1、化工儀表及自動化,第六章 簡單控制系統(tǒng),內(nèi)容提要,簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 被控變量的選擇 操縱變量的選擇 測量元件特性的影響 控制器控制規(guī)律的選擇 控制器參數(shù)的工程整定 臨界比例度法 衰減曲線法 經(jīng)驗湊試法,1,第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成,2,簡單控制系統(tǒng)通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。,圖6-1 液位控制系統(tǒng),圖6-2 溫度控制系統(tǒng),第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的機構(gòu)與組成,3,圖6-3簡單控制系統(tǒng)的方塊圖,從圖中可知,簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。 在該系統(tǒng)中有著一條從系

2、統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進行控制的。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,一、被控變量的選擇,4,生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。,被控變量的界定,它們對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的； 人工操作雖然可以滿足要求，但是，這種操作是既緊張而又頻繁的。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程的關(guān)系）,直接指標(biāo)控制； 間接指標(biāo)控制。,5,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,6,圖6-4精餾過程示意圖,1精餾塔；2蒸汽加熱器,圖6-5苯-甲苯溶液的

3、T-x圖,圖6-6 苯-甲苯溶液的p-x圖,舉例,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。,原因,在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟性。 在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應(yīng)關(guān)系。 所選變量有足夠的靈敏度。,7,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,8,選擇被控變量的原則,（1）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量。,（2）被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒

4、定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。,（3）盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,（4）被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。,（5）選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。,（6）被控變量應(yīng)是獨立可控的。,9,選擇被控變量的原則,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,二、操縱變量的選擇,10,1.操縱變量,在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。,最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,11,舉例,圖6-

5、7精餾塔流程圖,如果根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板（一般為靈敏板）的溫度作為被控變量。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,圖7-8影響提餾段溫度的各種因素示意圖,影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有： 進料的流量（Q入）、成分（x入）、溫度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液溫度（T回）、加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。,通過工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。,12,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,13,2.對象特性對選擇操縱變量的影響,圖6-9干擾通道與控制通道的關(guān)系,干擾變量由干擾通道施加在對象上，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象上，使被控變量回

6、復(fù)到給定值，起著校正作用。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,（1）對象靜態(tài)特性的影響,一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，對象干擾通道的放大系數(shù)Kf小些。,（2）對象動態(tài)特性的影響, 控制通道時間常數(shù)的影響,控制通道的時間常數(shù)不能過大，否則會使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過渡時間長。要求對象控制通道的時間常數(shù)T小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。,14,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,15, 控制通道純滯后0的影響,控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時間。這樣造成的純滯后O對控制質(zhì)量是有影響的。圖6-10所示為純滯后對控制質(zhì)量影響的示意圖。,圖6-10 純滯后0對控制質(zhì)量的影響,在選擇操縱變

7、量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，應(yīng)使對象控制通道的純滯后時間0盡量小。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,16, 干擾通道時間常數(shù)的影響,干擾通道的時間常數(shù)Tf越大，表示干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。, 干擾通道純滯后f的影響,如果干擾通道存在純滯后f，控制作用也推遲了時間f，使整個過渡過程曲線推遲了時間f，只要控制通道不存在純滯后，通常是不會影響控制質(zhì)量的，如圖6-11所示。,圖6-11干擾通道純滯后f的影響,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,17,3.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)比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。, 在選擇操縱變量時，除了從自動化

8、角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,三、測量元件特性的影響,18,測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進行控制的依據(jù)。要求它能正確地、及時地反映被控變量的狀況。,1.測量元件的時間常數(shù),圖7-12測量元件時間常數(shù)的影響,測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數(shù)，易造成測量滯后。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,19,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,20,2.測量元件的純滯后,當(dāng)測量存在純滯后時，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。,圖7-13pH值控制系統(tǒng)示意圖,有時，測量的純滯后是由于測量元件安裝位置引起的。,延遲時間0,這一純

