过程控制第5章简单控制系统设计课件

过程控制第五章简单控制系统设计与参数整定过程控制第五章简单控制系统设计5.1 简单控制系统的构成

简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器（控制阀）所组成的闭环控制系统。被控变量控制器执行器被控对象测量变送环节干扰偏差设定值＋－5.1 简单控制系统的构成 简单控制系统（单回路控制系统）是5.1简单控制系统的构成温度控制系统流程图温度控制系统被控变量：要求保持一定数值（或按某一规律变化的）物理量。5.1.1简单控制系统实例y:加热器出口温度q:载热体流量控制系统方框图：控制变量：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量。Gpc(s):控制通道Gpd(s):扰动通道5.1简单控制系统的构成温度控制系统流程图温度控制系统被控5.1简单控制系统的构成压力控制系统被控变量：水泵出口压力。控制变量：旁路流量。压力控制系统流程图5.1简单控制系统的构成压力控制系统被控变量：水泵出口压力5.1.2控制系统的工程表示及方框图在工艺设计给出的流程图上，按流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号。工艺控制流程图：管道、仪表流程图5.1.2控制系统的工程表示及方框图在工艺设计给出的流程图(1)图形符号a、测量点

一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点

b、连线

通用的仪表信号线均以细实线表示

c、仪表符号

仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm

就地安装仪表就地安装仪表嵌在管道中集中仪表盘面安装仪表就地仪表盘面安装仪表(1)图形符号一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号例如：

PIC－207TRC－210

……(2)字母代号

字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能

PIC－207压力指示控制(3)仪表位号

数字编号写在圆圈的下半部第一位数字表示段号后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。

第2工段仪表序号为07仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代字母第一位字母后续字母A分析报警C

控制F流量

I电流指示L液位

P压力

R

记录或打印T温度传送常用仪表功能字母代号字母第一位字母后续字母A分析报警C

控制F流量

I电流指示L脱乙烷塔的管道及仪表流程图脱乙烷塔的管道及仪表流程图5.1.3过程控制系统设计的基本要求安全性：生产过程中，确保人员设备安全。稳定性：系统在一定外界扰动下，能长期稳定运行的能力。方法：参数越限报警

事故报警

联锁保护：当生产出现异常时，为保证设备、人员安全，使各个设备按一定次序紧急停止运转（手工操作，忙乱中可能出错。）其它安全保护对策（危险环境）：系统可靠性设计；用本质安全防爆仪表。经济性：降耗节能，提高经济效益与社会效益要求：适当稳定裕度良好动态性能（过渡过程时间短、稳态误差小）5.1.3过程控制系统设计的基本要求安全性：生产过程中，5.1.4过程控制系统设计的主要内容系统控制方案设计（核心）工程设计工程安装和仪表调校调节器参数整定被控变量选择控制变量选择测量、变送器选择执行器选择控制规律选择控制室操作台设计；仪表、计算机系统选型；供电系统设计每台仪表进行单校，各控制回路进行联校调整PID参数，使控制作用达到最佳5.1.4过程控制系统设计的主要内容系统控制方案设计（核5.1.5过程控制系统设计的步骤3.控制方案的确定2.建立被控过程的数学模型1.熟悉和理解生产对控制系统的技术要求和性能指标。4.控制设备选型5.实验（或仿真）验证检测设计正确性及系统性能。依据被控过程的技术要求和性能指标；综合考虑安全性、稳定性和经济性的基础上5.1.5过程控制系统设计的步骤3.控制方案的确定2.明确控制目的使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）分析生产工艺“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量确定被控变量选择被控变量选择控制变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定5.2简单控制系统设计5.2.1被控变量的选择明确使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先

被控变量的选择方法：直接指标控制（直接参数法）：被控变量本身就是需要控制的工艺指标。例如温度、压力、液位、流量反映等生产工艺控制指标的参数。间接指标控制（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质量指标有单值对应关系、灵敏度高、易于测量的另一变量作为被控变量。例如组分（某物质含量）、转化率等。原则——尽量采用直接参数法采用间接参数法时的注意问题：单值性、线性性或确定的函数关系、灵敏度高、工艺的合理性CBDA控制指标被控变量被控变量的选择方法：直接指标控制（直接参数法）：被控变量本被控变量被控对象原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。

5.2.2操纵变量（控制变量）的选择控制通道干扰通道干扰变量控制变量被控变量干扰作用与控制作用之间的关系

被控对象即控制通道的选择问题被控变量被控对象原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对

某控制系统的方块图如右图所示，求干扰发生阶跃变化时的稳态变化量(已知：给定值为0)。先求

Y(s)=??

