HG第七章简单控制系统-位图

第七章简单控制系统第一节简单控制系统的结构与组成第二节

被控变量的选择第三节操纵变量的选择第四节

测量元件特性的影响第五节控制规律的选择第六节

控制器参数的工程整定1第一节简单控制系统的结构与组成定义：由一个测量仪表（测量元件、变送器）、一个控制器和一个执行机构所组成的控制一个对象参数的（单闭环）控制系统。简单控制系统又称单回路控制系统。简单控制系统是构成复杂控制系统的基础。优点：简单、有效；应用最成熟、最普遍,占90%以上。2简单控制系统举例3简单控制系统方块图4控制系统的作用等控制系统的作用（定值）：维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好特点：偏差控制：纠正偏差分类：按被控参数分类：温度控制回路、压力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路

按给定值分类：定值、随动、程序（顺序）5第二节

被控变量的选择方法：1、直接参数法选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。一般是可以直接进行测量和控制的参数，如：温度、压力、液位、流量等。2、间接参数法

选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量称为间接参数法。如：质量指标，以及一些特殊的参数，如成份等，在一般条件下，无法直接测量和控制；应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制。重要性：即，要控制什么？基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产量、质量、安全）。6被控变量的选择实例－苯、甲苯二元精馏系统质量指标是最重要的控制参数如塔顶产品的纯度

xD，但xD

目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。根据精馏原理，xD=f(TD,P),即与温度和压力成非线性函数关系。理论上，固定一项，就可用另一项控制xD

。

一般的，实际中都采用恒定P，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。？7被控变量的选择原则工艺过程的重要参数；在工艺系统中易受干扰变化，需要经常调节的参数；尽可能选用直接指标作为被控参数，必要时可用与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。被控变量应方便检测，并有足够的灵敏度；考虑工艺合理性和国内仪表产品现状；被控变量应是独立可控的。如下：8第三节

操纵变量的选择对象特性分析

对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统设计单回路控制系统:

必须从影响被控量的诸多影响参数中选择一个，作为操纵变量；其它影响量则只能视作干扰量。控制：用操纵量克服干扰量对被控变量的影响。9精馏塔:影响塔板温度的因素精馏塔:影响塔板温度的因素有：压力、进料流量、进料成分等。

10问题：如何选择一个良好的操纵变量分析对象通道特性操纵量—输出变量：控制通道干扰量—输出变量：干扰通道11干扰通道特性分析（1）放大倍数K的影响K越大，对被控变量的影响越大,越小越好.（2）时间常数T的影响T越大，干扰对被控变量的影响越缓慢。越大越好.干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大。（3）纯滞后τ的影响干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，只是滞后了干扰对控制的影响。12控制通道特性分析（1）

放大倍数K0的影响控制通道放大倍数K0大，控制系统稳态余差小.从控制角度看，K0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望K0大些好

.13控制通道特性分析（续）（2）

时间常数T的影响结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。一般希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统14控制通道特性分析（续）（3）纯滞后τ0的影响结论：纯滞后τ0的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，降低稳定性。

控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。15纯滞后τ0的影响－－图16操纵变量的选择原则操纵变量的选择，实质上是决定了控制通道的选择。原则：

（1）

操纵变量必须可控，工艺上允许调节；（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.

因此应通过合理选择操纵变量,使得:控制通道的放大系数适当大,时间常数适当小,纯滞后时间尽量小;（3）为了使其他干扰对被控变量的影响减小.应使干扰通道的放大系数尽可能小,时间常数尽可能大;（4）兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。如：生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。17第四节测量元件特性的影响一、测量元件的时间常数由于测量元件具有一定的时间常数，可看作一阶惯性环节。理论上讲，只有当过渡时间无限长时，输出才能达到稳态（等于工艺参数值）。因此，测量变送的输出一般小于工艺参数实际值，不利于系统控制。18一、测量元件的时间常数测量元件的时间常数Tm<对象的To

的1/10，对系统的控制质量影响不大。特别是测温元件.19二、测量元件的纯滞后：参数变化信号传递到测量点需要一定的时间，使得对象中含有纯滞后环节，不利于控制，要尽量克服。测量纯滞后的例子20三、传递滞后的影响测量信号传送滞后：变送器→控制室控制信号传送滞后：控制室→控制阀

生产现场与控制室有较长的一段距离，对于气动信号的传递，就会产生信号的传送滞后。一般比较小，对于电信号，可以忽略。21克服滞后的办法测量滞后：

选择快速反应的测量元件，以减小时间常数；选择合适的测量点，以减小纯滞后；使用微分单元，起到超前作用，以克服容量滞后，但是，微分环节会使得系统稳定性变差，因此，要合理使用。传送滞后：

