第七章简单控制系统

第七章简单控制系统7.1简单控制系统组成及分析本章内容7.2简单控制系统的设计7.3简单控制系统的投运与参数整定

简单控制系统图7-1锅炉汽包水位控制系统被控变量：汽包液位过程（被控对象）：锅炉汽包操纵变量：进水流量主要扰动：蒸汽量的变化简单控制系统（单回路控制系统）组成

由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀），所组成的闭环控制系统。给水阀锅炉汽包简单控制系统的设计原则

被控变量的选择(自动控制保持恒定值或按一定规律变化）

“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产安全具有决定性作用。方法一：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。例如温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参数；方法二：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。例如组分（某物质含量）、转化率等。简单控制系统的设计原则被控变量的选择实例要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求xDxw灵敏板简单控制系统的设计原则被控变量的选择原则

选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2.当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。⑴满足工艺的合理性；⑵具有尽可能大的灵敏度且线性好；⑶测量变送装置的滞后小；（4）被控变量应是独立可控的；（5）必须考虑自动化仪表及装置的现状。简单控制系统的设计原则操纵变量的选择被控变量（输出量）扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）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。

操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；操纵变量应该是系统中所有干扰变量中的对被控变量影响最大的一个。控制通道的放大系数Ｋ要尽量大一些，时间常数Ｔ适当小些，滞后时间尽量小；不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动；工艺上的合理性和方便性。操纵变量的选取应遵循下列原则简单控制系统的设计原则对象静态特性对控制质量的影响设：控制通道放大倍数为ＫＯ；扰动通道放大倍数为Ｋf；ＫＯ的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度；Ｋf的大小表征了扰动对被控变量的影响程度。小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（一）设:扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf

对扰动通道特性的影响

ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（二）控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间为τo时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡时间增长纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。简单控制系统的设计原则操纵变量的选择原则⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。测量变送问题—纯滞后

简单控制系统的设计原则电极酸槽LCACl1中和槽l2τ=、

为主管道，分管道的长度为主管道，分管道流体流速测量元件的安装位置测量变送问题—测量元件的时间常数

简单控制系统的设计原则被控变量选择好之后，被控变量如何测量仍然有诸多因素需要考虑，以便更灵敏﹑更快速﹑更及时和更经济地测得被控变量．时间常数测量滞后简单控制系统的设计原则测量变送问题----传递滞后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。信号传递过程中引起的滞后克服传递滞后采取以下措施简单控制系统的设计原则控制器控制规律的选择原则1.对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统；2.对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器；3.当对象滞后较大，如温度、pＨ值等控制系统则需引入微分作用。一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例积分微分（PID）控制器。控制器的正、反作用确定控制器“正”、“反”作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来决定。确定原则：保证控制系统为负反馈闭环系统。其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的。其作用方向则随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的。反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀（注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用”混淆）。当控制器输出信号（即执行器的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“正”方向。反之，当气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”方向。其作用方向是这样规定的：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加（或给定值减小）时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。被控对象：测量元件及变送器：执行器：控制器：控制器的正、反作用确定原则：保证控制系统为负反馈闭环系统。气开阀气开阀控制器“正”、“反”作用选择分析：安全要求：防止物料全部流光控制器正、反作用控制器应选正作用控制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，即“反”作用。分析控制系统的控制过程根据负反馈闭环系统分析或锅炉汽包水位控制系统PZPZ控制器“正”、“反”作用选择控制过程分析：如图所示的液位控制系统，如果阀的气开、气关特性发生改变，控制器的正、反作用也应该发生改变。假设阀门选用气关阀，即“反”作用。液位控制系统正作用控制器假设阀门选用气开阀，即“正”作用。反作用控制器PZPZ例1：如图所示的液位控制系统，假设工艺要求供气中断时液体不得外溢，请选择阀的气开、气关特性，并选择控制器的正、反作用。解：(1)控制阀气开、气关特性的选择因为：工艺要求供气中断时液体不得外溢，根据安全原则，所以：选用气开阀，即“正”作用。(2)控制器的正、反作用的选择液位控制系统根据负反馈闭环系统分析，选用反作用控制器控制过程分析反作用控制器PZ例2：如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺要求釜内温度不得过高，试确定控制器的正、反作用，并分析控制过程。蒸汽加热反应釜解：(1)确定控制阀的气开、气关特性因为：工艺要求釜内温度不得过高，也就是说，供气中断时热源关断，所以应选气开阀，即“正”作用。(2)确定控制器的正、反作用根据负反馈闭环系统分析，选用反作用控制器(3)控制过程分析反作用控制器PZ简单控制系统的投运控制系统投运-----通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地转到自动工作状态。准备工作：1.详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。2.吃透控制系统的设计意图。3.在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。4.设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。5.按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动。控制器参数的工程整定控制器参数整定-----对已定的控制系统求取保证控制过程质量为最好的控制器参数（比例度δ%、积分时间TI、微分时间TD

）控制器的参数整定方法

理论计算参数整定法——已知广义对象的数学模型，然后根据系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应的PID参数。现场工程整定法——条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。

1）经验法2）衰减曲线法

3）临界比例度法4）响应曲线法控制器参数的工程整定方法一：临界比例度法临界振荡整定计算公式控制器参数控制规律δ(%)TI(min)TD(min)P2δKPI2.2δKTk/1.2PID1.6δK0.5Tk0.25TI该方法是先将控制器设置为纯比例作用且比例度δ放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度δ并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程，如图7-9所示。这时的比例度就叫做临界比例度δk，振荡周期就叫做临界振荡周期Tk。根据δk和Tk从表7-2中查找控制器应该采用的参数值。

临界比例度法目前使用的比较多，它简单易用，适用面较广。但要注意的是：(1)对于工艺上不允许有等幅振荡的，不能使用;(2)如δk很小，不适用。因为δk很小，即Kp很大，容易使被控变量超出允许范围。

控制器参数的工程整定方法二：衰减曲线法衰减曲线法控制器参数计算表

控制器参数控制规律δ(%)TI(min)TD(min)PδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS方法

在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比（4：1）的过渡过程，记下此时的比例度δ

S及振荡周期TS，根据经验公式，求出相应的积分时间TI和微分时间TD。衰减曲线法可以适用于几乎各种应用场合。但在应用中要注意：(1)加干扰前，控制系统必须处于稳定的状态，否则不能得到准确的δs、TS和TT值；(2)阶跃干扰的幅值不能大，一般为设定值的5%左右，必须与工艺人员共同商定；(3)如果过渡过程波动频繁，难于记录下准确的比例度、衰减周期或上升时间，则改用其他方法。控制器参数的工程整定方法三：经验法系统参数δ(%)TI(min)TD(min)温度流量压力液面20～6040～10030～7020～803～100.1～10.4～30.5～3（长期的生产实践中总结出来的一种整定方法）方法根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形状，以δ%、TI、TD，对控制过程的规律为指导，调整相应的参数进行凑试，直到合适为止单回路控制系统工程设计实例烟道气4123加压空气浆液空气干燥塔喷雾式干燥塔控制系统设计碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。生产工艺要求产品温度要求稳定，即含水量波动不能太大。

设计要求1.选择被控变量与操纵变量2.过程检测、控制设备的选用单回路控制系统工程设计实例烟道气4123加压空气浆液空气干燥塔选择被控变量直接参数----湿度（测量困难）间接参数----