過程控制系統(tǒng) 第4章

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1、過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)華東理工大學(xué)孫自強(qiáng)2008年2月第第4章章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)l簡單控制系統(tǒng)指的是單輸入-單輸出(SISO) 的線性控制系統(tǒng)，是控制系統(tǒng)的基本形式。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，而且具有相當(dāng)廣泛的適應(yīng)性。在計(jì)算機(jī)控制已占主流的今天，即使在高水平的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中，簡單控制系統(tǒng)仍占控制回路的絕大多數(shù)，一般在85以上。力求簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)與保證控制效果是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。 4.1 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 l簡單控制系統(tǒng)由檢測變送單元、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成。 l檢測元件和變送器用于檢測被控變量，并將檢測到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。 l控制器用于將檢測變送單元的輸出

2、信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，按一定的控制規(guī)律對(duì)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出到執(zhí)行器。 l執(zhí)行器是控制系統(tǒng)環(huán)路中的最終元件，直接用于控制操縱變量變化。 l被控對(duì)象是需要控制的設(shè)備 。4.2 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)l4.2.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述l首先，要求自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在掌握較為全面的自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，也要盡可能多地熟悉所要控制的工藝裝置對(duì)象；l其次，要求自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人員與工藝專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行必要的交流，共同討論確定自動(dòng)化方案；l第三，自動(dòng)化技術(shù)人員要切忌盲目追求控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和所用儀表及裝置的先進(jìn)性。工藝人員要進(jìn)一步建立對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的信心，特別是一些復(fù)雜對(duì)象和大系統(tǒng)的

3、綜合自動(dòng)化，要注意傾聽自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人員的建議；l第四，設(shè)計(jì)一定要遵守有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)行規(guī)，按科學(xué)合理的程序進(jìn)行。 l說明 ：l框圖中的各個(gè)信號(hào)都是增量。l各環(huán)節(jié)的增益有正、負(fù)之別。l通常將執(zhí)行器、被控對(duì)象和檢測變送環(huán)節(jié)合并為廣義對(duì)象。l簡單控制系統(tǒng)有控制通道和擾動(dòng)通道兩個(gè)通道：控制通道是操縱變量作用到被控變量的通道。擾動(dòng)通道是擾動(dòng)作用到被控變量的通道。l設(shè)定值保持不變的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng) l設(shè)定值是任意變化的反饋控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)或伺服控制系統(tǒng)。 l控制系統(tǒng)中如果包含采樣開關(guān)，則這類控制系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本內(nèi)容控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本內(nèi)容 l 確定控制方案 l調(diào)研，論證l

4、包括被控變量的選擇與確認(rèn)操縱變量的選擇與確認(rèn)檢測點(diǎn)的初步選擇、繪制出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和編寫初步控制方案設(shè)計(jì)說明書等等。 l 儀表及裝置的選型 l要考慮到供貨方的信譽(yù)產(chǎn)品的質(zhì)量價(jià)格可靠性精度供貨方便程度技術(shù)支持維護(hù)等因素。l 相關(guān)工程內(nèi)容的設(shè)計(jì)l包括控制室設(shè)計(jì)供電和供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀表配管和配線設(shè)計(jì)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等，提供相關(guān)的圖表?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)基本步驟控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本步驟 l 初步設(shè)計(jì)l初步設(shè)計(jì)的主要目的是上報(bào)審批，并為定貨做準(zhǔn)備。l 施工圖設(shè)計(jì)l是在項(xiàng)目和方案獲批后，為工程施工提供有關(guān)內(nèi)容詳細(xì)的設(shè)計(jì)資料。l 設(shè)計(jì)文件和責(zé)任簽字l包括設(shè)計(jì)校核審核審定各相關(guān)專業(yè)負(fù)責(zé)人員的會(huì)簽等，以嚴(yán)格把關(guān)，

