1、第7章 簡單控制系統(tǒng),簡單控制系統(tǒng)的結構與組成 控制的目的、被控變量的選擇 對象特性、控制變量的選擇 測量滯后、測量信號處理 負荷變化、調(diào)節(jié)閥選擇 控制規(guī)律的選擇 控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定,這一章主要回答三個問題 1.控制什么？ 2.拿什么來控制？ 3.通過什么方式控制？,第一節(jié) 概述,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,液位控制系統(tǒng),常見的兩種簡單控制系統(tǒng)：,第二節(jié) 被控變量的選擇,明確 控制目的,使生產(chǎn)過程自動按照預定的目標進行，并使工藝參數(shù)保持在預先規(guī)定的數(shù)值上（或按預定規(guī)律變化）,分析 生產(chǎn)工藝,“關鍵”變量：對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質量以及生產(chǎn)過程的安全具有決定作用的變量,

2、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 當質量指標信號缺少檢測手段、信號微弱、滯后很大時，可選取與直接質量指標有單值對應關系而反應又快的變量做為間接控制指標。,選擇被控變量,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。,精餾塔系統(tǒng)的被控變量選擇,要有代表性。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)，一般都是工藝過程中比較重要的變量。 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。 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

3、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。 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。 成本要低。選擇被控變量時，必須考慮工藝的合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。,被控變量選擇的一般原則,操縱變量與干擾變量,第三節(jié) 操縱變量的選擇,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。,精餾塔系統(tǒng)的操縱變量選擇,O,P,控制質量 系統(tǒng)的過渡過程形式超調(diào)量、衰減比、 余差、過渡時間、振蕩周期 對象特性 系統(tǒng)的輸入輸出關系 分為對象靜態(tài)性質和對象動態(tài)性質 考察對象特性

4、對控制質量的影響，用以選擇操 縱變量,對象特性對控制質量的影響,P,O,控制通道的穩(wěn)態(tài)特性由控制通道放大系數(shù)K0表征 從控制有效性考慮，K0應適當?shù)拇笠恍?干擾通道的穩(wěn)態(tài)特性由干擾通道放大系數(shù)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(shù)大的可控變量作為操縱變量。,對象穩(wěn)態(tài)性質對控制質量的影響,對象動態(tài)性質對控制質量的影響,控制通道時間常數(shù) T0,控制通道滯后時間0,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(diào)量增大，過渡時間增長,在選擇操縱變量構成控制回路時，應盡量避

5、免控制通道純滯后0的存在，無法避免時應使之盡可能小。,干擾通道時間常數(shù) 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,干擾通道滯后時間f,干擾通道的純滯后f不會影響控制質量,操縱變量的選擇原則,操縱變量應是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。 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，應通過合理選擇操縱變量，使控制通道的放大倍數(shù)適當大、時間常數(shù)適當小(但不宜過小，否則易引起振蕩)、純滯后時間盡量小。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(shù)盡可能小、時間常數(shù)盡可能大。 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(chǎn)的經(jīng)濟

6、性。一般說來不宜選擇生產(chǎn)負荷作為控制變量，因為生產(chǎn)負荷直接關系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，是不宜經(jīng)常波動的。,根據(jù)穩(wěn)態(tài)性質選擇操縱變量,被控變量：物料出口溫度,待選的操縱變量：,熱物料溫度 熱物料的流量 液氨的流量 氣氨的回氣壓力,P,O,O,P,熱物料流量F對冷物料出口溫度T的放大系數(shù)為：,氣氨回氣壓力P對冷卻器物料出口溫度T的放大系數(shù)為：,P,O,第四節(jié) 控制器控制規(guī)律的選擇,常用的幾種控制規(guī)律,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。,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：

7、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。,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，將會有效地改善擔制質量。 缺點：有可能會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴重時使系統(tǒng)失控而發(fā)生事故。,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。,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(diào)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。,控制器正、反作用的選擇,保證整個

8、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(diào)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)的輸人增加時，輸出減小，則稱該環(huán)節(jié)為“反作用”方向。,何謂“正”、“反”作用？,控制器正 反作用選擇的基本原則,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，其選擇原則是：控制信號中斷時，應保證設備和操作

9、人員的安全； 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(jù)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。,控制器正 反作用選擇的實例,液位控制,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定,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(jù)經(jīng)驗或估算比例度 、積分時間TI和微分時間TD的數(shù)值，或將控制器放在純比例作用，比例度放在較大位置； （3）確認控制閥的氣開、氣關作用；確認控制器的

10、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，需要進一步整定比例度 、積分時間TI和微分時間TD三個參數(shù)。,控制器參數(shù)的工程整定,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(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，使控制質量能滿足工藝生產(chǎn)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。,什么是“參數(shù)整定”？,參數(shù)整定方法：理論計算、工程整定（又叫經(jīng)驗整定方法，分為臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗湊試法）,

11、1、臨界比例度法,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(chǎn)生等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度K，周期稱為臨界振蕩周期Tk。然后按表中的經(jīng)驗公式計算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。,臨界比例度法參數(shù)計算公式,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、衰減曲線法,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)出現(xiàn)4：1衰減比為止，這時的比例度稱為衰減比例度S ，周期稱為衰減周期Ts。然后按表中的經(jīng)驗公式計算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。,4:1衰減法參數(shù)計算公式表,10:1衰減法參數(shù)計算

12、公式表,采用衰減曲線法必須注意以下幾點： (1) 加的干擾幅值不能太大，一般為額定值的5左右; (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、T升。 (3) 對于反應快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴格得到4：1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4：1衰減過程了。,3、經(jīng)驗湊試法,“看曲線，調(diào)參數(shù)”,比例度過小、積分時間過小或微分時間過大，都會產(chǎn)生周期性的激烈振蕩。但是，積分時間過小引起的振蕩，周期較長；比例度過小引起的振蕩，周期較短；微分時間過大引起的振蕩周期最短,比例度過大或積分時間過大，都會使

13、過渡過程變化緩慢，一般來說，比例度過大，曲線波動較劇烈、不規(guī)則地、較大幅度地偏離給定值，形狀像波浪般起伏變化，如圖曲線a所示。如果曲線通過非周期的不正常路徑，慢慢地回復到給定值，這說明積分時間過大，如圖曲線b所示。,第一個問題：控制什么？,答：控工藝要求的指標,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(xiàn)，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(jù)P173中的分析，最終可以確定： 固定壓力，通過控制溫度來間接控制組分是合理的,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。 K大一些，T小一些，最好為0,測量儀表的選用和安裝： 量程、材質、精度等滿足工藝要求 測量儀表本身要反應快 應選擇有代表性位置進行安裝 儀表安裝時所用的輔助裝置不應帶來較大的測量滯后(至少要滿足要求),執(zhí)行器的選用和安裝： 口徑（流通能力）、材質、結構形式、正反作用、流量特性等滿足要求 本身反應快（氣信