Lesson1213-简单控制系统

概述简单控制系统的方案设计PID调节器的参数整定过程控制系统的投运简单控制系统设计实例干燥过程的控制系统设计贮槽液位过程控制系统设计

第8章简单控制系统什么是简单控制系统？

简单控制系统，又称为单回路反馈控制系统，是指由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成的单回路闭环负反馈控制系统。第8章简单控制系统储罐液位控制系统第8章简单控制系统换热器温度控制系统第8章简单控制系统简单控制系统的特点：简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行工作的，组成自动化装置各环节的设备数量均为一个，它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。

简单控制系统特点：具有结构简单、工作可靠、所需自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优点，是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。第8章简单控制系统主要内容：1.过程控制系统的基本过程2.过程控制系统的基本要求3.过程控制系统的主要内容4.过程控制系统的设计步骤8.1简单控制系统概述1.过程控制系统的基本过程首先全面了解被控对象的动态特性和静态特性，

了解工艺过程和设备其次根据技术和性能指标，对系统进行研究，

确定最佳控制方案最后对过程控制系统进行设计、整定和调试8.1简单控制系统概述2.过程控制系统的基本要求首先控制系统必须稳定，

且具有适当稳定裕度其次系统是一个衰减振荡过程，

且过程时间要短，余差要小8.1简单控制系统概述3.过程控制系统的主要内容

控制方案的设计

★合理选择被控变量和操纵变量、信息获取和变送调节阀选择、调节器控制规律及正反作用确定工程设计仪表选型、控制室和仪表盘设计仪表供电供气系统设计、信号联锁保护系统设计工程安装和仪表调校调节器参数工程整定8.1简单控制系统概述4.过程控制系统的设计步骤任务分析建立被控对象数学模型选择控制方案选择检测、变送、调节和执行仪表实验和仿真8.1简单控制系统概述主要内容：被控对象的选择操纵变量的选择检测变送仪表的选择调节阀（执行器）的选择控制规律的选择调节器正、反作用的选择8.2简单控制系统的方案设计5.PID

如何选择？4.气开、气关如何选择？操纵变量2.如何选择？1.如何选择？6.如何构成负反馈？问题一：被控变量的选择问题3.测量仪表如何选择？被控变量的选择可以遵循下面几个原则：1、能直接反映生产过程产量和质量的工艺参数作为被控变量。问题一：被控变量的选择问题苯、甲苯二元精馏系统示意图需成分分析仪苯甲苯考虑塔顶温度或塔顶压力2、当不能用直接参数作为被控变量时，选择与直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控变量。问题一：被控变量的选择问题15在二元精馏系统中，塔顶易挥发物组分的浓度XD，塔顶温度TD和压力P三者之间有一定关系。当压力恒定时，组分XD和温度TD之间存在单值对应关系。当温度TD

恒定时，组分XD和压力P之间也存在单值对应关系。塔压固定有利于生产，所以：选择塔板温度作为间接被控变量。问题一：被控变量的选择问题3、选择间接参数作为被控变量时，应该具有足够

大的灵敏度，以便能反映直接指标参数的变化。4、被控变量的选择必须考虑工艺过程的合理性和

所用仪表的性能。5、注意控制系统间的关联问题，选择的被控变量

应该是独立可调的。解决办法：解耦控制系统！！问题一：被控变量的选择问题5.PID参数如何选择？4.气开、气关如何选择？操纵变量2.如何选择？1.如何选择？6.如何构成负反馈？问题二：操纵变量的选择问题3.测量仪表如何选择？选择操纵变量的原则：

1．操纵变量必须是可控的。问题二：操纵变量的选择问题2．操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和

生产的经济性。3．操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响

更加灵敏。操纵变量干扰变量问题二：操纵变量的选择问题4.控制通道的放大系数K0

适当大，时间常数T0

适当小，t0越小越好，且t0

/T0

应小于1;