9、滯后使測量信號不能及時反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,21,3.信號的傳送滯后,信號的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,四、控制器控制規(guī)律的選擇,22,1.控制器控制規(guī)律的確定,圖6-14簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖,（1）比例控制器,比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。,對于單元組合儀表,適用于,控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,控制器的輸出與偏差成比例。 當(dāng)負荷變化時，比例控制器克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。 在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例

10、作用的控制規(guī)律是很少采用的。 純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時存在余差。 負荷變化越大，余差就越大。,比例控制器特點,23,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,24,（2）比例積分控制器,比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。,可調(diào)整參數(shù),比例放大系數(shù)KP（或比例度）和積分時間TI。,適用于,控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,比例積分控制器特點,由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。 積分作用會使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例

11、度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過渡過程的時間也加長。,25,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,26,（3）比例積分微分控制器,比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。,理想的三作用控制器， 存在,可調(diào)整參數(shù),比例放大系數(shù)KP（或比例度）、積分時間TI和微分時間TD。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,比例積分微分控制器特點,微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整、TI、TD參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。

12、,適用于,容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度、成分控制系統(tǒng)。,27,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,28,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,29,2.控制器正、反作用的確定,控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。,作用的方向,輸入變化后，輸出的變化方向。,正作用方向,反作用方向,當(dāng)某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向。,當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時，輸出減少的稱“反作用”方向。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,測量元件及變送器,作用方向一般是“正”的。,執(zhí)

13、行器,作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。,被控對象,作用方向隨具體對象的不同而各不相同。,控制器,當(dāng)給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當(dāng)測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測量值增加時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。,30,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,31,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,32,舉例,一個簡單的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。,對象,加熱爐,操作變量,燃料氣流量,被控變量,被加熱的原料油出口溫度,圖6-15加熱爐出口溫度控制,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,當(dāng)操縱變量燃料氣流量增加時，被控變量是增加的，故

14、對象是“正”作用方向。 如果從工藝安全條件出發(fā)選定執(zhí)行器是氣開閥（停氣時關(guān)閉），以免當(dāng)氣源突然斷氣時，控制閥大開而燒壞爐子。那么這時執(zhí)行器便是“正”作用方向 為了保證由對象、執(zhí)行器與控制器所組成的系統(tǒng)是負反饋的，控制器就應(yīng)該選為“反”作用。,33,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,34,圖6-16液位控制,一個簡單的液位控制系統(tǒng),執(zhí)行器是“正”方向。 對象是“反”方向。 控制器為“正”方向。,圖6-17控制器正、反作用開關(guān)示意圖,控制器的正、反作用可以通過改變控制器上的正、反作用開關(guān)自行選擇。 一臺正作用的控制器，只要將其測量值與給定值的輸入線互換一下，就成了反作用的控制器。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的

15、設(shè)計,五、簡單控制系統(tǒng)設(shè)計實例,簡單控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括被控變量的選擇、操縱變量的選擇、執(zhí)行器的選擇、控制器控制規(guī)律及作用方式的選擇等。 下面以噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計為例，介紹簡單控制系統(tǒng)設(shè)計。,35,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,干燥塔,圖6-18 乳化物干燥過程工藝流程示意圖,36,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,(1)被控變量選擇 產(chǎn)品水分含量精確測量困難(精度不高)，由生產(chǎn)工藝可知，產(chǎn)品質(zhì)量(水分含量)與干燥溫度密切相關(guān)，因而選干燥塔的溫度為被控變量(間接參數(shù))。 (2)操縱變量選擇 經(jīng)分析影響干燥塔溫度的主要因素有乳液流量f1(t)、旁路空氣流量f2(t)、加熱蒸汽流量f3(t)，所以