5、明確責(zé)任，保持協(xié)調(diào)。l 參與施工和試車l設(shè)計(jì)代表應(yīng)該到現(xiàn)場配合施工，并參加試車和考核。l 設(shè)計(jì)回訪l在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)去現(xiàn)場了解情況，聽取意見，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。4.2.2 被控變量與操縱變量的選擇被控變量與操縱變量的選擇 l被控變量選擇應(yīng)遵循下列原則：l盡量選擇能直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量；l所選被控變量能滿足生產(chǎn)工藝穩(wěn)定安全高效的要求l必須考慮自動(dòng)化儀表及裝置的現(xiàn)狀。l操縱變量選取應(yīng)遵循下列原則：l操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；l操縱變量是應(yīng)該是系統(tǒng)中所有被控變量的輸入變量中的對(duì)被控變量影響最大的一個(gè)。控制通道的放大系數(shù)要盡量大一些，時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小些，滯后時(shí)間盡量小。l

6、不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動(dòng)。4.2.3 檢測變送環(huán)節(jié)選擇檢測變送環(huán)節(jié)選擇l 檢測變送環(huán)節(jié)的性能l檢測元件和變送器的基本要求是準(zhǔn)確、迅速和可靠。 l選擇檢測元件時(shí)應(yīng)考慮該元件能否適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)境；能否長期穩(wěn)定運(yùn)行；檢測元件的精確度和響應(yīng)的快速性等。還應(yīng)考慮檢測元件和變送器的線性特性等。l儀表的精確度影響檢測變送環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。應(yīng)合理選擇儀表的精確度，以滿足工藝檢測和控制要求為原則。檢測變送儀表的量程應(yīng)滿足讀數(shù)誤差的精確度要求，同時(shí)應(yīng)盡量選用線性特性。儀表量程大Km小，而儀表量程小則Km大。l檢測元件和變送器增益Km的線性度與整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入輸出的線性度有關(guān)，當(dāng)

7、控制回路的前向增益足夠大時(shí)，整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入輸出的增益是Km的倒數(shù)。例如，采用孔板和差壓變送器檢測變送流體的流量時(shí)，由于差壓與流量之間的非線性，造成流量控制回路呈現(xiàn)非線性，并使整個(gè)控制系統(tǒng)開環(huán)增益非線性。l相對(duì)于過程的時(shí)間常數(shù)，大多數(shù)檢測變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)是較小的。但成分檢測變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯會(huì)很大；氣動(dòng)儀表的時(shí)間常數(shù)較電動(dòng)儀表要大；采用保護(hù)套管溫度計(jì)檢測溫度要比直接與被測介質(zhì)接觸檢測溫度有更大的時(shí)間常數(shù)。此外，應(yīng)考慮時(shí)間常數(shù)隨過程運(yùn)行而變化的影響。例如，由于保護(hù)套管結(jié)垢，造成時(shí)間常數(shù)增大，保護(hù)套管磨損，造成時(shí)間常數(shù)減小等。對(duì)檢測變送環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)的考慮主要應(yīng)根據(jù)檢測變送、被控對(duì)象和執(zhí)

8、行器三者時(shí)間常數(shù)的匹配，即增大最大時(shí)間常數(shù)與次大時(shí)間常數(shù)之間的比值。l減小時(shí)間常數(shù)的措施包括檢測點(diǎn)位置的合理選擇；選用小慣性檢測元件；縮短氣動(dòng)管線長度，減小管徑；正確使用微分單元；選用繼動(dòng)器等放大元件等。為了增大最大時(shí)間常數(shù)與次大時(shí)間常數(shù)之間的比值，對(duì)于快速響應(yīng)的被控對(duì)象，例如，流量、壓力等，有時(shí)需要增大檢測變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，常用的措施有合理選用微分單元（反微分）；并聯(lián)大容量的電容或氣容；串聯(lián)阻容濾波環(huán)節(jié)等。l 對(duì)檢測變送信號(hào)的處理l檢測變送信號(hào)的數(shù)據(jù)處理包括信號(hào)補(bǔ)償、線性化、信號(hào)濾波、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)報(bào)警和數(shù)學(xué)變換等。l 信號(hào)補(bǔ)償l熱電偶檢測溫度時(shí)，由于產(chǎn)生的熱電勢不僅與熱端溫度有關(guān)，也與冷

