第七章简单控制系统

第七章简单控制系统第一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四ty

简单控制系统的方框图

干扰给定SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四第一节简单控制系统的设计简单控制系统：

由一个被控对象、测量变送器、控制器和执行器所组成的单回路负反馈控制系统。

简单控制系统的方框图

干扰给定SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四温度控制系统载热体冷流体换热器SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四液位控制系统SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四确定合理的控制系统方案根据工艺的要求：设计内容(本节讲述主要内容）一、被控变量选择；二、操纵变量的选择；三、测量元件特性的影响；四、控制器的选择;五、控制器参数的工程整定。操纵变量的选择；控制器的选择；SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四一、被控变量的选择

从生产过程对控制系统的要求出发，找出对产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。

1.采用直接指标控制直接指标：指的是生产过程中的压力、流量、物位、温度

等参数的测量控制。直接指标控制最直接，最有效。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四精馏塔流程图回流罐冷凝器顶采出进料蒸汽2.采用间接指标控制以蒸馏塔控制为例1）精馏原理

2）精馏塔对自控的要求要求苯、甲苯达到一定的纯度，因此，馏出物的浓度XD应作为被控变量。苯甲苯SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

XD为被控变量，获取测量信号尚有困难时，可以找出与XD有关的参数作为被控变量，进行间接指标控制。3）找出与XD有关的参数XD=f（TD，P）（浓度与温度和压力有关）①当压力恒定时，即P=常数XD

=f（TD）

如图所示

XD↑温度越低

TD↓

XD↓温度越高

TD↑

测出温度可以知道浓度。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四②当温度恒定时，即TD=常数XD=f（P）

如图所示

XD↑压力越高

P↑

XD↓压力越低

P↓

测出压力可以知道浓度。4）考虑工艺的合理性结论：固定压力，选择温度为被控变量。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四精馏塔流程图回流罐冷凝器顶采出进料蒸汽TCTTSHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY5）考虑被控变量的灵敏度。6）考虑被控变量的独立性。例如造纸过程中的硫酸盐法蒸煮过程中，质量指标是浆料的硬度和强度，是间接指标。第十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四选择被控变量的原则

1.能代表工艺的操作指标，能反映工艺操作状态。

2.被控变量在操作过程中经常受到干扰影响，需要频繁控制的。

3.直接指标无法获得时，应选与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。

4.间接参数能够被测出，并有足够的灵敏度。

5.考虑工艺过程的合理性及仪表的现状。

6.间接参数应是独立的。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四二、操纵变量的选择干扰作用对被控变量的影响是使其偏离给定值。操纵变量则是要克服干扰对被控变量的影响。

简单控制系统的方框图

干扰f给定xez操纵变量SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四温度控制系统载热体冷流体换热器SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四液位控制系统SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四被控变量对象实现控制作用的操纵变量。即执行器所控制的参数。

最常见的操纵变量是流量，也有电压、转速等。

干扰干扰通道操纵变量控制通道（

）（

）SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四2.对象特性对选择操纵变量的影响

1）对象静态特性的影响放大系数，是对象的静态参数。①

：希望值大一些好,

越大,表示控制作用灵敏,抑制干扰的能力越强。但太大会破坏系统的稳定性。②

：

无论对系统的静态还是动态对控制质量都有害，

尽可能小。（

）（

）SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四2）对象动态特性的影响（1）控制通道时间常数T0

的影响T0太大或太小都不利于提高控制质量。控制通道如果是一阶环节，T0小，控制就灵敏。但太小，控制作用过于灵敏易引起控制过程震荡，而不稳定。hQ1Q2SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四反应器温度控制系统控制通道如果是二阶环节，T0大，控制作用就反应迟钝,过渡时间长，控制作用就弱。希望T0适当小，有利于克服干扰缩短过渡过程的时间。hQ1Q2SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四（2）

Tf

对控制质量的影响希望Tf越大，对被控变量影响越小。（3）

对控制质量的影响①控制通道滞后时间

的影响如果控制通道大，那么T0也大。因此，对象较难控制。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四fthQ1Q2tyBCDAE控制通道小为好SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四tfty有纯滞后无纯滞后ty

如图

并不起作用。被控变量只是推迟

时间变化。②

在干扰通道对控制质量的影响SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四小结：

3.

