化工儀表 及自動(dòng)化 課件07 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

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1、第七章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（4學(xué)時(shí)）第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定教學(xué)要求1.掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成；掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成；2.掌握被控變量的選擇方法及原則；掌握被控變量的選擇方法及原則；3.掌握操縱變量的選擇方法及原則，學(xué)會(huì)分析對(duì)象靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特掌握操縱變量的選擇方法及原則，學(xué)會(huì)分析對(duì)象靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響；性對(duì)控制質(zhì)量的影響；4.了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測(cè)量變送問(wèn)題；了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測(cè)量變送問(wèn)題；5.掌握控制器控制規(guī)律的選擇及控制器正反作用選擇；掌握控制器控制規(guī)律的選擇及控制器正反作用選擇；6.了解簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)過(guò)程及參數(shù)整定方法；了

2、解簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)過(guò)程及參數(shù)整定方法；7.通過(guò)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例講解，掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例講解，掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。重 點(diǎn)：被控變量、操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇被控變量、操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇難 點(diǎn)：操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇知識(shí)點(diǎn)回顧知識(shí)點(diǎn)回顧控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器測(cè)量變送裝置測(cè)量變送裝置被控變量被控變量被控對(duì)象被控對(duì)象干擾干擾給定值給定值偏差偏差操操 縱縱變量變量o教學(xué)要求：了解分析簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)分析其結(jié)構(gòu)與了解分析簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)分析其結(jié)構(gòu)與組成。組成。第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組

3、成常見(jiàn)的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)：是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。研究簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的必要性o由于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是最基本、應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，因此學(xué)習(xí)和研究簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及使用是非常必要的。o同時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，學(xué)會(huì)了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析，將會(huì)給復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究提供很大的方便。第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1被控變量的選擇被控變量的選擇2操縱變量的選擇操縱變量的選擇3測(cè)量元件特性的影響測(cè)量元件特性的影響4控制器控制規(guī)律的選擇控制器控制規(guī)律的選擇 要設(shè)計(jì)好控制系統(tǒng)必須充分了解其相關(guān)的工藝過(guò)程、要設(shè)計(jì)好控制系

4、統(tǒng)必須充分了解其相關(guān)的工藝過(guò)程、工藝特點(diǎn)及對(duì)控制的要求！工藝特點(diǎn)及對(duì)控制的要求！一、被控變量的選擇o什么是被控變量？n被控變量是生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。o被控變量是工藝過(guò)程的重要參數(shù)；o在工藝系統(tǒng)中易受干擾變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的參數(shù)；o盡可能選用直接指標(biāo)作為被控參數(shù)，必要時(shí)可用與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。o被控變量應(yīng)方便檢測(cè)，并有足夠的靈敏度；o被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的，以及需考慮控制代價(jià)。直接指標(biāo)控制與間接指標(biāo)控制o根據(jù)被控變量與生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)系，可分為兩種類型的控制形式：直接指標(biāo)控制和間接指標(biāo)控制直接指標(biāo)控制和間接指標(biāo)控制。o如果被控變

5、量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（溫度、壓力、流量、液位、成分等），則稱為直接指標(biāo)控直接指標(biāo)控制制。o如果工藝是按質(zhì)量指標(biāo)按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行操作的，照理應(yīng)以產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量進(jìn)行控制，但有時(shí)缺乏各種合適的獲取質(zhì)量型號(hào)的監(jiān)測(cè)手段，或雖能檢測(cè)，但信號(hào)很微弱或滯后很大，這是可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量，如溫度、壓力等作為間接控制指標(biāo)，進(jìn)行間接指標(biāo)控制。苯-甲苯精餾過(guò)程1.系統(tǒng)的工作目的？分離混合物的各組分，使其達(dá)到規(guī)定要求；分離混合物的各組分，使其達(dá)到規(guī)定要求；2.組分檢測(cè)是否困難：是；是；3.組分與哪些量有密切關(guān)系：溫度和壓力（關(guān)系圖）；4

