第七章简单控制系统

过程装备控制及仪表过控装备与安全工程系教师：郭勇2008年5月第七章

简单控制系统基本要求：5.掌握控制器参数工程整定的方法。1.了解简单控制系统的结构、组成及作用。2.掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则。3.了解各种基本控制规律的特点及应用场合。4.掌握控制器正、反作用确定的方法。第七章

简单控制系统第一节简单控制系统的结构及组成一、定义所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，因此有时也称为单回路控制系统。二、简单控制系统的典型方块图：给定值偏差控制器执行器控制信号操纵变量被控对象被控变量干扰测量值检测变送装置第七章

简单控制系统第一节简单控制系统的结构及组成三、控制系统图的表达LTLC液位控制系统TTTC换热器冷流体载热体温度控制系统根据自控设计规范，省略了测量变送环节第七章

简单控制系统第二节被控变量的选择一、选择“关键变量”作被控变量所谓“关键变量”是指对产品的产量、质量以及安全具有决定性作用，而人工操作又难以满足要求或者虽然人工操作可以满足要求但操作是紧张而频繁的。二、直接指标控制与间接指标控制1.直接指标控制：被控制的指标本身就是需要控制的工艺指标（如温度、压力、流量、成分等）。2.间接指标控制：以产品质量为控制指标，但质量信号无法检测，或检测到的信号微弱或滞后很大，这时就需要选取与其有单值关系而反应又快的另一变量进行控制，称为间接指标控制。第七章

简单控制系统第二节被控变量的选择三、被控变量选择的原则 被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它的选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态的重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量变尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号。或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。第七章

简单控制系统第三节操纵变量的选择一、定义在自动控制系统中，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操纵变量。最常见的操纵变量时介质的流量。二、操纵变量选择的原则（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的 变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数 要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经 济性。第七章

简单控制系统第三节操纵变量的选择三、控制通道特性和干扰通道特性操纵变量和被控变量之间的关系构成了被控对象的控制通道特性。干扰和被控变量之间的关系构成了被控对象的干扰通道特性。干扰操纵变量被控变量干扰通道控制通道干扰起破坏作用，而操纵变量起校正作用，二者是一对互相矛盾的变量。第七章

简单控制系统第三节操纵变量的选择四、对象特性对选择操纵变量的影响

K0的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度，K0大，影响越显著，控制作用更有效。但K0过大，会引起系统不稳定。①放大系数K0（静态特性）Ⅰ.控制通道时间常数T的影响：

T不宜过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓，超调量大，过渡时间长，故要求T小一些，使之反应灵敏，控制及时。②动态特性的影响：第七章

简单控制系统第三节操纵变量的选择四、对象特性对选择操纵变量的影响②动态特性的影响：Ⅱ.控制通道纯滞后的影响：控制器接收到正偏差信号时，纯滞后使超调量增加。控制器接收到负偏差信号时，可使过渡过程的振荡加剧，稳定性变差。故应使τ0尽量小。Tf

越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢。应设法使干扰到被控变量的通道长一些，Tf

大一些。Ⅲ.干扰通道时间常数Tf

的影响：第七章

简单控制系统第三节操纵变量的选择四、对象特性对选择操纵变量的影响②动态特性的影响：Ⅳ.干扰通道纯滞后

τf

的影响干扰通道纯滞后只是将干扰的作用推迟了τf

，控制作用亦推迟了τf

，对控制质量没有影响。第七章

简单控制系统第四节测量元件特性的影响一、测量元件特性的影响（检测变送环节的影响）（1）测量元件时间常数Tm的影响：对测温元件来讲，存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，当时间常数较大时，控制器接收到的将是一个失真的信号，不能发挥正确的校正作用，质量无法达标。减小时间常数的方法：①选用惰性小的快速测量元件，例如用快速势电偶代替普通热电偶或温包。（当Tm

小于对象时间常数1/10时，对质量影响不大）②必要时引入微分作用，利用过超前作用来补偿测量元件的动态误差。③保证测量元件安装，使用正确。④使用过程中注意维护、检查。第七章

简单控制系统第四节测量元件特性的影响一、测量元件特性的影响（检测变送环节的影响）（2）测量元件的纯滞后τ0

的影响：在过程控制中，由于检测元件安装不正确或不适当，将会产生纯滞后，如图所示，pH控制系统：

酸或碱中和槽LTLCATACl1电极l2第七章

简单控制系统第四节测量元件特性的影响一、测量元件特性的影响（检测变送环节的影响）（2）测量元件的纯滞后τ0

的影响：主管道流速过大，不宜放置电极，故引出支管安放电极，支管的引入，使得pH的测量引入纯滞后τ0

l1、l2：主管道、支管道长度

u1、u2：主管道、支管道内流体流速第七章

简单控制系统第四节测量元件特性的影响二、测量元件特性的选用、安装、维护注意事项检测元件要正确选用、合理安装、及时维护，以便经常保证检测元件有足够的测量精度、较小的时间常数，尽量小的纯滞后和信号的传递滞后。第七章

简单控制系统第五节控制器正反作用方向一、控制器的作用方向控制作用对被控变量的影响应当与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。

作用方向：指输入变化后，输出的变化方向输入增加，输出也增加反作用：输入增加时，输出减小。在控制系统中，被控对象，测量元件及变送器，控制器，执行器都有各自的作用方向。第七章

