第12章簡單控制系統(tǒng)第12章簡單控制系統(tǒng)本章主要回答如下三個問題：（1）控制什么？（2）拿什么來控制？（3）通過什么方式控制？第十二章簡單控制系統(tǒng)2本章主要回答如下三個問題：第十二章簡單控制系統(tǒng)2第一個問題：控制什么？答：控制工藝要求的指標。具體分為兩種情況：（1）工藝要求的指標可以直接在線測量直接控制這個指標就可以了（直接指標控制）。（2）工藝要求的指標不可以直接在線測量尋找一個于工藝指標有明顯的對于關系，且可以測量的另一個間接指標，通過控制間接指標來達到控制工藝指標的目的（間接指標控制）。例如：精餾塔的組分是不能直接在線測量的，通過分析可以發(fā)現，當壓力恒定的時候，組分與溫度存在單值對應關系；或者溫度恒定的時候，組分與壓力存在單值對應關系，根據實際分析，最終確定：固定壓力，通過控制溫度來間接控制組分是合理的。3第一個問題：控制什么？答：控制工藝要求的指標。具體分為兩種情第二個問題：拿什么控制？答：拿一個對被控變量影響較顯著的變量來控制。K大一些，T小一些，τ最好為0。測量儀表的選用和安裝執(zhí)行器的選用和安裝4第二個問題：拿什么控制？答：拿一個對被控變量影響較顯著的變量第三個問題：以什么方式控制？答：沒有標準答案（選擇合適的調節(jié)規(guī)律）最常用的調節(jié)規(guī)律：位式控制、P、PI、PD、PID（需要充分理解各種調節(jié)規(guī)律的特點和適用場合）后續(xù)問題：如何整定PID參數？答：臨界比例度法＋經驗衰減曲線法＋經驗經驗湊試法最好的方法就是“經驗”5第三個問題：以什么方式控制？答：沒有標準答案（選擇合適的調節(jié)12.1簡單控制系統(tǒng)的組成四個基本環(huán)節(jié)：

測量變送環(huán)節(jié)控制器執(zhí)行器被控對象被控變量控制器執(zhí)行器被控對象測量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設定值＋－612.1簡單控制系統(tǒng)的組成四個基本環(huán)節(jié)：測量變送環(huán)節(jié)被控控制器(LC或TC)執(zhí)行器（控制閥）被控對象（液位儲槽或換熱器）測量、變送環(huán)節(jié)（LT或TT）被控變量（液位或溫度）干擾偏差設定值＋－廣義對象簡單控制系統(tǒng)方塊圖載熱體冷流體換熱器溫度控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)常見的兩種簡單控制系統(tǒng)：12.1簡單控制系統(tǒng)的組成7控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送環(huán)節(jié)被控變量干擾偏差設定值＋－

1、基本要求：

（1）控制系統(tǒng)設計人員要掌握較為全面的自動化專業(yè)知識，同時盡可能多地熟悉所要控制的工藝裝置對象；（2）要求自動化專業(yè)技術人員與工藝專業(yè)技術人員進行必要的交流，共同討論確定自動化方案；（3）工藝人員要注意傾聽自動化專業(yè)技術人員的建議，特別是一些復雜對象和大系統(tǒng)的綜合自動化；（4）設計一定要遵守有關的標準﹑行規(guī)，按科學合理的程序進行。12.2簡單控制系統(tǒng)的設計12.2.1控制系統(tǒng)設計概述81、基本要求：12.2簡單控制系統(tǒng)的設計12.2.（1）確定控制方案2、基本內容

（2）儀表及裝置的選型（3）相關工程內容的設計12.2簡單控制系統(tǒng)的設計12.2.1控制系統(tǒng)設計概述9（1）確定控制方案2、基本內容（2）儀表及裝置的選型（3）