6、.應(yīng)選擇何種間接控制變量？溫度；溫度；5.選擇溫度作為控制變量的合理性：（1）精餾過(guò)程中，壓力往往需要固定；）精餾過(guò)程中，壓力往往需要固定；（2）溫度和組分存在單值關(guān)系；）溫度和組分存在單值關(guān)系；（3）有足夠的靈敏度；）有足夠的靈敏度；易揮發(fā)組分苯濃度與溫度、壓力之間的關(guān)系易揮發(fā)組分苯濃度與溫度、壓力之間的關(guān)系選擇被控變量的原則：被控變量應(yīng)是關(guān)鍵關(guān)鍵變量。被控變量在工藝操作過(guò)程中經(jīng)常需要較頻繁的調(diào)節(jié)。盡量采用直接指標(biāo)直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無(wú)法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量和變送信號(hào)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)間接指標(biāo)作為被控變量。被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來(lái)，并具有足夠大的靈敏

7、度靈敏度。選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。被控變量是獨(dú)立可控獨(dú)立可控的，否則需用復(fù)雜控制系統(tǒng)，且需增加解藕裝置。二、操縱變量的選擇o操縱變量操縱變量：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用于調(diào)節(jié)被控變量的參數(shù)，稱為操縱變量。最常見(jiàn)的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有轉(zhuǎn)速、電壓等；o操縱變量的操縱變量的選擇原則選擇原則：v操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；v操縱變量應(yīng)具有較高的調(diào)節(jié)靈敏度：o較大的放大倍數(shù)放大倍數(shù)K0；o較短的滯后時(shí)間滯后時(shí)間。v符合工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。怎樣選擇操縱變量？被控變量：被控變量：靈敏板的溫度靈敏板的溫度對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響u操縱變量與干擾變量作用在對(duì)象上

8、，都會(huì)引起被控變量變化。u如右圖所示，干擾變量由干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；操縱變量由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。對(duì)象靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的影響o靜態(tài)：控制通道的放大系數(shù) 大些，控制作用強(qiáng)些。干擾通道的放大系數(shù) 越小越好，減小干擾變量的影響，使過(guò)渡過(guò)程的超調(diào)量變小。o動(dòng)態(tài)：控制通道時(shí)間常數(shù)T的影響；控制通道純滯后 的影響；干擾通道時(shí)間常數(shù)Tf的影響；干擾通道純滯 后的影響。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響設(shè):擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)為f，純滯后為f 擾動(dòng)通道特性的影響擾動(dòng)通道特性的影響 ft0yft0

9、(1)(2)Tf1Tf2ff操縱變量的選擇原則：操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。三、測(cè)量元件特性的影響o測(cè)量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息得裝置，也是系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)。o所以，要求它能正確地、及時(shí)地反映被控變量的狀況。o測(cè)量不準(zhǔn)確或不及時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失調(diào)或無(wú)調(diào)，影響之大不容忽視。1、測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)o測(cè)量元件，特別是測(cè)溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時(shí)間常數(shù)，因而造成測(cè)量滯后。2、測(cè)量元件的純滯后o當(dāng)測(cè)量存在純滯后，也和對(duì)象控制通道存在純滯后一

10、樣，會(huì)嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。3、信號(hào)的傳送滯后o信號(hào)傳送滯后通常包括測(cè)量信號(hào)傳送滯后和控制信號(hào)傳送滯后兩部分。o測(cè)量信號(hào)傳送滯后是指由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送裝置的信號(hào)傳送到控制室的控制器所引起的滯后。o控制信號(hào)傳送滯后是指由控制室內(nèi)控制器的輸出控制信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所引起的滯后。四、控制器控制規(guī)律的選擇o在選擇控制器時(shí)，不僅要確定控制器的控制規(guī)律，而且要確定控制器的正、反作用。o回顧一下基本控制規(guī)律對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。1、控制規(guī)律的確定o位式控制（雙位控制）o比例控制（P）o積分控制（I）o微分控制（D）oP、I和D的組合形式：PI、PD和PIDP控制規(guī)律：o最基本的控制規(guī)律，抗干擾能力強(qiáng)，控制及時(shí)，過(guò)渡

11、時(shí)間短，但有余差。o適合控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控變量運(yùn)行在一定范圍內(nèi)允許有余差的場(chǎng)合。o典型應(yīng)用：儲(chǔ)槽液位控制、精餾塔塔釜液位控制、壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐壓力控制等。PI控制規(guī)律：o在工程上應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能消除余差，但會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性降低。增大比例度可保證穩(wěn)定性，但超調(diào)量和振蕩周期會(huì)相應(yīng)增大；o適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合，如某些流量、液位要求無(wú)余差的場(chǎng)合。PD控制規(guī)律：o微分具有超前控制作用，對(duì)具有容量滯后的過(guò)程控制通道，引入微分控制規(guī)律對(duì)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有顯著的效果。o適用于控制通道的時(shí)間常數(shù)大或者容量滯后較大的場(chǎng)合

