第3篇過程控制系統(tǒng)第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)第7章復(fù)雜控制系統(tǒng)第8章先進(jìn)控制系統(tǒng)自動(dòng)化儀表“化工儀表自動(dòng)化”PID如何選擇？氣開、氣關(guān)如何選擇？第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)須解決的幾個(gè)問題：操縱變量如何選擇？如何選擇？如何構(gòu)成負(fù)反饋？測(cè)量?jī)x表如何選擇？

第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)什么是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)？

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，又稱為單回路反饋控制系統(tǒng)，是指由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)被控對(duì)象組成的單回路閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。例：小結(jié)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是按負(fù)反饋的原理，根據(jù)偏差進(jìn)行工作的。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)組成自動(dòng)化裝置各環(huán)節(jié)的設(shè)備數(shù)量均為一個(gè)，它們與被控對(duì)象有機(jī)地構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)特點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、所需自動(dòng)化工具少、投資成本低、便于操作和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多也是最為成熟的過程控制系統(tǒng)。PID如何選擇？氣開、氣關(guān)如何選擇？操縱變量如何選擇？如何選擇？如何構(gòu)成負(fù)反饋？問題一：被控變量的選擇問題測(cè)量?jī)x表如何選擇？被控變量的選擇可以遵循下面幾個(gè)原則：1、能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)量和質(zhì)量的工藝參數(shù)作為被控變量。

例：苯、甲苯二元精餾系統(tǒng)示意圖無(wú)濃度傳感器苯甲苯被控變量的選擇可以遵循下面幾個(gè)原則：

2、當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時(shí)，選擇與直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控變量。在二元精餾系統(tǒng)中，塔頂物組分的濃度XD，塔頂TD和壓力P三者之間有一定關(guān)系。當(dāng)壓力恒定時(shí)，組分XD和TD之間存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)TD恒定時(shí)，組分XD和壓力P之間也存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。塔壓固定有利于生產(chǎn)，所以：選擇塔板為間接被控變量。被控變量的選擇可以遵循下面幾個(gè)原則：3、選擇間接參數(shù)作為被控變量時(shí)，應(yīng)該具有足夠大靈敏度，以便能反映直接指標(biāo)參數(shù)的變化。4、注意控制系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)問題，選擇的被控變量應(yīng)該是獨(dú)立可調(diào)的。解決辦法：解耦控制系統(tǒng)PID參數(shù)如何選擇？氣開、氣關(guān)如何選擇？操縱變量如何選擇？如何選擇？如何構(gòu)成負(fù)反饋？問題二：操縱變量的選擇問題測(cè)量?jī)x表如何選擇？選擇操縱變量的原則：

1．操縱變量必須是可控的。選擇操縱變量的原則：

2．操縱變量的選擇應(yīng)充分考慮工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。3．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。（要求調(diào)節(jié)通道：放大系數(shù)K較大，時(shí)間常數(shù)T較小，純滯后時(shí)間τ越小越好）操縱變量干擾變量PID如何選擇？氣開、氣關(guān)如何選擇？操縱變量如何選擇？如何選擇？如何構(gòu)成負(fù)反饋？問題三：測(cè)量?jī)x表如何選擇？測(cè)量?jī)x表如何選擇？一、測(cè)量變送問題對(duì)控制質(zhì)量的影響

關(guān)鍵問題：測(cè)量變送中的純滯后問題測(cè)量純滯后是指：被控變量受干擾后，測(cè)量環(huán)節(jié)不能立即檢測(cè)，而是隔一段時(shí)間后才反映出被控變量的變化。造成測(cè)量純滯后的原因有：

（1）測(cè)量元件安裝位置不當(dāng)，遠(yuǎn)離被控變量的靈敏變化區(qū)；

（2）受到工藝條件的限制，無(wú)法將測(cè)量元件安裝在理想的測(cè)量點(diǎn)；

（3）成分和物性測(cè)量?jī)x表本身存在嚴(yán)重的純滯后；

（4）測(cè)量信號(hào)的傳輸線路長(zhǎng)造成的傳遞純滯后；

（5）測(cè)量?jī)x表的不靈敏也可能引起純滯后問題。二、克服測(cè)量變送問題的措施1．選擇快速測(cè)量元件某化工廠有一反應(yīng)器，如圖6-8所示。工藝要求反應(yīng)給定值的±3℃以內(nèi)，產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。用時(shí)間常數(shù)100秒傳感器測(cè)溫，反應(yīng)±2℃之內(nèi)，產(chǎn)品總不合格，說明實(shí)際動(dòng)已超出工藝范圍。改用時(shí)間常數(shù)為5秒熱電偶測(cè)溫，反應(yīng)動(dòng)仍在±2℃之內(nèi)，但產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。2．選好檢測(cè)點(diǎn)位置

檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)選對(duì)被控變量變化感受最為靈敏且最有代表性的位置。