3、基本步驟

（1）初步設計

（2）施工圖設計

（3）設計文件和責任簽字

（4）參與施工和試車

（5）設計回訪12.2.1控制系統(tǒng)設計概述103、基本步驟12.2.1控制系統(tǒng)設計概述1012.2.2被控變量的選擇明確控制目的使生產過程自動按照預定的目標進行，并使工藝參數保持在預先規(guī)定的數值上（或按預定規(guī)律變化）分析生產工藝“關鍵”變量：對產品的產量、質量以及生產過程的安全具有決定作用的變量確定被控變量兩種控制類型：直接指標控制和間接指標控制。1、選擇被控變量選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數整定概述簡單控制系統(tǒng)的設計1112.2.2被控變量的選擇明確使生產過程自動按照預定的目標精餾過程示意圖冷卻水TDp進料

Q入，X入，T入回流F塔底產品塔頂產品QZ蒸汽TH苯－二甲苯的T-x圖TD

/℃XD%苯－二甲苯的P-x圖P/MPaXD%

塔頂易揮發(fā)組分純度XD、塔頂溫度TD、塔頂壓力P三者之間的關系為：XD=f(TD，P)，兩個獨立變量。例：精餾塔系統(tǒng)的被控變量選擇12.2.2被控變量的選擇12精餾過程示意圖冷卻水TDp進料Q入，X入，T入回流F塔底產

（1）有代表性

被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態(tài)，一般都是比較重要的變量。

（2）應該獨立可控

簡單控制系統(tǒng)的被控變量應避免和其他控制系統(tǒng)的被控變量有關聯(lián)（耦合)關系。

（3）滯后要小

采用直接指標作為被控變量最直接也最有效。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送環(huán)節(jié)滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。

（4）靈敏度要高

被控變量應能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。

（5）成本要低

選擇被控變量時，必須考慮工藝的合理性和國內儀表產品現狀。

2、被控變量選擇的一般原則12.2.2被控變量的選擇13（1）有代表性被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反1、操縱變量與干擾變量

12.2.3操縱變量的選擇Q入T入X入QZFTH被控變量TD影響塔頂溫度的各種輸入示意圖被控對象原則上，在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入作為控制變量后，其它所有未被選中的輸入則成了為系統(tǒng)的干擾變量。

選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數整定概述141、操縱變量與干擾變量12.2.3操縱變量的選擇Q入T入

精餾過程示意圖冷卻水TDp進料

Q入，X入，T入回流F塔底產品塔頂產品QZ蒸汽TH進料流量Q入不可控進料成分X入

不可控進料溫度T入

不可控回流流量F

可控回流溫度TH

不可控加熱蒸汽流量QZ

可控冷凝器冷卻溫度不可控塔壓P不可控例：精餾塔系統(tǒng)的操縱變量選擇12.2.3操縱變量的選擇15精餾過程示意圖冷卻水TDp進料Q入，X入，T入回流F塔底控制通道干擾通道干擾變量控制變量被控變量干擾作用與控制作用之間的關系

被控對象控制質量：系統(tǒng)的過渡過程形式——超調量、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期對象特性：（1）系統(tǒng)的輸入輸出關系

（2）分為對象靜態(tài)性質和對象動態(tài)性質（3）考察對象特性對控制質量的影響，用以選擇操縱變量2、對象特性對控制質量的影響12.2.3操縱變量的選擇16控制通道干擾通道干擾變量控制變量被控變量干擾作用與控制作用之放大系數絕對放大系數YXPOY/(YMAX-YMIN)X/(XMAX-XMIN)

相對放大系數控制通道的穩(wěn)態(tài)特性由控制通道放大系數K0表征。從控制有效性考慮，K0應適當的大一些；干擾通道的穩(wěn)態(tài)特性由干擾通道放大系數Kf表征。希望Kf小一些，Kf越小干擾變量對被控變量的影響就越小；操縱變量選擇的原則一：當多個輸入變量都影響被控變量時，從穩(wěn)態(tài)性質考慮，應該選擇其中放大系數大的可控變量作為操縱變量。

3、對象穩(wěn)態(tài)性質對控制質量的影響12.2.3操縱變量的選擇17放大系數絕對放大系數YPOY/(YMAX-YMIN（1）控制通道時間常數T0（2）控制通道滯后時間τ0