12、，如溫度和成分控制等。但對(duì)于純滯后較大，測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性干擾的系統(tǒng)，則不宜采用微分作用。PID控制規(guī)律：o是一種最理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。o適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制、成分控制?？刂埔?guī)律選擇的原則是：1.對(duì)于一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面，以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。2.對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，但不允許有余差的情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制系統(tǒng)往往采用PI控制器。3.當(dāng)對(duì)象滯

13、后較大，如溫度、值等控制系統(tǒng)則需引入微分作用。一般在對(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時(shí)，可選用比例（P）積分（I）微分（D）控制器。4.當(dāng)對(duì)象控制通道的滯后很小，采用反微分作用可以收到良好的效果。5.當(dāng)對(duì)象滯后很大，負(fù)荷又變化很大時(shí)，PID作用控制器也不能解決問(wèn)題，往往要設(shè)計(jì)某些復(fù)雜控制系統(tǒng)。2、控制器正、反作用的確定o什么是控制器的”正”、“反”作用？o當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)輸入增加時(shí)，輸出也增加，該環(huán)節(jié)稱為“正作用”方向；反之，稱為“反作用”。o如何確定控制器的“正”、“反”作用？o與執(zhí)行器、對(duì)象、測(cè)量變送作用方向組合，使得控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖簡(jiǎn)單控

14、制系統(tǒng)的方塊圖o測(cè)量變送器：作用方向一般是“正”的；o被控對(duì)象：操縱變量增加時(shí)，被控變量也增加的對(duì)象屬于“正作用”的；隨操縱變量的增加而降低的對(duì)象屬于“反作用”；o執(zhí)行器：作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥；氣開閥是“正”方向；氣關(guān)閥是“反”方向。執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)形式主要從工藝安全角度來(lái)確定?？刂葡到y(tǒng)各環(huán)節(jié)的正負(fù)選擇控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的正負(fù)選擇分析1熱電偶及變送器加熱爐氣開閥 TC分析2差壓式液位變送器儲(chǔ)液罐氣開閥 LC控制器的“正作用”和“反作用”第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定o控制器參數(shù)的工程整定就是選擇適宜的比例度（放大倍數(shù)Kp）、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間TD。o控制器的整定可以采用兩種方法：n

15、理論計(jì)算法：通過(guò)理論計(jì)算，尋找控制關(guān)系；n工程整定法：通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)規(guī)律選擇控制參數(shù)。o簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，一般希望過(guò)渡過(guò)程呈4：1或10：1的衰減震蕩過(guò)程。一、臨界比例度法o具體方法：1.在純比例控制（Ti=，TD=0）條件下通過(guò)試驗(yàn)獲得臨界比例度K；2.再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算實(shí)際參數(shù)值、Ti、TD。o使用條件：n臨界比例法廣泛應(yīng)用于放大倍數(shù)較小，即控制器輸出范圍較小控制器輸出范圍較小的系統(tǒng)；n使用臨界比例法必須是工藝系統(tǒng)允工藝系統(tǒng)允許許短時(shí)間震蕩的情形。二、衰減曲線法o具體方法：1.在純比例控制（Ti=，TD=0）條件下通過(guò)試驗(yàn)選擇適宜的比例度s使系統(tǒng)呈現(xiàn)4：1的衰減比；2.再根據(jù)所得的比例度和

16、衰減周期通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算實(shí)際參數(shù)值、Ti、TD。o使用條件：n干擾作用不太頻繁；n干擾作用的規(guī)律性較強(qiáng)。三、經(jīng)驗(yàn)湊試法o具體方法：1.根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)選擇適宜的控制參數(shù)、Ti、TD；2.在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。o使用條件：n干擾作用頻繁；n干擾作用的規(guī)律性較差。整定的步驟有兩種：1)先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過(guò)渡過(guò)程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。按此順序觀察過(guò)渡過(guò)程曲線進(jìn)行整定工作。v經(jīng)驗(yàn)湊試法的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。2)經(jīng)驗(yàn)湊試法還可以按下列步驟進(jìn)行：先按表7-4中給出的范圍把TI定下來(lái)，如果引入微分作用，可取TD=(1/31/4)TI，然后對(duì)進(jìn)行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。本章作業(yè):P166167o1、4、5、7、9、10、13、21