第七简单控制系统演示文稿

第七简单控制系统演示文稿当前第1页\共有35页\编于星期三\8点（优选）第七简单控制系统当前第2页\共有35页\编于星期三\8点简单控制系统简单控制系统（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。图7-1液位控制系统图7-2温度控制系统当前第3页\共有35页\编于星期三\8点图7-3简单控制系统的方块图从图中可知

简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。当前第4页\共有35页\编于星期三\8点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、质量以及安全具有决定性的作用。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。当前第5页\共有35页\编于星期三\8点图7-4精馏过程示意图1—精馏塔；2—蒸汽加热器图7-5苯-甲苯溶液的T-x图图7-6苯-甲苯溶液的p-x图举例当前第6页\共有35页\编于星期三\8点从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。原因

在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。当前第7页\共有35页\编于星期三\8点简单控制系统的设计原则被控变量的选择原则①被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。②被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。③尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。④被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。⑤选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。⑥被控变量应是独立可控的。

当前第8页\共有35页\编于星期三\8点简单控制系统的设计原则

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。最常见的操纵变量是介质的流量。操作变量系统的干扰通过工艺分析确定当前第9页\共有35页\编于星期三\8点图7-7精馏塔流程图如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。举例图7-8影响提馏段温度各种因素示意图影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有：进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。

当前第10页\共有35页\编于星期三\8点图7-9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。对象特性对选择操纵变量的影响对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道当前第11页\共有35页\编于星期三\8点典型的微分方程典型的阶跃响应曲线基本概念：对象特性参数水槽对象液位的变化曲线K――放大系数，在阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳定值时，输出变化量与输入变化量之比，也称静态增益。K越大，表示输入量对输出量的影响越大。T――时间常数，在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态变化量的63.2％所需要的时间，时间常数T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。用T表示的响应滞后称阻容滞后（容量滞后）。

T大，反应慢，难以控制；T小，反应块。当前第12页\共有35页\编于星期三\8点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。当前第13页\共有35页\编于星期三\8点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：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。当前第14页\共有35页\编于星期三\8点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）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当前第15页\共有35页\编于星期三\8点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：当前第16页\共有35页\编于星期三\8点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。当前第17页\共有35页\编于星期三\8点测量变送问题----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，分管道流体的流速测量元件的安装位置当前第18页\共有35页\编于星期三\8点测量变送问题----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．时间常数测量滞后当前第19页\共有35页\编于星期三\8点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：当前第20页\共有35页\编于星期三\8点简单控制系统的设计原则控制器控制规律的选择原则

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（P）积分（I）微分（D）控制器。当前第21页\共有35页\编于星期三\8点控制器的正、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。当前第22页\共有35页\编于星期三\8点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：当前第23页\共有35页\编于星期三\8点控制器的正、反作用确定原则：保证控制系统为负反馈闭环系统。气开阀安全要求：加热锅炉不能损害当前第24页\共有35页\编于星期三\8点气开阀控制器“正”、“反”作用选择分析：安全要求：防止物料全部流光图7-16液位控制当前第25页\共有35页\编于星期三\8点控制器正、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PZ正作用控制器当前第26页\共有35页\编于星期三\8点例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当前第27页\共有35页\编于星期三\8点例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当前第28页\共有35页\编于星期三\8点

控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系统成为负反馈闭环系统的重要一环。正作用？反作用？图7-17控制器正、反作用开关示意图当前第29页\共有35页\编于星期三\8点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。当前第30页\共有35页\编于星期三\8点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）响应曲线法当前第31页\共有35页\编于星期三\8点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。图7-18临界振荡过程当前第32页\共有35页\编于星期三\8点