16、有三個變量可作為操縱變量。圖6-19，分別以三個變量作為控制變量構(gòu)成三種不同的控制方案。,37,1被控變量與操縱變量選擇,(a) 乳化物流量作為控制變量的控制系統(tǒng)方框圖,(b) 風(fēng)量作為控制變量的控制系統(tǒng)方框圖,(c) 蒸汽量作為控制變量的控制系統(tǒng)方框圖,圖 6-19 干燥塔溫度控制方案比較示意圖,38,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,比較三種控制方案，圖6-19 (a)采用乳液流量作控制變量，乳液直接進入干燥塔，控制通道滯后最小，對干燥溫度的校正作用最迅速，而且擾動通道延時較大，從控制品質(zhì)方面考慮，應(yīng)當(dāng)選此方案。但乳液流量是生產(chǎn)負荷(亦是產(chǎn)量)，若作為控制變量，則它不可能始終在最大的(而且是穩(wěn)定

17、的)負荷點工作，從而限制了裝置的生產(chǎn)能力。此外如果在乳液管線上安裝了控制閥，容易使?jié)饪s乳液結(jié)塊，降低產(chǎn)品質(zhì)量。因而選乳液流量為控制變量工藝上不合理。綜合考慮，一般不采用此控制方案。,39,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,比較分析圖6-19 (b)與(c)，在這兩種控制方案中，乳液流量f1(t)作為擾動量，其對控制系統(tǒng)的影響(擾動通道)是相同的，差別在于控制通道與另一擾動通道不同。由于換熱器時間常數(shù)較大，因而采用風(fēng)量為控制變量時，圖6-19 (b)控制系統(tǒng)的控制通道時間常數(shù)較小，擾動通道時間常數(shù)較大；圖6-19 (c)采用蒸汽量為控制變量，控制通道時間常數(shù)較大，擾動通道時間常數(shù)反而較小。因此選擇旁路

18、空氣量為操縱變量的方案為最佳。,40,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,根據(jù)生產(chǎn)工藝和用戶要求，選用電動單元組合儀表(DDZ)。 (1)測溫元件及變送器 被控溫度在500以下，選用熱電阻溫度計。為提高檢測精度，應(yīng)用三線制接法，并配用溫度變送器。 (2)控制閥 根據(jù)生產(chǎn)工藝安全原則及被控介質(zhì)特點，控制閥選氣閉形式。根據(jù)過程特性與控制要求選用對數(shù)流量特性的控制閥。 (3)控制器 根據(jù)過程特性與工藝要求，可選用PI或PID控制規(guī)律。根據(jù)構(gòu)成負反饋系統(tǒng)原則，確定控制器為反作用形式。,41,2過程檢測、控制設(shè)備的選用,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,一、臨界比例度法,42,控制器參數(shù)的整定,按照已定的控制方案，

19、求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。即確定最合適的控制器比例度、積分時間TI和微分時間TD。,方法,理論計算的方法和工程整定法。,幾種常用的工程整定法,先通過試驗得到臨界比例度k和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,43,圖6-20 臨界振蕩過程,表 6-1臨界比例度法參數(shù)計算公式表,特點,比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。 對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。 對于工藝上不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)本方法亦不適用。,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,二、衰減曲線法,44,通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值。,圖6-2141和

20、101衰減振蕩過程,表6-241衰減曲線法控制器參數(shù)計算表,表6-3101衰減曲線法控制器參數(shù)計算表,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，并將比例度預(yù)置在較大的數(shù)值上。在達到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)41或10 1衰減比為止。通過比例度s 和衰減周期TS,得到控制器的參數(shù)整定值。,45,衰減曲線法,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,46,（1）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般為額定值的5左右，也有例外的情況。 （2）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的S 、TS或S和T升值。 （3）對于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到41衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)定，就可以近似地認為達到41衰減過程了。,注意！,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,三、經(jīng)驗湊試法,根據(jù)經(jīng)驗先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，直接在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，運用、TI、TD對過渡過程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對比例度、積分時間TI和微分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。,47,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,48,表6-4 控制器參