9、端溫度有關(guān)，因此需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償；l熱電阻到檢測變送儀表之間的距離不同，所用連接導(dǎo)線的類型和規(guī)格不同，線路電阻不同，因此需要進(jìn)行線路電阻補(bǔ)償；l氣體流量檢測時(shí)，若檢測點(diǎn)溫度、壓力與設(shè)計(jì)值不一致，因此需要進(jìn)行溫度和壓力的補(bǔ)償；l精餾塔內(nèi)介質(zhì)成分與溫度、塔壓有關(guān)，正常操作時(shí)，塔壓保持恒定，可直接用溫度進(jìn)行控制，當(dāng)塔壓變化時(shí)，需要用塔壓對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。l 線性化 l檢測變送環(huán)節(jié)是根據(jù)有關(guān)的物理化學(xué)規(guī)律檢測被控變量的，它們有些存在非線性，例如，熱電勢與溫度、差壓與流量等，這些非線性會(huì)造成控制系統(tǒng)的非線性，因此，應(yīng)對(duì)檢測變送信號(hào)進(jìn)行線性化處理。可以采用硬件組成非線性環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，例如，采用開方器對(duì)差壓

10、進(jìn)行開方運(yùn)算，也可用軟件實(shí)現(xiàn)線性化處理。l 信號(hào)濾波l由于存在環(huán)境噪聲，例如，泵出口壓力的脈動(dòng)，儲(chǔ)罐液位的波動(dòng)等，它們使檢測變送信號(hào)波動(dòng)并影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。l信號(hào)濾波有硬件濾波和軟件濾波，有高頻濾波、低頻濾波、帶通、帶阻濾波等。l硬件濾波通常采用阻容濾波環(huán)節(jié)，可以用電阻電容組成低通濾波，也可用氣阻和氣容組成濾波環(huán)節(jié)?？梢越M成有源濾波、也可組成無源濾波等。l軟件濾波采用計(jì)算方法，用程序編制各種數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波，具有投資少，應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。在智能儀表、DCS等裝置中通常采用軟件濾波。l過程控制中常用的數(shù)學(xué)濾波算法有下列幾種： 一階低通濾波； 一階高通濾波；遞推

11、平均濾波； 程序判別濾波。l 數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)報(bào)警和數(shù)學(xué)變換l當(dāng)檢測信號(hào)與被控變量之間有一定的函數(shù)關(guān)系時(shí)，需要進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得實(shí)際的被控變量數(shù)值。l節(jié)流裝置測得的差壓數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行開方運(yùn)算；l根據(jù)測得的瞬時(shí)流量應(yīng)進(jìn)行積分運(yùn)算獲得累積流量等。l對(duì)檢測的信號(hào)要進(jìn)行一些復(fù)合的數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如，對(duì)氣體流量的溫度和壓力補(bǔ)償運(yùn)算就包含加、乘和除的運(yùn)算。l信號(hào)的數(shù)字變換也常常被應(yīng)用于檢測變送信號(hào)的處理。l快速富里埃變換、小波變換等。l在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換。l如果檢測變送信號(hào)超出工藝過程的允許范圍，就要進(jìn)行信號(hào)報(bào)警和聯(lián)鎖處理。同樣，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中如果檢測到檢測元件處于異常狀態(tài)時(shí)，也需要為操作人員

12、提供相關(guān)報(bào)警信息。4.2.4執(zhí)行器執(zhí)行器(氣動(dòng)薄膜控制閥氣動(dòng)薄膜控制閥)的的選擇選擇l根據(jù)使用的能源種類，控制閥可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三種。其中氣動(dòng)控制閥具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價(jià)格便宜，防火防爆等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制中用得最多，故以下的討論僅涉及氣動(dòng)控制閥。l控制閥選擇的內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的選擇，口徑大小及開閉形式的選擇，流量特性的選擇，以及閥門定位器的選擇等?？刂崎y結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的選擇控制閥結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的選擇l控制閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。l執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，兩者之間為比例關(guān)系；l調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成流通截面積的變化，