越小越好,

对被控变量无影响。

2.适当小，

越大越好；

1.

适当大，越小越好；SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四操纵变量的选择原则

1.工艺上要合理，除物料平衡调节外，一般避免用主物料流量（生产负荷）作为操纵变量。

2.操纵变量应有克服干扰影响的校正能力，控制通道K0（放大倍数）较大。

3.控制通道的动态响应要较干扰通道的动态响应为快，滞后时间尽量小。

4.所选的操纵变量应尽量是干扰点，远离被控变量而靠近控制阀。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四举例将浓缩乳液干燥成乳粉，生产上采用喷雾式干燥设备。在一定的干燥温度下获得合格产品。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四分析一下影响干燥器温度的因素。1.乳化物流量Q1的改变将影响干燥筒温度。2.鼓风机风量Q2的变化也将影响干燥筒温度。3.蒸汽压力的变化将引起蒸汽流量Q3的变化将影响干燥筒温度。Q1Q2Q3SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四第一种方案：乳化物流量Q1为操纵变量考虑工艺的合理性。乳化物流量是生产负荷，需要稳定，不易作操纵变量。根据操纵变量选择原则进行分析：蒸汽产品SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

第二种方案：空气流量Q2为操纵变量空气量与热风混合通过风管进入干燥器，较第一方案控制通道滞后时间稍大,灵敏度次之。蒸汽产品SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四第三种方案：蒸汽流量Q3为操纵变量控制通道很长，纯滞后、容量滞后大，灵敏度差。T0、τ0大，不易作操纵变量。蒸汽产品SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第二十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四混合过程控制器执行器

y变送器zxe风管干燥器-干燥器Q1设计出以干燥器温度为被控变量，空气流量为操纵变量，温度控制系统。方块图Q3干燥器风管换热器TTTCQ1Q3SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

简单控制系统的方框图

干扰f给定xez操纵变量SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四三、测量变送环节对控制系统的影响1.测量元件安装引起的纯滞后电极只能安装在流速较小的支管道上，因此，由测量元件安装位置所引入的纯滞后。合理选择测量元件的安装地点，尽可能缩短纯滞后时间。LSHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY解决方法：第三十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四2.测量元件本身的测量滞后测量元件本身时间常数Tm所引起的动态误差。（如测温元件）解决方法：1）选择快速测量元件（一般Tm<1/10TC为宜）；TC：对象时间常数2）正确选择安装位置；

3）正确使用微分单元。(a)yzt参数t参数yz(b)t参数yz(c)SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四我们分析加入微分单元后的情况：在测量元件之后引入微分单元测量变送器y微分单元z用拉氏变换式描述各环节Km/Tms+1TDs+1z（S）y（S）

Km—测量元件和变送器的放大倍数；Tm、TD—测量元件时间常数、微分时间。如果我们使Tm=TDKmy（S）z（S）可以看出变送器的输出与被控变量的变化成正比关系。y(S）z（S）则SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四3.测量信号的处理

1)测量信号都要进行“滤波”处理：

测量元件本身的随机波动特性或测量环境中的

电磁干扰所致不可避免地掺杂一些随机干扰,对

测量信号一般都要进行“滤波”处理.

2)测量信号传送产生的滞后:

指测量变送器的输出信号传输到室内控制器，所引起的滞后。

3)控制信号传送产生的滞后:

指控制器的输出信号传输到现场的执行器，所

引起的滞后。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四解决方法：保证信号远距离传输时采用电信号传输。即将电气转换器放在室内。或采用电气阀门定位器。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四四、气动执行器的选择1.流量特性及结构形式的选择（略）2.气开、气关形式的选择

从安全要求出发。当气压信号中断时，视调节阀处在全开或全关哪一位置对生产造成的危害最小而定。

若对生产安全影响不大时，可根据产品质量、节约能源物料性质等方面考虑。

五、控制器的设计

1.控制器正反作用的选择

控制器正反作用的选择，使自动控制系统具有负反馈的闭环控制系统。因此与各环节的工作方向有关。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四定义各环节的作用方向：①测量变送器：