T0小一點好，不能過大，否則會使控制變量的校正作用遲緩，超調量增大，過渡時間增長

A:無純滯后時的校正作用B:有純滯后時的校正作用C:不受控下的輸出曲線D:無純滯后時的輸出曲線E:有純滯后時的輸出曲線3、對象穩(wěn)態(tài)性質對控制質量的影響12.2.3操縱變量的選擇18（1）控制通道時間常數T0（2）控制通道滯后時間τ0T干擾通道純滯后τf的影響無純滯后有純滯后3、對象穩(wěn)態(tài)性質對控制質量的影響（3）干擾通道時間常數Tf

Tf越大越好，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于改善控制質量。（4）干擾通道滯后時間τf

干擾通道的純滯后τf一般不會影響控制質量。12.2.3操縱變量的選擇19干擾通道純滯后τf的影響無純滯后有純滯后3、對象穩(wěn)態(tài)性質對控4、操縱變量的選擇原則

（1）操縱變量應是可控的，即工藝上允許調節(jié)的變量。

（2）操縱變量一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。為此，應合理選擇操縱變量，使控制通道的放大倍數適當大、時間常數適當小、純滯后時間盡量小。同時為使其他干擾對被控變量的影響盡可能小，應使干擾通道的放大系數盡可能小、時間常數盡可能大。

（3）在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。一般說來不宜選擇生產負荷作為控制變量，因為生產負荷直接關系到產品的產量是不宜經常波動的。12.2.3操縱變量的選擇204、操縱變量的選擇原則（1）操縱變量應是可控的，即工藝乳化物干燥系統(tǒng)示意圖乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)

工藝要求在保證產品含水率合格的前提下，保證最大產量。

被控變量產品含水率－>干燥溫度T1

影響被控變量的主要輸入變量乳化物流量Fw

旁路空氣流量FQ

加熱蒸汽流量Fp

舉例：乳液干燥器控制系統(tǒng)設計12.2.3操縱變量的選擇21乳化物干燥系統(tǒng)示意圖乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產方案I：取乳液流量為操縱變量（控制閥Ⅰ）f2f3XY混合過程風管風管換熱器控制器控制閥Ⅰ干燥器測量變送圖2乳液流量為操縱變量的方框圖12.2.3操縱變量的選擇22方案I：取乳液流量為操縱變量（控制閥Ⅰ）f2f3XY混合過程方案II：取旁路空氣量為操縱變量（控制閥Ⅱ）XY控制器控制閥Ⅱ混合過程風管風管干燥器測量變送換熱器f1f3圖3風量為操縱變量時的系統(tǒng)方框圖12.2.3操縱變量的選擇23方案II：取旁路空氣量為操縱變量（控制閥Ⅱ）XY控制器控制閥方案III：取蒸汽流量為操縱變量（控制閥Ⅲ）XYf1f2控制器控制閥Ⅲ換熱器風管風管干燥器混合過程測量變送圖4蒸汽流量為操縱變量的系統(tǒng)方框圖12.2.3操縱變量的選擇24方案III：取蒸汽流量為操縱變量（控制閥Ⅲ）XYf1f2控制三種控制方案評估：

12.2.3操縱變量的選擇

方案Ⅰ：控制性能最優(yōu)；但乳液流量是生產負荷，一般要求保證產量，不宜經常波動，所以，不宜選作操縱變量。

方案Ⅱ：旁路空氣量與熱風量混合，經風管進入干燥器，與圖2相比，控制通道滯后較大，對干燥溫度校正作用靈敏度次之。

方案Ⅲ：蒸汽流量要經過換熱器的熱量交換去改變空氣溫度，滯后最大，對干燥溫度校正作用靈敏度最差。綜合考慮應選擇方案II，以旁路空氣量為操縱變量。25三種控制方案評估：12.2.3操縱變量的選擇方案Ⅰ選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運參數整定概述12.2.4控制器控制規(guī)律的選擇1、常用的幾種控制規(guī)律