×F(s)令干扰发生单位阶跃变化：

则：

1、对象静态特性的影响控制通道传函：干扰通道传函：静态特性？放大系数抗干扰能力强，y(∞)？越小越好某控制系统的方块图如右图所示，求干扰发生阶跃变化时的控制变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为控制变量。控制通道放大系数Ko?K0越大，控制作用对被控变量的影响越大。K0

过大时，控制作用过于灵敏，使控制系统不稳定，应避免。干扰通道放大系数Kf?

Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小y(∞)越小越好越小越好应适当的大一些，K0KC>>Kf控制变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态2、控制通道动态特性的影响控制通道时间常数

T0？小一点好控制通道纯滞后τ0？Ｔ0过大：控制变量的校正作用迟缓，控制不及时，过渡时间增长，超调量增大Ｔ0小：反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响；但Ｔ0太小系统易振荡，使系统稳定性下降。控制通道传函：越小越好（最好能避免）τ0作用：使系统响应不及时；降低系统稳定性，超调量增加，偏差增加。2、控制通道动态特性的影响控制通道时间常数T0？小一点好干扰通道时间常数Tf

？Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量干扰通道纯滞后τf的影响无纯滞后有纯滞后干扰通道滞后时间τf?干扰通道的纯滞后τf仅使干扰对被控变量的影响推迟了时间τf，不会影响控制质量3、干扰通道动态特性的影响干扰通道传函：干扰通道时间常数Tf？Tf越大越好，干扰对被控变量的影响总结：控制变量的选择原则

1、控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。2、控制变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小(但不宜过小，否则易引起振荡)、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。

3、考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。总结：控制变量的选择原则1、控制变量应是可控的，即工艺上工艺要求：在保证产品含水率合格的前提下，保证最大产量。

被控变量：产品含水率(直接指标控制)在线检测含水率有困难；由工艺可知，含水率与干燥温度有单值对应关系实际被控变量：干燥温度T1(间接指标控制）影响被控变量的主要输入变量：乳化物流量fw

旁路空气流量fQ

加热蒸汽压力流量fp

5.4简单控制系统设计实例高位槽中的液体乳化物经过滤器过滤后进入干燥筒，用热风进行干燥。热风来自被加热的压缩空气。根据动态性质选择控制变量乳化物干燥系统示意图乳化物高位槽过滤器A12WWW3蒸汽空气产品T1T2干燥筒过滤器B工艺要求：在保证产品含水率合格的前提下，保证最大产量。被控1100S+11100S+1e-3Se-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)fPT1fQfW乳化物干燥系统被控对象对象方块图乳化物干燥系统示意图=1GW(S)(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)e-2S=1GQ(S)(100S+1)=1GP(S)(100S+1)(100S+1)GF(S)=e-3S干燥筒（输入：乳化物流量fw；输出：干燥温度T1）换热器1（输入：通过调节阀2的旁路空气流量fQ；输出：冷、热风混合处的温度T2）风管（输入：冷、热风混合处的温度T2；输出：干燥温度T1）各个环节的传递函数：乳化物高位槽过滤器12WWW3蒸汽空气产品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)换热器2（输入：蒸汽压力流量fp；输出：冷、热风混合处的温度T2）11e-3Se-2SfPT1fQfW乳化物干燥系统被控对象对方案1：乳化物流量fW为控制变量fWfp1100S+11100S+1e-3SfQe-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)T1控制器TC偏差设定值＋－干扰方案2：旁路空气流量fQ为控制变量设定值fp1100S+1e-3S

100S+1fQe-2S(8.5S+1)3T1控制器TC偏差＋－fW干扰方案3：蒸汽流量fp为控制变量e-2S(8.5S+1)31100S+1e-3S

100S+1fQT1控制器TC偏差设定值＋－fWfp1100S+11100S+1e-3Se-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)fPT1fQfW控制方案：哪个方案好？从系统动态特性考虑，方案1最佳；方案2居中；方案3最差。但乳化物流量fw为生产负荷，直接关系到产品的产量，不宜作控制变量。∴选择方案2方案1：乳化物流量fW为控制变量fWfp11e-3SfQe-1．仪表性能的考虑：5.2.3系统设计中的测量变送问题基本要求:准确、快速。通常按一阶惯性环节考虑a、测量元件时间Tm常数的影响：y：被控变量Z：测量值b、测量元件纯滞后时间τm的影响

yZ严重影响控制质量；一般是由于测量元件安装位置引起的

Tm越大：失真越显著。测量值没有反映被控变量的真实值，控制器得到的是一个失真信号，就不能发出正确的控制信号。1．仪表性能的考虑：5.2.3系统设计中的测量变送问题基本

在自动控制系统中，以温度测量元件和成分分析的取样装置所引起的测量滞后为最大。通常测量元件应选择在最具代表性，响应最灵敏、最迅速的位置安装，减小参数测量滞后和传送滞后。

合理引入微分特性的超前作用，对克服测量滞后，改善控制质量是一种有效的方法。(TdS+1)KmTmS+1Y(S)Z(S)U(S)测量、变送装置与微分器连接示意图克服测量滞后的几种方法：1、选择快速测量元件。要求：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。2、正确选择测量元件的安装位置。3、正确使用微分器。

但是，微分环节会放大测量、变送回路的高频噪声，使得系统稳定性变差，因此，要合理使用。

在自动控制系统中，以温度测量元件和成分分析的取样装置所引2.