13、從而改變操縱變量的大小。l執(zhí)行機(jī)構(gòu)有三種類型：薄膜式、活塞式和長行程式。薄膜式結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，使用最為廣泛。l調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的類型有：直通閥（雙座式和單座式），角閥，三通閥，球形閥，閥體分離閥，隔膜閥，蝶閥，高壓閥，偏心旋轉(zhuǎn)閥和套筒閥等。l直通閥和角閥供一般情況下使用，其中直通單座閥適用于要求泄漏量小的場合；l直通雙座閥適用于壓差大、口徑大的場合，但其泄漏量要比單座閥大；l角閥適用于高壓差、高粘度、含懸浮物或顆粒狀物質(zhì)的場合。l三通閥適用于需要分流或合流控制的場合，其效果比兩個(gè)直通閥要好；l蝶閥適用于大流量、低壓差的氣體介質(zhì)；l隔膜閥則適用于有腐蝕性的介質(zhì)。l此外,還應(yīng)根據(jù)操縱介質(zhì)的工藝條件和特

14、性選擇合適的材質(zhì)。 表表4-1 不同結(jié)構(gòu)形式控制閥特點(diǎn)及適用場合不同結(jié)構(gòu)形式控制閥特點(diǎn)及適用場合 閥結(jié)構(gòu)形式 特點(diǎn)及適用場合直通單座閥只有一個(gè)閥芯, 閥前后壓差小,適用于要求泄漏量小的場合直通雙座閥有兩個(gè)閥芯, 閥前后壓差大,適用于允許有較大泄漏量的場合角閥閥體呈直角, 適用于高壓差、高粘度、含懸浮物和顆粒狀物質(zhì)的場合隔膜閥適用于有腐蝕性介質(zhì)的場合蝶閥適用于有懸浮物的介質(zhì)、大流量、壓差小、允許大泄漏量的場合三通閥適用于分流或合流控制的場合高壓閥適用于高壓控制的特殊場合l 控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇 l對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選氣開閥還是氣關(guān)閥，即在閥的氣源信號(hào)發(fā)生故障或控制系統(tǒng)某環(huán)節(jié)失

15、靈時(shí)，閥是處于全開的位置安全，還是處于全關(guān)的位置安全, 要由具體的生產(chǎn)工藝來決定 ?？刂崎y氣開、氣關(guān)形式的選擇應(yīng)遵循幾條原則控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇應(yīng)遵循幾條原則 l 首先要從生產(chǎn)安全出發(fā),即當(dāng)氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制閥膜片破裂而漏氣等而使控制閥無法正常工作以致閥芯回復(fù)到無能源的初始狀態(tài)（氣開閥回復(fù)到全關(guān)，氣關(guān)閥回復(fù)到全開），應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致發(fā)生事故。如生產(chǎn)蒸汽的鍋爐水位控制系統(tǒng)中的給水控制閥，為了保證發(fā)生上述情況時(shí)不致把鍋爐燒壞, 控制閥應(yīng)選氣關(guān)式。l 從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，當(dāng)發(fā)生控制閥處于無能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量，如精餾塔回流量控

16、制閥常采用氣關(guān)式，一旦發(fā)生事故，控制閥全開，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài),防止不合格產(chǎn)品的蒸出，從而保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。l 從降低原料、成品、動(dòng)力損耗來考慮。如控制精餾塔進(jìn)料的控制閥就常采用氣開式,一旦控制閥失去能源即處于氣關(guān)狀態(tài)，不再給塔進(jìn)料，以免造成浪費(fèi)。 l 從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般選氣開式，以保證在控制閥失去能源時(shí)能處于全關(guān)狀態(tài)避免蒸汽的浪費(fèi)，但是如果釜液是易凝、易結(jié)晶、易聚合的物料時(shí)，控制閥則應(yīng)選氣關(guān)式以防調(diào)節(jié)閥失去能源時(shí)閥門 關(guān)閉，停止蒸汽進(jìn)入而導(dǎo)致釜內(nèi)液體的結(jié)晶和凝聚。l 控制閥流量特性 l理想流量特性是控制閥兩端壓降恒定時(shí)的流量特性，亦稱為固有流量特性。l工作流量

17、特性是在工作狀況下（壓降變化）控制閥的流量特性。l控制閥出廠所提供的流量特性指理想流量特性。l理想流量特性可分為線性、等百分比（對(duì)數(shù)）、拋物線、雙曲線、快開、平方根等多種類型。l國內(nèi)常用的理想流量特性有線性、等百分比和快開等幾種。 l 線性流量特性l線性流量特性是指控制閥的流量與閥桿的行程成線性關(guān)系，即單位行程變化引起的流量變化是常數(shù)。l 對(duì)數(shù)流量特性l對(duì)數(shù)流量特性是指單位行程變化引起的流量變化與此點(diǎn)的流量成正比關(guān)系，即控制閥的放大系數(shù)是變化的，隨流量的增加而增大。 l 快開流量特性l快開流量特性是指是指單位行程變化引起的流量變化與此點(diǎn)的流量成反比關(guān)系。l控制閥的理想流量特性是在閥兩端壓降恒定