3．正確使用微分單元

若測(cè)量滯后大，可串接微分單元。4．正確選擇、安裝和使用測(cè)量裝置正確選擇、安裝和使用可將測(cè)量環(huán)節(jié)的誤差減小到最低限度，有利于提高控制精度和質(zhì)量。PID如何選擇？氣開、氣關(guān)如何選擇？操縱變量如何選擇？如何選擇？如何構(gòu)成負(fù)反饋？問題四：執(zhí)行器如何選擇？測(cè)量?jī)x表如何選擇？一、閥流量特性的選擇執(zhí)行器：為保證加熱爐的安全，防止加熱爐加熱管燒壞，選用氣開式。二、執(zhí)行器開、閉形式的選擇氣動(dòng)執(zhí)行器有氣開和氣關(guān)兩種工作方式。在控制系統(tǒng)中，選用氣開式還是氣關(guān)式，主要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。例：如圖所示加熱爐，為保證加熱爐的安全，防止加熱爐中加熱管燒壞。１．從鍋爐安全考慮，防止因給水中斷導(dǎo)致鍋爐燒壞，應(yīng)選擇２．若考慮鍋爐后續(xù)透平設(shè)備的安全，防止蒸汽帶液，應(yīng)選例：透平設(shè)備氣關(guān)式氣開式

執(zhí)行器：為保護(hù)儲(chǔ)罐內(nèi)物料的安全，防止儲(chǔ)罐物料全部流走，采用:練習(xí)題：氣開式執(zhí)行器選擇幾條原則:1、首先要考慮生產(chǎn)的安全。2、有利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量。3、有利于降低原料成本和節(jié)能。選擇時(shí)還需注意兩點(diǎn)：1.按照上述原則選擇開閉形式可能會(huì)得出相互矛盾的結(jié)果。在這種情況下，首先考慮生產(chǎn)的安全性。2.由于工藝要求不同，同一個(gè)執(zhí)行器可以有兩種不同的選擇結(jié)果。PID如何選擇？氣開、氣關(guān)如何選擇？操縱變量如何選擇？如何選擇？如何構(gòu)成負(fù)反饋？問題五：控制器PID如何選擇？測(cè)量?jī)x表如何選擇？一、控制規(guī)律的選擇1．比例控制規(guī)律(P)具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器。

u是輸出變化量，e是輸入變化量，Kc為比例放大系數(shù)。比例控制器適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大，控制要求不高，被控變量允定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。

2．比例積分控制規(guī)律(PI)具有比例積分控制規(guī)律的控制器稱為比例積分控制器。

式中Ti為積分時(shí)間常數(shù)。

比例積分控制規(guī)律是一種應(yīng)用最為廣泛的控制規(guī)律。適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控變量又不允差的場(chǎng)合。3．比例積分微分控制規(guī)律（PID）具有比例、積分、微分控制規(guī)律的控制器稱為PID控制器，又稱三作用控制器。

式中Td

為微分時(shí)間。

適合于調(diào)節(jié)通道時(shí)間或容量滯后較大、負(fù)荷變化大、對(duì)控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。PID如何選擇？氣開、氣關(guān)如何選擇？操縱變量如何選擇？如何選擇？如何構(gòu)成負(fù)反饋？問題六：如何構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)？測(cè)量?jī)x表如何選擇？控制器正反作用的選擇判別準(zhǔn)則：系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)規(guī)定符號(hào)的乘積為負(fù)，則該系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)。滿足判別式：（控制器±）（執(zhí)行器±）（被控對(duì)象±）（變送器±）=（－）一、各環(huán)節(jié)正負(fù)的定義：執(zhí)行器：閥門開度隨控制器輸出信號(hào)的增加而增大（氣開式）為“+”，開度隨控制器輸出信號(hào)的增加而減小（氣關(guān)式）為“－”；對(duì)象：被控變量隨操縱變量的增加而增加為“+”，隨操縱變量的增加而減小為“－”；

變送器：變送器輸出隨被控變量的增加而增加為“+”

，隨被控變量的增加而減小為“－”。通常情況下變送器環(huán)節(jié)取“+”；

二、控制器正、反作用的確定

工業(yè)控制器一般都具有正作用和反作用兩種工作方式?？刂破髟O(shè)置正、反作用的目的是為了適應(yīng)對(duì)不同被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制的需要?？刂破鳎嚎刂破鞯妮敵鲂盘?hào)隨著被控變量的增大而增加時(shí)，控制器工作于正作用方式為“+”；控制器輸出信號(hào)隨著被控變量的增大而減小時(shí)，控制器工作于反作用方式為“－”。執(zhí)行器—為保證加熱爐的安全，選用氣開式，其符號(hào)為“+”。對(duì)象—出口燃料的增加而升高，符號(hào)為

“+”。變送器—輸出信號(hào)隨升高增加，符號(hào)為“+”。為了使各環(huán)節(jié)的總乘積為負(fù)，控制器的符號(hào)必須為“－”，所以應(yīng)該選擇反作用控制器。例1：1，從加熱爐安全考慮，防止?fàn)t內(nèi)管線燒裂，選擇氣開，氣關(guān)閥？2，選擇控制器+-，構(gòu)成負(fù)反饋。

