工业过程控制-第5章

第五章简单控制系统设计本章主要内容5.1简单控制系统设计概述5.2控制方案的确定5.3调节器的参数整定5.4单回路控制系统设计实例5.1简单控制系统设计概述

简单控制系统通常是指由一个测量元件、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。过程（又称对象）–被控制的装置或设备c(t)(或y(t))–被控参数（系统输出）：过热蒸汽的温度f(t)–扰动作用，作用与被控过程引起被控参数变化的各种因素q(t)–控制参数（操纵变量）u(t)–控制作用，控制器的输出值r(t)–给定值（设定值）测量变送器–将c(t)成比例地转换为测量信号z(t)(反馈值)4控制系统的开发步骤1、熟悉控制系统的技术要求或性能指标2、建立控制系统的数学模型3、确定控制方案4、根据系统的动态和静态性能进行分析和综合5、系统仿真和实验研究6、工程设计7、工程安装8、控制器的参数整定55.2控制方案的确定被控变量的选取生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。被控变量选取的一般性原则

它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用；能直接测量或间接计算得到的工艺变量作为被控参数；采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度；考虑工艺上的合理性以及所采用仪表的性能、价格等因素例如：直接测量蒸汽锅炉水位控制，水位过高过低会造成严重生产事故，直接与锅炉安全运行有关；容器的液位；加热器中的蒸汽温度。间接测量精馏塔利用混合物各成分挥发度不同，将混合物分离成较纯组分产品和中间产品的设备。图2精馏过程示意图1—精馏塔；2—蒸汽加热器图3苯-甲苯溶液的T-x图2.控制变量（操纵量）的选取被控量选定后，下一步选择操纵变量，克服扰动对被控变量的影响。有些生产过程，控制变量是唯一确定的，如锅炉水位控制系统：

控制参数只能选给水量。但当工艺有多种操纵量可供选择时，要根据过程控制通道和扰动通道特性对控制质量的影响来合理选择操纵量。例：牛奶干燥工艺几个概念控制通道：操纵量对被控量作用的通道。扰动通道：扰动量对被控量作用的通道。图4干扰通道与控制通道示意图

干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；

操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。控制通道放大系数Ko：被控变量的变化量与操纵变量的变化量在时间趋于无穷大时之比。扰动通道放大系数Kf：过程受到阶跃扰动，过程从原有稳定值达到新的稳态时，被控量的变化量与扰动幅度之比。过程静态特性对控制质量的影响1.干扰通道特性对控制质量的影响被控量对扰动量的传递函数：简化形式设：小结c过程动态特性对控制质量的影响1.扰动通道动态参数的影响（干扰点位置）（1）时间常数Tf的影响Tf越大，滤波能力越强，扰动对被控量影响越小，控制质量好。（2）滞后时间的影响当扰动有纯滞后时，（3）扰动点位置的影响三只水箱均为一阶惯性环节；扰动位置离被控参数越近（离调节阀越远），对被控量影响越大；扰动位置离被控参数越远（离调节阀越近），扰动对被控量影响越小；原因：滤波作用（通过惯性作用）。2.控制通道动态特性对控制质量的影响（1）时间常数To的影响To大：被控参数变化缓慢，控制不及时，过渡过程时间长，控制质量下降。To小：克服扰动的影响太快，易引起系统振荡，系统稳定性下降，所以要适当小。系统设计时，要求控制通道时间常数To适当小，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。（2）控制通道滞后时间对系统的影响动态偏差增大，超调量增加，控制质量下降；增加系统开环频率特性的相角滞后，导致系统稳定性降低。（3）时间常数分配的影响结论：时间常数相差越大，临界稳定的增益K则越大，对系统稳定性越有利；保持稳定性相同情况下，时间常数错开越多，系统开环增益就可以增大越多，对系统控制质量越有利。小结：1.控制通道放大系数Ko---适当大一些；时间常数To---适当小一些；纯滞后---越小越好，有纯滞后时，与To之比应小一些（小于0.3），若比值过大，则难于控制。2.扰动通道放大系统Kf---尽可能小；时间常数Tf---要大；扰动引入系统的位置---要靠近调节阀（远离被控参数）3.时间常数分配设法把几个时间常数错开，通常控制器、调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控过程的时间常数。3.选择检测、变送器（1）检测变送都有一定的时间常数，尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。一般选时间常数为控制通道时间常数的1/10一下为宜。（2）采用微分超前补偿3.选择检测、变送器（3）合理选择测量，安装点位置对纯滞后要尽可能进行补偿。（p151）蒸汽直接加热器注意：安装成分分析仪器时，取样管线太长，取样点安装离设备太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。4.执行器的选择四方面考虑：执行器选型；调节阀尺寸选择；流量特性；气开气关；（1）执行器选型了解介质工艺条件：温度，压力，流量等了解介质特性：黏度，腐蚀性，毒性，液态，气态等直通单座调节阀—前后压差小，允许泄漏量小。直通双座调节阀—前后压差大，允许泄漏量大。隔膜阀—被控介质为强碱、强酸、强腐蚀性流体。角型调节阀—被控介质含有固体悬浮物、黏度较高。（2）调节阀尺寸选择正常工况下要求调节阀开度处于15%-85%之间；调节阀口径选的小，系统受到较大扰动时，调节阀可能运行在全开或接近全开的非线性饱和工作状态，是系统暂时失控；调节阀口径选的大，系统运行中阀门会经常处于小开度工作状态，调节不灵敏，易振荡，甚至导致调节失灵。（3）流量特性调节阀的传递函数：气动阀：阀与管道作为一个整体—一阶特性小型调节阀—比例特性电动阀：比例环节调节阀工作流量特性的选择原则广义对象为线性时，调节阀也为线性；广义对象为非线性时，调节阀也为非线性。（4）气动执行器的气开、气关选择调节阀开、关形式的选择主要考虑在不同工艺条件下安全生产的需要。例：锅炉供水调节阀气关式加热炉的燃料油的调节阀气开式5.调节器的选择（1）选择控制器的控制规律根据系统特性选择a.比例控制规律（P）特点：反应快，有余差适用：控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。例：水箱液位控制5.调节器的选择b.比例积分控制规律（PI）特点：消除余差适用：控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控|