18、條件下的流量特性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，控制閥兩端的壓降下降，因此，控制閥理想流量特性發(fā)生畸變。l壓降比S定義為控制閥全開時(shí)，閥兩端壓降占系統(tǒng)總壓降的比值。lPv是控制閥兩端的壓降，PP是系統(tǒng)中其他管路的阻力，包括靜壓頭、管路阻力等。系統(tǒng)的總壓降為PT。則有： PvvTvPPPPPSminminminl 控制閥流量特性的選擇l根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則，擾動(dòng)或設(shè)定變化時(shí)，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)各開環(huán)增益之積基本恒定；控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的?；竞愣?。l選擇控制閥工作流量特性的目的通過控制閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的增益來補(bǔ)償因?qū)ο笤鲆孀兓斐砷_環(huán)總增益變化的影響。即用Kv的變

19、化補(bǔ)償Kp的變化，使K開=KcKvKpKm基本恒定。討論時(shí)，假設(shè)控制器增益（或比例度）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)增益、檢測變送環(huán)節(jié)增益不隨負(fù)荷或設(shè)定而變化。這樣，當(dāng)對(duì)象增益Kp隨負(fù)荷或設(shè)定變化時(shí)，通過選擇合適的控制閥流量特性，使控制閥增益Kv與Kp之積保持基本不變。l控制閥工作特性的選擇 l控制系統(tǒng)通常受到多種擾動(dòng)的影響，因此，在選擇控制閥工作流量特性時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾，即對(duì)控制系統(tǒng)有主要影響的擾動(dòng)，并據(jù)此選擇控制閥工作流量特性。l在考慮被控對(duì)象特性時(shí)，應(yīng)從整個(gè)工作范圍考慮，而不能僅局限在工作點(diǎn)附近，因?yàn)?，在工作點(diǎn)附近的特性通常可近似為線性，從而不能獲得正確的分析結(jié)果。l流量特性的選擇是用于補(bǔ)償廣義被控對(duì)象的非

20、線性特性，有時(shí)，被控對(duì)象的非線性并不能夠用選擇控制閥的流量特性來補(bǔ)償。例如，pH 控制系統(tǒng)。 l從控制閥的工作特性選擇控制閥的理想特性 壓降比SS 0.60.3 S 0.6S 0，因此應(yīng)選擇控制器增益Kc為正，即為反作用控制器。l如操縱變量是出料量同樣選擇氣開閥，此時(shí)出料閥開度增加，液位降低，因此對(duì)象增益Kp為負(fù)；應(yīng)選擇控制器增益Kc為負(fù)，即為正作用控制器。 4.3 簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定l4.3.1 控制器的參數(shù)整定若干原則l所謂參數(shù)整定，就是對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)并安裝就緒的控制系統(tǒng)，選擇合適的控制器參數(shù)（ ， ， ），來改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿

21、意的質(zhì)量指標(biāo)要求。 )(cKiTdTl4.3.2 控制器參數(shù)的工程整定法l對(duì)于工程整定法，工程技術(shù)人員無需確切知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所必需的控制理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。l幾種常用的工程整定法：l經(jīng)驗(yàn)整定法 l臨界比例度法 l衰減曲線法 l反應(yīng)曲線法 經(jīng)驗(yàn)整定法經(jīng)驗(yàn)整定法 l根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)（如表4-3中所示），并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過觀察人為加入干擾（改變設(shè)定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對(duì)過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。表表4-3 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)

22、數(shù)據(jù)控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 被控變量規(guī)律的選擇(%)（min）（min）流 量要短；不用微分401000.31溫 度要長；一般需加微分20603100.53壓 力對(duì)象的容量滯后不算大，一般不加微分30700.43液 位可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分2080經(jīng)驗(yàn)整定法（經(jīng)驗(yàn)整定法（1）l先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)整為的衰減振蕩過程。l然后再加入積分（I）作用，一般先取積分時(shí)間為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入積分作用之前，要先減弱比例作用，通常把比例度增大。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn)的衰減振蕩。l需要時(shí)，最后加入微分（D）作