扰动通道的放大系数Kf

尽可能小，时间常数T0

尽可能大，滞后tf

越大越有利于控制，同时

扰动引入系统的位置应远离操纵变量，尽量

靠近调节阀。5.广义对象由多个一阶环节组成时，设法使时间

常数错开，第一时间常数大很多，其他时间常

数要小。6.注意工艺操作的合理性、经济性。问题二：操纵变量的选择问题5.PID如何选择？4.气开、气关如何选择？操纵变量2.如何选择？1.如何选择？6.如何构成负反馈？问题三：测量仪表如何选择？3.测量仪表如何选择？一、测量变送问题对控制质量的影响关键问题：测量变送中的纯滞后问题测量纯滞后：被控变量受干扰后，测量环节不能立即检测，而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。造成测量纯滞后的原因有：

（1）测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏变化区；

（2）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在理想的测量点；

（3）成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后；

（4）测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后；

（5）测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。问题三：测量仪表如何选择？二、克服测量变送问题的措施1．选择快速测量元件某化工厂有一反应器，如图所示。工艺要求反应温度在给定值的±3℃以内，产品质量符合要求。用时间常数100秒传感器测温，反应温度在±2℃之内，产品总不合格，说明实际温度波动已超出工艺范围。改用时间常数为5秒热电偶测温，反应温度波动仍在±2℃之内，但产品质量符合要求。问题三：测量仪表如何选择？2．选好检测点位置

检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏,

且最有代表性的位置。3．正确使用微分单元

若测量滞后大，可串接微分单元。4．正确选择、安装和使用测量装置可将测量环节的误差减小到最低限度，

有利于提高控制精度和质量。问题三：测量仪表如何选择？5.PID如何选择？4.气开、气关如何选择？操纵变量2.如何选择？1.如何选择？6.如何构成负反馈？问题四：执行器如何选择？3.测量仪表如何选择？一、调节阀类型的选择根据对象及工艺特点，被控介质（高温高压、剧毒、易燃易爆、易结晶、强腐蚀、高粘度等）、安全运行和推力大小选择调节阀类型。主要类型：气动、电动二、调节阀口径(Dg,dg)选择主要依据－阀的流通能力问题四：执行器如何选择？三、阀流量特性的选择问题四：执行器如何选择？执行器：为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧坏，选用气开式。四、执行器开、闭形式的选择气动执行器有气开和气关两种工作方式。

在控制系统中，选用气开式还是气关式，

主要由具体的生产工艺与操作安全性来决定。例：如图所示加热炉，为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧坏问题四：执行器如何选择？１．从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择气关式。２．若考虑锅炉后续透平设备的安全，防止蒸汽带液，应选气开式。例：透平设备问题四：执行器如何选择？

执行器：当在气动阀供气中断时，防止储罐物料全部流走，采用:练习题：气开式问题四：执行器如何选择？执行器选择几条原则:1、首先要考虑生产的安全。2、有利于保证产品的质量。3、有利于降低原料成本和节能。选择时还需注意两点：1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的选择结果。问题四：执行器如何选择？5.PID如何选择？4.气开、气关如何选择？操纵变量2.如何选择？1.如何选择？6.如何构成负反馈？问题五：控制器PID如何选择？3.测量仪表如何选择？一、控制规律的选择1．比例控制规律(P)具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。

u是输出变化量，e是输入变化量,

Kc

为比例放大系数。比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化

不大，控制要求不高，被控变量允许在一定范围

内有余差的场合。

问题五：控制器PID如何选择？2．比例积分控制规律(PI)具有比例积分控制规律的控制器。

式中Ti为积分时间。

比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。

适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控

变量又不允许有余差的场合。问题五：控制器PID如何选择？3．比例积分微分控制规律（PID）具有比例、积分、微分控制规律的控制器，

又称三作用控制器。

式中Td

为微分时间。

适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、

对控制质量要求较高的场合。问题五：控制器PID如何选择？5.PID

如何选择？4.气开、气关如何选择？操纵变量2.如何选择？1.如何选择？6.如何构成负反馈？问题六：如何构成负反馈控制系统？3.测量仪表如何选择？控制器正反作用的选择判别准则：系统中各环节规定符号的乘积为负，则该系统为负反馈系统。满足判别式：（控制器±）（执行器±）（被控对象±）（变送器±）=（－）

问题六：如何构成负反馈控制系统？一、各环节正负的定义：执行器：阀门开度随控制器输出信号的增加而增大（气开式）为“+”，开度随控制器输出信号的增加而减小（气关式）为“-”；对象：操纵变量随被控变量的增加而增加为“+”，随被控变量的增加而减小为“-”；