参数不允许有余差的场合。c.比例微分控制规律（PD）特点：具有超前作用，对容量滞后过程可以改善

系统动态性能指标。适用：对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，提高系统的稳定性，减小动态偏差。不适用：纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性扰动的系统。例：温度控制5.调节器的选择d.比例积分控制规律（PID）特点：消除余差，提高系统稳定性。适用：控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，控制要求较高的场合。例：温度控制，成分控制5.调节器的选择（1）选择控制器的控制规律根据的比值选择控制规律5.调节器的选择（2）选择控制器的正反作用控制器有正作用和反作用两种方式，确定原则是：使整个单回路构成负反馈系统。因而，调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的开、关形式有关。方法：（1）根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开关形式气开式：Kv+气关式：Kv-（2）按被控过程特性，确定其正、反作用正作用：Ko+当输入（通过调节阀的物料或能量）增加（或减小）时，输出（被控参数）亦增加（或减小）。反作用：Ko-当输入（通过调节阀的物料或能量）增加（或减小）时，输出（被控参数）减小（或增加）。例：判断下列被控过程的正反作用流量上升，液位上升；

Ko+蒸汽增加，温度增加；

Ko+冷水增加，温度下降；

Ko-（3）控制器（调节器）的正、反作用正作用调节器，Kc-当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数Kc取负；反作用调节器，Kc+当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数Kc取正；（4）反馈系数Km+测量变送环节的静态增益规定为正值。（5）根据负反馈系统原理Km×Kc×Kv×Ko=（+）例：a.蒸汽加热系统Kv（+）气开Ko（+）Kc（+）反作用调节器Km（+）b.水冷却系统Kv（+）气开Ko（-）Kc（-）正作用调节器Km（+）例题分析1.下图锅炉的压力和液位控制系统的示意图,试确定系统中控制阀的气开、气关型式及控制器的正反作用。锅炉控制解：在液位控制系统中,如果从安全角度出发,主要是要保证锅炉水位不能太低,则控制阀应选择气关型,以便当气源中断时,能保证继续供水,防止锅炉烧坏。如果要保证蒸汽的质量,汽中不能带液,那么就要选择气开阀,以便气源中断时,不再供水,以免水位太高。例题分析本题我们假定是属于前者的情况，控制阀应选择气关型，为“-”方向；当供水流量增加时，液位是升高的，故对象为“+”方向；测量变送器一般都是“+”方向，故在这种情况下，液位控制器LC应为正作用方向。在蒸汽压力控制系统中，为了保证气源中断时，能停止燃料供给，以防止烧坏锅炉，故控制阀应选择气开型，为“+”方向；当燃料量增加时，蒸汽压力是增加的，故对象为“+”方向；测量变送器为“+”方向，故压力控制器PC应为反作用方向。例题分析：2.下列图中，调节器应该选用正作用方式，还是反作用方式？为什么？a.正作用b.正作用c.反作用

d.正作用e.反作用

5.4单回路控制系统设计实例例：干燥过程的控制系统设计工艺过程：乳液—奶粉质量要求：水分含量一定温度稳定：±2℃f3换热蒸汽1.选择被控量y(t):影响产品质量的直接参数是水分含量，不宜测量（不准确），故选温度间接测量。2.选择控制量（操纵量）影响干燥器温度的因素：f1乳液流量；f2旁路空气；f3换热蒸汽所以有三种控制方案：f1，f2，f3中选一个控制量+一个调节阀+一个被控量（温度）+一个温度检测变送+一个控制器---单回路控制系统（1）乳液流量f1为控制量优点：乳液直接进入干燥器，控制通道滞后量小，校正灵敏，f2，f3作为扰动量，扰动通道滞后大。缺点：f1