23、用，即從零開始，逐漸加大微分時(shí)間。由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可把比例度調(diào)整到比純比例作用時(shí)更小些，還可把積分時(shí)間也縮短一些。通過微分時(shí)間的湊試，使過渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。 經(jīng)驗(yàn)整定法（經(jīng)驗(yàn)整定法（2）l先根據(jù)表4-3選取積分時(shí)間和微分時(shí)間，通常取，然后對(duì)比例度進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。如果開始時(shí)和設(shè)置得不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整和，再重新湊試，使曲線最終符合控制要求。l經(jīng)驗(yàn)整定法適用于各種控制系統(tǒng)，特別適用對(duì)經(jīng)驗(yàn)整定法適用于各種控制系統(tǒng)，特別適用對(duì)象干擾頻繁、過渡過程曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)。象干擾頻繁、過渡過程曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)。但是，使用

24、此法主要靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的但是，使用此法主要靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作人員來說，整定所花費(fèi)的時(shí)間較多。操作人員來說，整定所花費(fèi)的時(shí)間較多。 臨界比例度法臨界比例度法l所謂臨界比例度法，是在系統(tǒng)閉環(huán)的情況下，用純比例控制的方法獲得臨界振蕩數(shù)據(jù)，即臨界比例度和臨界振蕩周期，然后利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取滿足衰減振蕩過渡過程的控制器參數(shù)。其整定計(jì)算公式如表4-4所示。 表表4-4 臨界比例度法控制器參數(shù)計(jì)算表（衰減比）臨界比例度法控制器參數(shù)計(jì)算表（衰減比） 控制規(guī)律（%）TI（min）TD（min）P2k PI2.2k0.85 Tk PID1.7k0.5 Tk0.125 Tk臨界比例度法整定步驟臨界

25、比例度法整定步驟l 將控制器的積分時(shí)間放在最大值（ ），微分時(shí)間放在最小值（ ），比例度 放在較大值后，讓系統(tǒng)投入運(yùn)行。l 逐漸減小比例度，且每改變一次 ，都通過改變設(shè)定值給系統(tǒng)施加一個(gè)階躍干擾，同時(shí)觀察系統(tǒng)的輸出，直到過渡過程出現(xiàn)等幅振蕩為止，如圖4-9所示。此時(shí)的過渡過程稱為臨界振蕩過程。l 按表4-4中的相應(yīng)公式，求出控制器的各整定參數(shù)。l 將控制器的比例度換成整定后的值，然后依次放上積分時(shí)間和微分時(shí)間的整定值。如果加入干擾后，過渡過程與衰減還有一定差距，可適當(dāng)調(diào)整值，直到過渡過程滿足要求。iT0dTl臨界比例度法應(yīng)用時(shí)簡單方便，但必須注意的是：l 此方法在整定過程中必定出現(xiàn)等幅振蕩，從

26、而限制了此法的使用場合。對(duì)于工藝上不允許出現(xiàn)等幅振蕩的系統(tǒng)，如鍋爐水位控制系統(tǒng)就無法使用該方法；對(duì)于某些時(shí)間常數(shù)較大的單容量對(duì)象，如液位對(duì)象或壓力對(duì)象，在純比例作用下是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的，因此不能獲得臨界振蕩的數(shù)據(jù)，從而也無法使用該方法。l 使用該方法時(shí)，控制系統(tǒng)必需工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時(shí)的數(shù)據(jù)來計(jì)算整定參數(shù)。 衰減曲線法衰減曲線法l在閉環(huán)系統(tǒng)中，先將積分時(shí)間置于最大值，微分時(shí)間置于最小值，比例時(shí)間置于較大值，然后讓設(shè)定值的變化作為干擾輸入，逐漸減小比例度值，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。按照過渡過程的衰減情況改變比例度值，直到系統(tǒng)出現(xiàn)的衰減振蕩，如圖4-10