变送器：变送器输出随被控变量的增加而增加为“+”

，随被控变量的增加而减小为“-”。通常情况下变送器环节取“+”；问题六：如何构成负反馈控制系统？二、控制器正、反作用的确定

工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式。控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不同被控对象实现闭环负反馈控制的需要。控制器：控制器的输出信号随着操纵变量的增大而增加时，控制器工作于正作用方式为“+”；控制器输出信号随着操纵变量的增大而减小时，控制器工作于反作用方式为“－”。问题六：如何构成负反馈控制系统？执行器—为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为“+”。对象—出口温度随燃料的增加而升高，符号为

“+”。变送器—输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“-”，所以应该选择反作用控制器。例1[加热炉]：1，从加热炉安全考虑，防止炉内管线烧裂，选择气开，气关阀？2，选择控制器+/-，构成负反馈。问题六：如何构成负反馈控制系统？

执行器—为了防止在供气中断时物料全部流走，采用了气开式，故符号为“+”。对象—当流出量增加，液位是下降的，符号取为“-”。变送器—输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。

例2[储罐]：1，从储罐安全考虑，为了防止在供气中断时物料全部流走，选择气开，气关阀？2，选择控制器+-，构成负反馈。问题六：如何构成负反馈控制系统？执行器—从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择气关式，“-”。对象—当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。变送器—输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器—选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。

思考题：1，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，选择气开，气关阀？2，选择控制器+-，构成负反馈。问题六：如何构成负反馈控制系统？练习题：1画如图控制系统的方块图？2分析：当被加热的物料量突然增加，控制系统如何克服扰动。问题六：如何构成负反馈控制系统？为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“-”，所以应该选择反作用控制器。问题六：如何构成负反馈控制系统？执行器—为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为“+”。对象—出口温度随燃料的增加而升高，符号为“+”。变送器—输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。分析：物料量突然↑物料温度↓温度变送器＋输出信号↓偏差信号↓控制器－输出信号↑气开阀＋开度↑燃料气↑对象＋：物料温度↑问题六：如何构成负反馈控制系统？8.3PID调节器的参数整定PID调节规律具有简单、适用性强的特点，对大多数被控对象都实用。本节所讲述的调节器参数整定，就是通过一定的方法和步骤，确定PID调节器的比例度d、积分时间TI和微分时间Td的具体数值，使系统的过程过程达到最佳状态。一般以瞬时响应衰减率f=0.75~0.9(衰减比n=4:1)作为系统主要性能指标，以保证系统具有一定稳定性储备。同时还应尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。对大多数控制系统，过渡过程响应曲线达到衰减比为4:1时，为最佳过渡过程响应曲线。8.3PID调节器的参数整定整定基本方法：理论计算整定法工程整定方法自整定法计算机仿真寻优整定法8.3PID调节器的参数整定理论计算整定法

主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。(一般很少采用）。8.3PID调节器的参数整定工程整定方法主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。8.3PID调节器的参数整定自整定法对一个正在运行中的控制系统，特别是设定值改变的控制系统，进行自动整定控制回路中的PID参数。计算机仿真寻优整定法利用最优积分准则，通过计算机仿真求出调节器参数的最优值，该方法应用越来越广泛。8.3PID调节器的参数整定响应曲线法稳定边界法衰减曲线法经验整定法计算机仿真寻优法PID参数的工程整定方法8.3PID调节器的参数整定(1)响应曲线法（动态特性参数法）背景：

1942年由齐格勒(Ziegler)和尼科尔斯(Nichols)首先提出。属于开环整定法。使用方法的前提是，广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟来近似。8.3PID调节器的参数整定基本过程若广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟来近似做实验得对象参数再根据Z—N调节器参数整定公式求取PID参数：8.3PID调节器的参数整定响应曲线法具体步骤：动态特性参数法的各种改进方法：以衰减率为性能指标的

柯恩(Cohen)-库恩(Coon)整定公式以各种误差积分值为系统性能指标的

调节器最佳数整定公式1）比例调节器2）比例积分调节器

3）比例积分微分调节器(2)稳定边界法（临界比例度法）是闭环的整定方法。基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例度dpr