⑴尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过300m，管径应大于６mm。或在气路60m距离间加气动继动器，提高气信号传输功率，减小传输时间。⑵采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。22第五节控制规律的选择PID控制器，3个可调整的参数：比例度δ（P）；积分时间Ti（I）；微分时间Td（D）。重要性！自动控制系统＝广义对象＋控制器。常用控制一般都采用PID控制，通过适当调节比例常数、积分时间和微分时间常数可以实现多种控制规律。23可调参数对系统静态误差的影响（回顾）结论：

当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反比，即与比例度成正比，比例度δ越大，余差越大；当控制器引入积分作用时，可消除余差；微分作用对余差没有影响。24可调参数对系统动态特性的影响（1）Kp的影响

比例增益增大：系统稳定性变差，但稳态余差变小——矛盾！（2）Ti的影响PI控制器比例作用基础上叠加对偏差的积分输出

—消除余差Ti小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振荡加剧，衰减比变小；Ti大，积分作用弱，消除余差的能力弱。25（3）微分时间Td的影响也是和比例作用配合，P、PI、PD、PID微分输出与偏差变化速度成正比，——“超前”调节作用Td大，微分作用大，控制系统灵敏，但稳定性变差26控制规律选择原则：（1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；（2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用比例-微分控制器；（3）对于精度要求高的，要加入积分规律，PI、PID。P：控制及时，有余差；滞后小、负荷变化小、无无差要求的场合。如液位、压力控制。PI：无余差，稳定性、及时性下降；滞后小、负荷变化小、有无差要求的场合；如：流量、压力、液位控制。PID：无余差，稳定性、及时性较好；容量滞后大、负荷变化大、有无差要求的场合；如；温度、成分控制；滞后小、噪声重时不能加微分作用。27控制器正反作用的确定实际控制系统的每个环节的正反作用：正作用：环节的输入量增加，输出量也增加。正作用：环节的输入量增加，但输出量减少。测量环节：一般为正作用；对象：由工作机理分析可得；控制环节：用被测量减去设定值作为输入量；执行环节：安全原则。控制器正反作用的确定原则：保证整个控制系统为闭环负反馈系统。28例：加热炉出口温度控制系投分析例：图7-15，执行器气开（危险：无控制信号时阀门大开烧毁炉），假设控制器正作用，当出料温↑，测量值↑，偏差↑，控制器输出↑，（执行器气开）阀门开↑，炉温、出料温↑，是正反馈，29例：水槽液位控制系统分析图7-16，执行器气开（危险：无控制信号时阀门大开物料全流走），假设控制器正作用当出料温↑，测量值↑，偏差↑，控制器输出↑，（执行器气开）阀门开↑，液位↓，构成负反馈，控制器正作用假设正确。30第六节控制器参数的工程整定1、整定的目的

目前基本控制器一般均为PID控制器（比例、积分、微分控制器）PID控制器整定，调节P、I、D参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。一旦控制系统安装到位，控制系统的品质就取决于控制器的参数设置。2、整定方法

两类：理论计算和工程整定方法

3、理论整定方法

基于控制原理的计算方法（时域法、频域法、根轨迹法等），具体方法见相关参考书。314、工程整定方法理论整定方法，必须要求已知各个环节的传递函数，对于一般的实际问题，难于满足。另外，理论计算也比较烦琐，工程上一般不采用。工程整定方法，经验方法，简单、方便，工程实际中广泛采用。（1）临界比例度法（2）衰减曲线法（3）经验凑试法32（1）临界比例度法步骤：系统闭环；纯比例作用，TI最大、TD最小（没有积分、微分）；比例度δ放到100%（K=1），从大往小逐渐改变，每改变一次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y的变化；若Y衰减振荡，则继续减小δ；若Y发散振荡，则应增大δ；当Y出现等幅振荡，临界振荡，此时δk称为临界比例度，振荡周期Tk称为临界周期。33临界比例度法－续34（2）衰减曲线法与临界法类似4：1衰减曲线：比例度δ放到100%（K=1），从大往小逐渐改变，每改变一次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y的变化若Y衰减比大于4:1，则继续减小δ；若小于4:1，则应增大δ，直到出现4:1衰减振荡，记录此时比例度δs和振荡周期Ts按经验公式确定δ、TI、TD35（2）衰减曲线法－续