執(zhí)行器—為了防止在供氣中斷時(shí)物料全部流走，采用了氣開式，故符號(hào)為“+”。對(duì)象—當(dāng)流出量增加，液位是下降的，符號(hào)取為“－”。變送器—輸出信號(hào)隨液位的升高增加，符號(hào)為“+”?？刂破鞅仨氝x擇正作用“+”，才能構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

例2：1，從儲(chǔ)罐安全考慮，為了防止在供氣中斷時(shí)物料全部流走，選擇氣開，氣關(guān)閥？2，選擇控制器+-，構(gòu)成負(fù)反饋。執(zhí)行器—從鍋爐安全考慮，防止因斷水導(dǎo)致鍋爐燒干，應(yīng)選擇氣關(guān)式，“-”。對(duì)象—當(dāng)流入量增加，液位是增加的，符號(hào)取為“+”。變送器—輸出信號(hào)隨液位的升高增加，符號(hào)為“+”?？刂破鳌仨氝x擇正作用“+”，才能構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

練習(xí)題1：1，從鍋爐安全考慮，防止因斷水導(dǎo)致鍋爐燒干，選擇氣開，氣關(guān)閥？2，選擇控制器+-，構(gòu)成負(fù)反饋。閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)分析：例1：畫如圖控制系統(tǒng)的方塊圖？并分析：當(dāng)被加熱的物料量突然增加，控制系統(tǒng)如何克服擾動(dòng)。執(zhí)行器—為保證加熱爐的安全，選用氣開式，其符號(hào)為“+”。對(duì)象—出口燃料的增加而升高，符號(hào)為

“+”。變送器—輸出信號(hào)隨升高增加，符號(hào)為“+”。為了使各環(huán)節(jié)的總乘積為負(fù)，控制器的符號(hào)必須為“－”，所以應(yīng)該選擇反作用控制器。閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)分析：例1：畫如圖控制系統(tǒng)的方塊圖？并分析：當(dāng)被加熱的物料量突然增加，控制系統(tǒng)如何克服擾動(dòng)。分析：物料量突然↑物料↓送器＋輸出信號(hào)↓偏差信號(hào)↓控制器－輸出信號(hào)↑氣開閥＋開度↑燃料氣↑對(duì)象＋：物料↑閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)分析：例1：畫如圖控制系統(tǒng)的方塊圖？并分析：當(dāng)被加熱的物料量突然增加，控制系統(tǒng)如何克服擾動(dòng)。+++-在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝或檢修之后，下步工作是如何將控制系統(tǒng)投運(yùn)。為了保證控制系統(tǒng)能順利地一次投運(yùn)成功，通常涉及到以下幾個(gè)步驟：

1．作好準(zhǔn)備工作；2．線路和管路的核查；3．各種自動(dòng)化儀表的檢查；4．測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行器的投運(yùn)；5．手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的切換?？刂破饔墒謩?dòng)切換到自動(dòng)后，控制系統(tǒng)便進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。為使控制系統(tǒng)獲得最佳效果，需對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定。過程控制系統(tǒng)的投運(yùn)PID控制器參數(shù)整定可分為兩大類：理論計(jì)算整定法基于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型計(jì)算控制器參數(shù)，理論復(fù)雜，計(jì)算繁冗，所得結(jié)果的可靠性依賴于模型精度。2.工程整定法直接在控制回路的實(shí)際運(yùn)行中對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，具有簡(jiǎn)捷、實(shí)用和握的特點(diǎn)。工程整定方法在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。工程整定法1：臨界比例度法

（l）將積分時(shí)間Ti置到最大值（Ti→∞），微分時(shí)間TD置為零（TD=0），比例度δ置于適當(dāng)大的值，使系統(tǒng)在純比例作用下投入運(yùn)行。(2)系統(tǒng)穩(wěn)定后，將比例度δ逐漸減小，直到出現(xiàn)圖6-14所示的等幅振蕩，即臨界振蕩過程。記錄此時(shí)的臨界比例度δk和臨界振蕩TK（即兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔）。(3)根據(jù)得到的δk和TK值，采用表6-2中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的整定參數(shù)δ、Ti和TD。(4)按照先比例（P）、后積分（I）、再微分（D）的操作順序?qū)⒖刂破鞯膮?shù)逐一調(diào)整到整定值上。然后觀察其運(yùn)行曲線，若還不夠滿意，可再作進(jìn)一步微調(diào)。

工程整定法2：衰減曲線法

（1）置積分時(shí)間Ti=∞，微分時(shí)間Td=0，比例度δ取一較大值，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行。（2）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定值作階躍變化，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比例度；反之，則加大比例度。如此反復(fù)，直到出現(xiàn)如圖所示的4∶１衰減振蕩過程。記錄此時(shí)比例度δs和振蕩Ｔs。（3）利用δs和Ｔs值，按表6-3給出的經(jīng)驗(yàn)公式，求出控制器的整定參數(shù)δ，Ti