测量信号的处理⑴测量信号的线性化处理（选择相应的线性化方法）例如：热电阻、热电偶测温⑵测量信号的滤波处理（根据噪声特性选择滤波方式）有脉动或高频噪声的信号（模拟RC电路或数字滤波）3．安装与使用条件

安装条件必须符合相应检测仪表的具体要求。例如：流量测量仪表通常对前后管道的直管段的要求、节流装置对流向的要求。

实际使用仪表的工作参数应该符合仪表的设计参数。例如：气体流量测量时的实际温度和压力应该与设计值相等。如果实际工作温度和压力与设计值偏离较大，将产生较大的附加误差。必要时需要进行校正（即补偿）。测量、变送器的输出，有时不可避免地杂有各种各样地随机干扰信号，即噪声。若对测量信号不加分析和处理，直接送往控制器，也就把噪声引入控制器，可能会引起控制器的误操作。2.测量信号的处理⑴测量信号的线性化处理（选择相应的线1.选择合适的调节工作区间正常工况下调节阀开度：15％～85％5.2.4执行器的考虑正常工况下，开度太大

开度太小阀门经常处于小开度工作状态，调节不灵敏，而且易造成流体对阀芯、阀座的严重冲蚀。→调节阀会运行在全开状态使系统暂时失控。→系统受到大干扰时1.选择合适的调节工作区间正常工况下调节阀开度：15％～8气开式（正作用）：气压（控制）信号增加，阀门开度增加；没有气压（控制）信号时，阀门全关。气关式（反作用）：气压（控制）信号增加，阀门开度减小；没有气压（控制）信号时，阀门全开。2.气开式与气关式的选择选择原则：控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。例如：锅炉供水调节阀？答：气关式进加热炉的燃料气调节阀？答：气开式气开式（正作用）：气压（控制）信号增加，阀门开度增加；2.3、调节阀的流量特性选择系统要求→确定工作流量特性要求：系统的开环放大系数为定值调节阀的增益：KV=dQ/dt→依据流量特性畸变程度（S值），确定理想流量特性S=1~0.6：理想流量特性与工作流量特性相同S=0.3~0.6：理想流量特性总选对数。S＜0.3：一般已不宜用于自动控制。→向厂家订货被控对象为线性→调节阀也选线性的流量特性被控对象为非线性→调节阀选对数流量特性3、调节阀的流量特性选择系统要求→确定工作流量特性要求：系统负荷变化使得被控对象特性发生变化，对控制质量产生影响。可以通过选择不同结构的调节阀，利用调节阀的流量特性来克服负荷变化带来的影响。原理：利用调节阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使广义对象的放大系数基本保持不变或近似不变，从而达到较好的控制效果。负荷变化对控制质量的影响及调节阀的选择：例如：若对象为流量Q增加引起τ0减小，K0减小此时选什么流量特性的调节阀？对数还是直线答：对数，放大系数随负荷增加而增加。负荷变化使得被控对象特性发生变化，对控制质量产生影响。可以通目前工业上常用的常规控制规律有：P、PI、PD、PID5.2.5调节器调节规律的选择1、比例（P）：调节作用及时迅速；输出有余差。只需要整定一个参数，简便。2、比例积分（PI）：能消除余差。但动态响应较缓慢。对高频噪声有一定的抑制作用。超调增加。常规控制规律的特点和适用场合：P：适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。