（1）位式控制適用于對控制質量要求不高，被控對象是單容量的、且容量較大、滯后較小、負荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動范圍較寬的場合。

（2）比例控制

優(yōu)點：比例控制克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。

缺點：在過渡過程終了時存在余差適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝允許被控變量存在余差的場合。26選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系

（4）比例微分控制

優(yōu)點：利用微分超前的作用，在被控對象具有較大滯后的場合下，將會有效地改善控制質量。

缺點：有可能會使系統(tǒng)產生振蕩，嚴重時使系統(tǒng)失控而發(fā)生事故。

（3）比例積分控制

優(yōu)點：系統(tǒng)在過渡過程結束時無余差

缺點：系統(tǒng)的超調量、振蕩周期都會相應增大，過渡時間也會相應增加。適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝不允許被控變量存在余差的場合。12.2.4控制器控制規(guī)律的選擇1、常用的幾種控制規(guī)律27（4）比例微分控制（3）比例積分控制12.2.4控

（5）比例積分微分控制比例積分微分控制綜合了比例、積分、微分控制規(guī)律的優(yōu)點。適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制要求高的場合。

12.2.4控制器控制規(guī)律的選擇1、常用的幾種控制規(guī)律28（5）比例積分微分控制12.2.4控制器控制規(guī)律的選擇2、控制器正、反作用的選擇

保證整個控制系統(tǒng)形成負反饋。在控制系統(tǒng)中，控制器、被控對象、測量元件及執(zhí)行器都有各自的作用方向，一般被控對象、測量元件及執(zhí)行器的作用方向是固定的，因此為了使系統(tǒng)構成負反饋，應對控制器的正反作用進行調整。

所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當輸入增加時，輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當環(huán)節(jié)的輸入增加時，輸出減小，則稱該環(huán)節(jié)為“反作用”方向。（1）何謂“正”、“反”作用？（2）控制器正、反作用選擇的基本原則12.2.4控制器控制規(guī)律的選擇292、控制器正、反作用的選擇保證整個控制系統(tǒng)形成負反饋被控對象正作用：操縱變量q增加，被控變量y增加反作用：操縱變量q增加，被控變量y減少測量變送正作用：被控變量y增加，測量值z增加反作用：被控變量y增加，測量值z減少控制器正作用：偏差e增加，輸出p增加反作用：偏差e增加，輸出p減少執(zhí)行器正作用：控制器輸出信號p增加，操縱變量q增加反作用：控制器輸出信號p增加，操縱變量q減少2、控制器正、反作用的選擇12.2.4控制器控制規(guī)律的選擇30被控對象正作用：操縱變量q增加，被控變量y增加反作用：操縱（3）控制器正、反作用選擇的步驟①判斷被控對象的正反作用方向，由工藝機理確定；②判斷執(zhí)行器的正反作用方向，由工藝安全條件選定；③確定廣義對象的正反作用方向，一般測量變送環(huán)節(jié)為正作用方向，根據被控對象和執(zhí)行器的作用方向，確定廣義對象的正反作用方向；④確定控制器的正反作用方向，廣義對象正作用方向，則控制器應選擇為反作用，反之亦然。被控變量控制器執(zhí)行器被控對象測量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設定值＋－廣義對象31（3）控制器正、反作用選擇的步驟①判斷被控對象的正反作用方向燃料氣TC加熱爐出口溫度控制控制器正、反作用選擇的實例液位控制2、控制器正、反作用的選擇12.2.4控制器控制規(guī)律的選擇32燃料氣TC加熱爐出口溫度控制控制器正、反作用選擇的實例液位控鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)蒸汽汽包給水省煤器被控變量：汽包液位被控對象：鍋爐汽包主要擾動：進水流量

