.2.3操纵变量的选择21乳化物干燥系统示意图乳化物高位槽过滤器12WWW3蒸汽空气产方案I：取乳液流量为操纵变量（控制阀Ⅰ）f2f3XY混合过程风管风管换热器控制器控制阀Ⅰ干燥器测量变送图2乳液流量为操纵变量的方框图12.2.3操纵变量的选择22方案I：取乳液流量为操纵变量（控制阀Ⅰ）f2f3XY混合过程方案II：取旁路空气量为操纵变量（控制阀Ⅱ）XY控制器控制阀Ⅱ混合过程风管风管干燥器测量变送换热器f1f3图3风量为操纵变量时的系统方框图12.2.3操纵变量的选择23方案II：取旁路空气量为操纵变量（控制阀Ⅱ）XY控制器控制阀方案III：取蒸汽流量为操纵变量（控制阀Ⅲ）XYf1f2控制器控制阀Ⅲ换热器风管风管干燥器混合过程测量变送图4蒸汽流量为操纵变量的系统方框图12.2.3操纵变量的选择24方案III：取蒸汽流量为操纵变量（控制阀Ⅲ）XYf1f2控制三种控制方案评估：

12.2.3操纵变量的选择

方案Ⅰ：控制性能最优；但乳液流量是生产负荷，一般要求保证产量，不宜经常波动，所以，不宜选作操纵变量。

方案Ⅱ：旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，与图2相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用灵敏度次之。

方案Ⅲ：蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。综合考虑应选择方案II，以旁路空气量为操纵变量。25三种控制方案评估：12.2.3操纵变量的选择方案Ⅰ选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述12.2.4控制器控制规律的选择1、常用的几种控制规律

（1）位式控制适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。

（2）比例控制

优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。

缺点：在过渡过程终了时存在余差适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。26选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系

（4）比例微分控制

优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善控制质量。

缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。

（3）比例积分控制

优点：系统在过渡过程结束时无余差

缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。12.2.4控制器控制规律的选择1、常用的几种控制规律27（4）比例微分控制（3）比例积分控制12.2.4控

（5）比例积分微分控制比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。

12.2.4控制器控制规律的选择1、常用的几种控制规律28（5）比例积分微分控制12.2.4控制器控制规律的选择2、控制器正、反作用的选择

保证整个控制系统形成负反馈。在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。

所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。（1）何谓“正”、“反”作用？（2）控制器正、反作用选择的基本原则12.2.4控制器控制规律的选择292、控制器正、反作用的选择保证整个控制系统形成负反馈被控对象正作用：操纵变量q增加，被控变量y增加反作用：操纵变量q增加，被控变量y减少测量变送正作用：被控变量y增加，测量值z增加反作用：被控变量y增加，测量值z减少控制器正作用：偏差e增加，输出p增加反作用：偏差e增加，输出p减少执行器正作用：控制器输出信号p增加，操纵变量q增加反作用：控制器输出信号p增加，操纵变量q减少2、控制器正、反作用的选择12.2.4控制器控制规律的选择30被控对象正作用：操纵变量q增加，被控变量y增加反作用：操纵（3）控制器正、反作用选择的步骤①判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定；②判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定；③确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；④确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。被控变量控制器执行器被控对象测量变送环节干扰偏差设定值＋－广义对象31（3）控制器正、反作用选择的步骤①判断被控对象的正反作用方向燃料气TC加热炉出口温度控制控制器正、反作用选择的实例液位控制2、控制器正、反作用的选择12.2.4控制器控制规律的选择32燃料气TC加热炉出口温度控制控制器正、反作用选择的实例液位控锅炉汽包水位控制系统蒸汽汽包给水省煤器被控变量：汽包液位被控对象：锅炉汽包主要扰动：进水流量

蒸汽量的变化

给水压的变化操纵变量：进水流量12.2简单控制系统的设计举例：33锅炉汽包水位控制系统蒸汽汽包给水省煤器被控变量：汽包液位12锅炉汽包水位控制系统的方块图给水阀锅炉汽包12.2简单控制系统的设计举例：34锅炉汽包水位控制系统的方块图给水阀锅炉汽包12.2简单控蒸汽汽包省煤器给水控制器正、反作用控制器应选正作用控制器过程分析根据安全原则，供气中断时给水阀应全开，所以应选气关阀。12.2简单控制系统的设计举例：35蒸汽汽包省煤器给水控制器正、反作用控制器应选正作用控制器过程12.3控制系统的投运与参数整定1、控制系统的投运

（1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故障时能及时确定故障原因；

（2）根据经验或估算比例度δ、积分时间TI和微分时间TD的数值，或将控制器放在纯比例作用，δ放在较大位置；

（3）确认控制阀的气开、气关和控制器的正、反作用；

（4）手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定δ、TI和TD三个参数。3612.3控制系统的投运与参数整定1、控制系统的投运（1２、控制器参数的工程整定参数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。即确定最合适的控制器比例度δ、积分时间TI和微分时间TD，使控制质量能满足工艺生产的要求。对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈4:1至10:1的衰减振荡过程。yt4:1yt10:1参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）。12.3控制系统的投运与参数整定37２、控制器参数的工程整定参数整定就是按照已定的控制方案（1）临界比例度法

方法：先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度δK，周期称为临界振荡周期Tk。然后按表7-1中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。Tkttfy临界振荡过程注意：当不存在临界比例度、临界比例度过小、不允许等幅振荡时，该方法不适用。２、控制器参数的工程整定12.3控制系统的投运与参数整定38（1）临界比例度法方法：先将控制器放在纯比例作用，在干扰（1）临界比例度法表7-1临界比例度法参数计算公式控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)P2δK

PI2.2δK

0.85Tk

PD1.8δK

0.85Tk

PID1.7δK

0.5Tk0.125Tk

２、控制器参数的工程整定12.3控制系统的投运与参数整定

临界比例度法的使用条件：①该法广泛应用于放大倍数较小，即控制器输出范围较小的系统；②使用该法必须是工艺系统允许短时间震荡的情形。39（1）临界比例度法表7-1临界比例度法参数计算公式控制作用（2）衰减曲线法２、控制器参数的工程整定12.3控制系统的投运与参数整定

具体方法：①在纯比例控制（TI=0，TD=）条件下通过试验选择适宜的比例度s使系统呈现4:1或10:1的衰减比；②再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公式计算实际参数值、TI

、TD

。

使用条件：①干扰作用不太频繁；②干扰作用的规律性较强。40（2）衰减曲线法２、控制器参数的工程整定12.3控制系统控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)PδS

PI1.2δS

0.5TsPID0.8δS

0.3Ts0.1Ts4:1衰减法参数计算公式表

fytTst4:1（2）衰减曲线法２、控制器参数的工程整定12.3控制系统的投运与参数整定41控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)PδS控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)PδS

PI1.2δS

2T升

PID0.8δS

1.2T升

0.4T升

10:1衰减法参数计算公式表

ytT升ft10:1（2）衰减曲线法２、控制器参数的工程整定12.3控制系统的投运与参数整定42控制作