和临界振荡周期Tpr，利用

经验公式，求取调节器最佳参数值。方法操作要点：纯比例调节下调比例带，使系统出现等幅振荡8.3PID调节器的参数整定注意：在采用这种方法时，控制系统应工作在线性区，否则得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依据此时的数据来计算整定参数。由于被控对象特性的不同，按上述经验公式求得的调节器整定参数不一定都能获得满意的结果。为此，在实际应用时，需要针对具体系统，对上述求得的调节器参数作在线校正。8.3PID调节器的参数整定(3)衰减曲线法（阻尼振荡法）也是闭环整定方法整定的依据同稳定边界法，也是纯比例调节下的试验数据，不同的只是这里的试验数据来自系统的衰减振荡，且衰减比特定(通常为4:1或10:1)，之后就与稳定边界法一样，也是利用一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。8.3PID调节器的参数整定4:1衰减振荡曲线10:1衰减振荡曲线Tr8.3PID调节器的参数整定(4)经验整定法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。8.3PID调节器的参数整定经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。8.3PID调节器的参数整定各种控制系统的调节规律选择（经验）流量系统:典型的快过程,宜用PI,且比例度要大,积分时间可小。液位系统:对只需实现平均液位控制的地方,宜用纯比例P,比例度要大。温度系统:宜取PID。对间接加热的温度系统,因为测量变送滞后和热传滞后,所以很缓慢.比例度设置范围约20～60%,但还与温度变送器量程范围和调节伐的尺寸有关,一般积分时间较大,微分时间约是积分时间的四分之一。压力系统:过程有快的,接近流量,也有慢的,接近温度。经验整定法步骤：(5)计算机仿真寻优法根据广义对象特性参数K0，T0，τ，应用最优积分准则(IAE、ISE、ITAE)值最小为准则，求得调节器整定参数的最佳值。

整定方法的优缺点比较方法优点缺点响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试验费时经验整定法系统闭环无需计算需要经验8.3PID调节器的参数整定工程整定方法口诀参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长。曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢。微分时间应加长。理想曲线两个波，前高后低4比1；一看二调多分析，调节质量不会低。8.3PID调节器的参数整定在控制系统的设计、安装或检修之后，下步工作是如何将控制系统投运。为了保证控制系统能顺利地一次投运成功，通常涉及到以下几个步骤：1．作好准备工作；2．线路和管路的核查；3．各种自动化仪表的检查；4．测量仪表和执行器的投运；5．手动控制与自动控制的切换。控制器由手动切换到自动后，控制系统便进入自动控制状态。为使控制系统获得最佳效果，需对PID控制器参数进行整定。8.4过程控制系统的投运8.5简单控制系统设计实例

8.5.1干燥过程的控制系统设计乳化物干燥过程示意图由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。

由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。试验证明，若温度波动在±2℃以内，则产品质量符合要求。(1)工艺要求8.5.1干燥过程的控制系统设计(2)方案设计与参数整定1.被控参数与控制参数的选择1）被控参数的选择根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应，将温度控制在一定数值上，就可保证乳化物的水分含量。8.5.1干燥过程的控制系统设计2）控制参数的选择经过对装置的分析，可知影响干燥器温度的因素有乳液流量旁路空气流量和加热蒸汽流量

任选一个作控制参数，均可构成温度控制系统。经分析可知：旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与选取乳液流量为控制参数相比虽然控制通道存在一定的纯滞后，对干燥温度校正作用的灵敏度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时间。因此，它是三个方案中最适宜的。

8.5.1干燥过程的控制系统设计乳化物干燥过程示意图乳液流量f1(t)空气流量f2(t)蒸汽流量f3(t)8.5.1干燥过程的控制系统设计旁路风量为控制参数时的系统框图：8.5.1干燥过程的控制系统设计2．仪表的选择选用DDZ-Ⅲ型仪表，具体过程如下：1）测温元件及变送器的选择 被控温度低于500℃，所以选用铂热电阻温度计。

并采用三线制接法，配用温度变送器。2）调节阀的选择根据工艺安全和介质特点，选用气关式调节阀。

根据过程特性与控制要求，选用对数流量特性调