27、所示。記下此時(shí)的比例度和衰減振蕩周期，然后根據(jù)表4-5中相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，求出控制器的整定參數(shù)。l 衰減曲線法對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)均可適用，且由于試驗(yàn)過渡過程振蕩的時(shí)間較短，又都是衰減振蕩，易為工藝人員所接受。故這種整定方法應(yīng)用較為廣泛。表表4-5 衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表（衰減比）衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表（衰減比） 應(yīng)采用的控制規(guī)律（%）TI（min）TD（min）Ps PI1.2s0.5 Ts PID0.8s0.3 Ts0.1 Ts 反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線法l根據(jù)廣義對(duì)象的時(shí)間特性，通過經(jīng)驗(yàn)公式求取。這是一種開環(huán)的整定方法。 4.4 控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)的投運(yùn)l4.4.1.投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作l熟悉工

28、藝生產(chǎn)過程 l熟悉控制系統(tǒng)的控制方案 l熟悉各種控制裝置 l綜合檢查 l現(xiàn)場校驗(yàn) 4.4.2 投運(yùn)過程投運(yùn)過程l 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或估算，設(shè)置控制器參數(shù)；l 確認(rèn)控制閥的氣開、氣關(guān)作用后確認(rèn)控制器的正、反作用；l 現(xiàn)場的人工操作；l手動(dòng)遙控；l 投入自動(dòng) 。4.5 簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 l以噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為案例介紹。l工藝要求將濃縮的乳液用熱空氣干燥成奶粉。乳液從高位槽流下，經(jīng)過濾器進(jìn)入干燥器從噴嘴噴出?？諝庥晒娘L(fēng)機(jī)送到熱交換器，通過蒸汽加熱。熱空氣與鼓風(fēng)機(jī)直接送來的空氣混合以后，經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，乳液中的水分被蒸發(fā)，成為奶粉，并隨濕空氣一起送出。干燥后的奶粉含水量不

29、能波動(dòng)太大，否則將影響奶粉質(zhì)量。 l 確定被控變量l 從工藝概況可知需要控制奶粉含水量。由于測水分的儀表精度不太高，因此不能直接選奶粉含水量作為被控變量。實(shí)際上，奶粉含水量與干燥溫度密切相關(guān)，只要控制住干燥溫度就能控制住奶粉含水量。所以選干燥溫度作為被控變量。 l 確定操縱變量l影響干燥器溫度的因素有乳液流量、旁路空氣流量和加熱蒸汽量。粗略一看，選其中任一變量作為操縱變量，都能構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。l方案一：如果乳液流量作為操縱變量，則滯后最小，對(duì)干燥溫度控制作用明顯。但是乳液流量是生產(chǎn)負(fù)荷，如果選它作為操縱變量，就不可能保證其在最大值上工作，限制了該裝置的生產(chǎn)能力。這種方案是為保證質(zhì)量而犧牲產(chǎn)量

30、，工藝上是不合理的。因此不能選乳液流量作為操縱變量，該方案不能成立。l方案二：如果選擇蒸汽流量作為操縱變量，由于換熱過程本身是一個(gè)多容過程，因此從改變蒸汽量，到改變熱空氣溫度，再來控制干燥溫度，這一過程時(shí)滯太大，控制效果差。l方案三：如果選擇旁路空氣流量作為操縱變量，旁路空氣量與熱風(fēng)量的混合后經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，其控制通道的時(shí)滯雖比方案一大，但比方案二小。l綜合比較之后，確定將旁路控制流量作為操縱變量較為理想。 l根據(jù)生產(chǎn)工藝和用戶要求，選用電動(dòng)單元組合儀表。l 由于被控溫度在600以下，選用熱電阻作為測溫元件，配用溫度變送器。l 根據(jù)過程特性和控制要求，選用對(duì)數(shù)流量特性的控制閥。根據(jù)生產(chǎn)工藝安全原則和被控介質(zhì)特點(diǎn)，控制閥應(yīng)為氣關(guān)型。l 為減小滯后，控制器選用PID控制?？刂破髡醋饔眠x擇時(shí)，可假設(shè)干燥溫度偏高（即乳液中水分減少），則要求減少空氣流量，由于控制閥是氣關(guān)型，因此要求控制器輸出增加。這樣控制器應(yīng)選擇正作用。