蒸汽量的變化

給水壓的變化操縱變量：進水流量12.2簡單控制系統(tǒng)的設計舉例：33鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)蒸汽汽包給水省煤器被控變量：汽包液位12鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的方塊圖給水閥鍋爐汽包12.2簡單控制系統(tǒng)的設計舉例：34鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的方塊圖給水閥鍋爐汽包12.2簡單控蒸汽汽包省煤器給水控制器正、反作用控制器應選正作用控制器過程分析根據安全原則，供氣中斷時給水閥應全開，所以應選氣關閥。12.2簡單控制系統(tǒng)的設計舉例：35蒸汽汽包省煤器給水控制器正、反作用控制器應選正作用控制器過程12.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定1、控制系統(tǒng)的投運

（1）熟悉被控對象和整個控制系統(tǒng)，檢查所有儀表及連接管線、氣管線、電源、氣源等，以保證接線的正確性，及故障時能及時確定故障原因；

（2）根據經驗或估算比例度δ、積分時間TI和微分時間TD的數值，或將控制器放在純比例作用，δ放在較大位置；

（3）確認控制閥的氣開、氣關和控制器的正、反作用；

（4）手動操作執(zhí)行器，待工況穩(wěn)定后，將控制器由手動狀態(tài)切換到自動狀態(tài)，控制系統(tǒng)由開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制。初步投運過程基本結束。但控制系統(tǒng)的過渡過程不一定滿足要求，需要進一步整定δ、TI和TD三個參數。3612.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定1、控制系統(tǒng)的投運（1２、控制器參數的工程整定參數整定就是按照已定的控制方案，求取使控制質量最好的控制器參數值。即確定最合適的控制器比例度δ、積分時間TI和微分時間TD，使控制質量能滿足工藝生產的要求。對于簡單控制系統(tǒng)來說，一般希望過渡過程呈4:1至10:1的衰減振蕩過程。yt4:1yt10:1參數整定方法：理論計算、工程整定（又叫經驗整定方法，分為臨界比例度法、衰減曲線法、經驗湊試法）。12.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定37２、控制器參數的工程整定參數整定就是按照已定的控制方案（1）臨界比例度法

方法：先將控制器放在純比例作用，在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)產生等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度δK，周期稱為臨界振蕩周期Tk。然后按表7-1中的經驗公式計算出控制器的各參數整定數值。Tkttfy臨界振蕩過程注意：當不存在臨界比例度、臨界比例度過小、不允許等幅振蕩時，該方法不適用。２、控制器參數的工程整定12.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定38（1）臨界比例度法方法：先將控制器放在純比例作用，在干擾（1）臨界比例度法表7-1臨界比例度法參數計算公式控制作用比例度%積分時間(min)微分時間(min)P2δK

PI2.2δK

0.85Tk

PD1.8δK

0.85Tk

PID1.7δK

0.5Tk0.125Tk

２、控制器參數的工程整定12.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定

臨界比例度法的使用條件：①該法廣泛應用于放大倍數較小，即控制器輸出范圍較小的系統(tǒng)；②使用該法必須是工藝系統(tǒng)允許短時間震蕩的情形。39（1）臨界比例度法表7-1臨界比例度法參數計算公式控制作用（2）衰減曲線法２、控制器參數的工程整定12.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定

具體方法：①在純比例控制（TI=0，TD=）條件下通過試驗選擇適宜的比例度s使系統(tǒng)呈現4:1或10:1的衰減比；②再根據所得的比例度和衰減周期通過經驗公式計算實際參數值、TI

、TD

。

使用條件：①干擾作用不太頻繁；②干擾作用的規(guī)律性較強。40（2）衰減曲線法２、控制器參數的工程整定12.3控制系統(tǒng)控制作用比例度%積分時間(min)微分時間(min)PδS

PI1.2δS

0.5TsPID0.8δS

0.3Ts0.1Ts4:1衰減法參數計算公式表

fytTst4:1（2）衰減曲線法２、控制器參數的工程整定12.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定41控制作用比例度%積分時間(min)微分時間(min)PδS控制作用比例度%積分時間(min)微分時間(min)PδS

PI1.2δS

2T升

PID0.8δS

1.2T升

0.4T升

10:1衰減法參數計算公式表

ytT升ft10:1（2）衰減曲線法２、控制器參數的工程整定12.3控制系統(tǒng)的投運與參數整定42控制作