当输入增加时输出也增加。为正作用方向。用“+”号表示。②被控对象：

当控制阀开大时，被控变量为增大变化时，为

正作用方向。用“+”号表示。反之用“-”号表示。作用方向：指各环节输入变化后，输出的变化方向。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

③控制阀：

气开阀：

信号增大时阀开大,为正作用方向,用“+”号表示。

气关阀：

信号增大时阀关小,为反作用方向,用“-”号表示。

④控制器：

正作用控制器：

输入偏差e增大时,输出P增大,为正作用方向。用“+”号表示。

反作用控制器：

输入偏差e增大时，输出P减少,为反作用方向。用“-”号表示。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第三十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四例：加热炉出口温度控制，确定控制器的正、反作用。1.确定阀的气开、气关：

因炉温不允许过高。所以一但信号中断时阀应关死（信号=0）。所以选气开阀。为“+”表示。

2.变送器：为“+”表示。

3.对象：

当阀开大时被控变量增大，作用方向为“+”。

4.控制器：选反作用的。如果①×②×③×④四项相乘为负值时，系统为负反馈。“正”“正”“正”“反”SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四例：塔釜液位控制，确定控制器的正、反作用。

1.确定阀的气开、气关：

因塔釜液位不允许过低。所以一但信号中断时阀应关死（信号=0）,所以选气开阀。为“+”表示。2.变送器：为“+”表示。3.对象：当阀开大时被控变量减少,作用方向为“-”。4.控制器：选正作用的。“正”“正”“正”“反”SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四（二）控制规律的选择根据对象的特性和工艺要求来决定选择P、PI、PID。1.比例控制器

适用于控制通道滞后较小,负荷变化不大,没有提出无差要求的系统。

2.比例积分控制器适用于调节通道滞后较小,负荷变化不大,不允许有余差的控制系统。

3.比例积分微分控制器

适用于容量滞后较大,负荷变化大,调节质量要求

高的系统。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四第三节控制器参数的工程整定工程整定的方法有两种:理论整定法和工程整定法。

理论整定法:根据已知的广义对象特性及控制质量的要求,通过理论计算出控制器的最佳参数。工程整定法:在已经投运的实际控制系统中,通过实验和探索,来确定控制器的最佳参数。

控制器参数整定:确定最合适的TI和TD,使控制质量为最佳。控制器参数整定:确定最合适的、TI和TD

，使控制质量为最佳。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四一、临界比例度法1.在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用（Ti=∞，TD=0位置上）。tyt

e临界震荡过程TK2.在干扰作用下，从大到小逐渐改变比例度，直至系统产生等幅震荡（即临界振荡）这时的比例度是临界比例度，周期为临界周期Tk

。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四3.记下PB、Tk然后按表中公式计算4.将计算的参数投入到仪表中。然后看调节曲线，调参数注意：①对于工艺上不允许有等幅震荡的系统，不能使用。

②对于临界比例度小的系统，不能使用。表7-1临界比例度法参数计算表控制作用比例度%积分时间Ti/min微分时间TD/min比例2比例+积分2.2比例+微分1.80.850.1比例+积分+微分1.70.50.125SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四二、衰减曲线法通过使系统产生衰减震荡来整定控制器参数值。具体作法：1.在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用（Ti=∞，TD=0位置上）。并将比例度放在（100%）3.根据表中经验公式，计算出控制器的整定值。2.系统稳定后，改变给定值，加入干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度直至出现4:1衰减为止，记下此时比例度，衰减周期TS。SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

tyTs3.根据表中经验公式，计算出控制器的整定值。4:1衰减曲线SHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY第四十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四表7-2-3衰减曲线控制器参数计算表4:110:1/%/min/min比例比例+积分比例+积分+微分1.20.8比例比例+积分比例+积分+微分1.20.80.521.20.30.10.4控制作用4.如果是10:1衰减曲线方法同上，得到10:1衰