PI：适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。

例如：储槽液位控制（一阶对象）压缩机储气罐的压力控制例如：某些流量、液位要求无余差的控制系统。一、根据过程特性选择控制器的控制规律目前工业上常用的常规控制规律有：P、PI、PD、PID5.23、比例微分（PD）：超前调节，能加快调节过程，减小超调，不能消除余差。但会放大噪声作用。4、比例积分微分（PID）：能消除余差，稳定性好。但要整定三个参数。PD：适用于控制通道滞后较大，负荷变化大的场合。但对于干扰作用频繁，测量信号中有高频噪声的系统，避免使用PD。PID：适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。例如：温度控制、成分控制、容量滞后较大的储槽液位控制（二阶或高阶对象）3、比例微分（PD）：超前调节，能加快调节过程，减小超调，不二、根据τ0/T0比值选择调节器的控制规律广义对象近似传递函数：采用简单控制系统难以满足工艺要求，采用复杂控制系统（串级、前馈等）经验表明：P，PIPID二、根据τ0/T0比值选择调节器的控制规律广义对象近似传递函1.调节器正/反作用设定确定原则：保证控制系统为负反馈系统。调节器正/反作用形式是根据调节器输出与测量值之间的变化关系而定的。正作用形式：测量值增加，调节器输出随而增加；静态放大系数Kc取“－”。反作用形式：测量值增加，调节器输出随而减小；静态放大系数Kc取“＋”。5.3简单控制系统操作与投运被控对象：正作用：输入增加时，输出增加；静态放大系数K0取“＋”。反作用：输入增加时，输出减小；静态放大系数K0取“－”。调节阀：气开式：KV取“＋”气关式：KV取“－”设定方法：通过设置仪表侧面板上的正/反作用转换开关位置实现。1.调节器正/反作用设定确定原则：保证控制系统为负反馈系统控制器正/反作用选择的步骤1、判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定；2、判断调节阀的正反作用方向，由工艺安全原则选定；选择原则：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全；3、确定调节器的正反作用方向。确定原则：各环节静态放大系数极性相乘为正（已知测量变送环节为正作用方向）。控制器正/反作用选择的实例：验证正确性液位控制－要求：无控制信号时，阀门自动关闭。气开式：＋－：正作用Gm(s)r+euy-zqG0(s)Gv(s)Gc(s)？？？控制器正/反作用选择的步骤1、判断被控对象的正反作用方向，由图5－28思考题与习题(P199)5－12图5－28是加热炉流程示意图。试设计一个控制系统用于维持工艺物料被加热的温度稳定。要求：确定控制阀气开、气关特性及调节器正、反作用形式。燃料油工艺物料加热炉燃料油TC加热炉出口温度控制+＋：反作用Gm(s)r+euy-zqG0(s)Gv(s)Gc(s)解：气开式：+图5－28思考题与习题(P199)燃料油工艺物料加热炉燃料油2.调节器工作状态设定

控制器上电前总是设置在手动状态。通过手动操作使生产过程达到或接近设计状态，再将调节器切换到自动或串级状态，实现自动控制。

常规调节器的工作状态：手动、自动、串级。

手动：调节器输出由操作员直接改变。自动或串级：调节器根据给定的控制规律对偏差运算产生控制输出。

自动状态时的偏差：内给定与测量值的偏差。串级状态时的偏差：外给定与测量值的偏差。

切换状态时，需要保证调节器输出不产生阶跃跳变，称为无扰动切换。手动与自动或串级之间的切换：通过转换仪表正面板上的手动/自动切换杠位置实现。自动与串级之间的切换：通过设置仪表侧面板上的内/外给定开关位置实现。2.调节器工作状态设定控制器上电前总是设置在手3.

调节器参数整定⑴理论整定：已获得控制系统各环节的数学模型时，根据控制要求确定系统的闭环传递函数或过渡过程指标，计算调节器的相应参数。整定的目的：

根据给定的控制规律，调整控制器参数，使控制器特性与被控过程特性配合好，使控制系统的性能指标满足工艺生产的要求。参数整定的方法：理论整定和工程整定。⑵工程整定：根据实验或工程经验，直接在已投入运行的控制系统中进行整定。

常用方法：频率特性法和根轨迹法（或通过仿真整定）。常用的工程整定方法：响应曲线法、临界比例度法、衰减曲线法、经验法等。3.调节器参数整定⑴理论整定：已获得控制系统各环节的数学计算对象特性参数：①响应曲线法

整定过程：获取广义对象阶跃响应曲线→计算对象特性参数→根据经验公式计算控制器参数值。获取阶跃响应曲线：在工况较稳定时，使调节器输出阶跃变化5～10％，记录测量值变化曲线。608010012014016015202530354045tt0t1t2z0z1u0u1广义对象近似为：计算对象特性参数：①响应曲线法整定过程：获取根据经验公式计算控制器参数（按控制系统的衰减比为4：1整定参数时）：控制规律δTiTdPPIPID表5－3响应曲线法整定参数根据经验公式计算控制器参数（按控制系统的衰减比为4：1整定参临界振荡周期Ts：振荡的两个波峰之间的时间②临界比例度法(稳定边界法)

整定过程：获取临界振荡曲线→获得特征参数→根据整定经验公式计算控制器参数值→根据调节效果适当调整参数值。一、获取临界振荡曲线：1020304000.511.522.5tTsz此时对应的比例度称为临界比例度δs

。3、根据过渡过程曲线，调整比例度（δ

从大逐渐减小），使系统出现等幅振荡。2、在工况较稳定时，控制器切换到自动状态。使调节器给定阶跃变化5～10％，记录过渡过程曲线。1、控制器设定为纯比例（Ti=∞，Td=0），比例度δ置较大数值。二、获得特征参数：等幅振