简单控制系统第五节控制器正反作用方向一、控制器的作用方向（1）测量元件及变送器：当被控变量增加时，其输出一般也会增加，故其作用方向一般都是“正”的。热敏电阻“反”（2）执行器：其作用方向取决于气开还是气闭阀。气开阀：当控制器输出信号增加时，其开度增加，因而流过阀的流体流量增加，故属“正方向”。气闭阀：与气开阀相反，属“反方向”第七章

简单控制系统第五节控制器正反作用方向一、控制器的作用方向（3）控制器：正作用：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器输出增加；或当测量值不变，给定值减小时，控制器输出增加。亦即e

增加，控制器输出增加。反作用：与上相反。第七章

简单控制系统第五节控制器正反作用方向二、举例I．加热炉出口温度控制系统原料油出口TC反"正"正"对象：加热炉操纵变量：燃料气流量被控变量：原料油出口温度第七章

简单控制系统第五节控制器正反作用方向二、举例对对象而言:

操纵变量增加，其被控变量增加，故对象属“正作用”方向：对执行器而言：从工艺安全条件出发，选择气开阀，以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子，此时，执行器为“正作用”。对控制器而言:

为保证系统是负反馈，即当炉温上升时，控制器TC的输出减小而关小燃料气阀门，使炉温下降，故控制器应选“反作用”。I．加热炉出口温度控制系统第七章

简单控制系统第五节控制器正反作用方向二、举例Ⅱ.简单液位控制系统：对象：贮液罐。当控制阀开度增加时，液位下降，故对象是“反作用”执行器：控制阀。为保证一旦停气或断气，阀门能自动关闭，以免物料全部流走，

应选气开阀，是“正作用”控制器：在液位升高时，测量值增加，控制器的输出增加，以保证控制阀的开度增加，使液位下降，故控制器是“正作用”问：被控变量和操作变量是什么？第七章

简单控制系统第六节控制器参数的工程整定一、综述当一个控制系统设计安装完成后，系统的各个环节以及被控对象各通道的特性就不能再改变了，只能改变调节器的比例度

δ、TI、TD，即调节器的参数整定，其目的就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量的最佳参数值。例如，对单回路控制系统，一般希望过渡过程是4:1~10:1的衰减振荡过程。第七章

简单控制系统第六节控制器参数的工程整定二、整定方法分类（1）理论计算整定法：常见的有根轨迹法，频率响应法，偏差积分准则等。特点：必须知道被控对象的特性，才能获得最佳的参数。在缺乏足够被控对象特性资料时，难以得到准确的参数，对复杂过程而言，其计算繁琐，工作量大，费时。常用于科研工作中做方案比较用。第七章

简单控制系统第六节控制器参数的工程整定二、整定方法分类（2）工程整定法避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，通过改变控制器参数，观察被控变量的过渡过程，来获取参数的最佳值。常见有临界比例法，衰减曲线法和经验凑试法

第七章

简单控制系统第六节控制器参数的工程整定二、整定方法分类Ⅰ．临界比例法又称Ziegler-Nichols方法，早在1942年已提出，它首先求取在纯比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度δk

和振荡周期

Tk（临界周期），再根据经验公式计算相应的调节器参数。具体步骤：①将积分和微分作用去掉，在纯比例的情况下，按比例度从小到大的规律，对应于某一

δ值做小幅度的设定值阶跃干扰，直到获得等幅振荡的过渡过程；②根据表7-1所给的经验公式计算出各参数整定值。第七章

简单控制系统第六节控制器参数的工程整定二、整定方法分类表7-1所列是PID参数整定算式的闭环系统得到4：1的衰减比，并且有合适的超调量为目标。适用条件：①工艺允许被控变量作等幅振荡。②在获取等幅振荡曲线时，不能使阀出现全开或全关的极限状态。否则由此获得的等幅振荡实际上是“极限循环”，从线性系统的概念上说系统早已发散了。③对临界比例度很小的系统不适用。由于

δk

很小，则控制器输出变化一定很大，被调参数容易超出允许范围，影响正常生产。

第七章

简单控制系统第六节控制器参数的工程整定二、整定方法分类Ⅱ．衰减曲线法

Ⅲ.经验试凑法自学第七章

简单控制系统实例分析例1.试确定如图所示系统（图示系统为冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶）中控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用。第七章

简单控制系统实例分析

解：由于被冷却物料温度不能太低，当控制阀膜头上气源突然中断时，应使冷剂阀处于关闭状态，以避免大量冷剂流入冷却器，所以应选择气开阀型式。当冷剂流量增大时，被冷却物料出口温度是下降的，故该对象为“反作用”方向的，而气开阀是“正”作用方向的，为使整个系统能起负反馈作用，故该系统中控制器应选“正”作用的。当出口温度增加时，控制器的输出增加、使控制阀开大，增加冷剂流量，从而自动地使出口温度下降，起到负反馈的作用。第七章

简单控制系统实例分析例2．如图所示为一蒸汽加热器温度控制系统。（1）指出该系统中的被控变量、操纵变量、控对象各是什么？（2）该系统可能的干扰有哪些？（3）该系统的控制通道是指什么（4）试画出该系统的方块图。（5）如果被加热物料过低易结晶时，试确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用。（6）试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控制过程及各信号的变化情况