《简单控制系统》PPT课件

第七章 简单控制系统,第一节 简单控制系统的结构与组成 第二节 简单控制系统的设计 第三节 控制器参数的工程整定,第一节 简单控制系统的设计,简单控制系统： 由一个被控对象、测量变送器、控制器和执 行器所组成的单回路负反馈控制系统。,液位控制系统,确定合理的控制系统方案,根据工艺的要求 ：,设计内容(本节讲述主要内容）,一、被控变量选择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件特性的影响；,四、控制器的选择;,五、控制器参数的工程整定。,操纵变量的选择；,控制器的选择；,一、被控变量的选择,从生产过程对控制系统的要求出发，找出对 产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。,1. 采用直接指标控制,直接指标：指的是生产过程中的压力、流量、 物位、温度 等参数的测量控制。,直接指标控制最直接，最有效。,2. 采用间接指标控制,以蒸馏塔控制为例,1）精馏原理,2）精馏塔对自控的要求,要求苯、甲苯达到一定 的纯度，因此，馏出物 的浓度XD应作为被控变 量。,苯,甲苯,XD为被控变量，获取测量信号尚有困难时，可以找出与XD有关的参数作为被控变量，进行间接指标控制。,3）找出与XD有关的参数,XD = f（TD，P）,（浓度与温度和压力有关）,当压力恒定时，即P = 常数,XD = f（TD）,如图所示 XD温度越低 TD XD温度越高 TD,测出温度可以知道浓度。,当温度恒定时，即TD = 常数,XD = f（P）,如图所示 XD压力越高 P XD压力越低 P,测出压力可以知道浓度。,4）考虑工艺的合理性,结论：固定压力，选择温度为被控变量。,5）考虑被控变量的 灵敏度。,6）考虑被控变量的 独立性。,例如 造纸过程中的硫酸盐法 蒸煮过程中，质量指标是浆料的硬度和强度，是间接指标。,选择被控变量的原则,1.能代表工艺的操作指标，能反映工艺操作状态。,2.被控变量在操作过程中经常受到干扰影响，需 要频繁控制的。,3.直接指标无法获得时，应选与直接指标有单值 对应关系的间接指标作为被控变量。,4.间接参数能够被测出，并有足够的灵敏度。,5.考虑工艺过程的合理性及仪表的现状。,6.间接参数应是独立的。,二、操纵变量的选择,干扰作用对被控变量的影响是使其偏离给定值。,操纵变量则是要克服干扰对被控变量的影响。,液位控制系统,实现控制作用的操纵变量。即执行器所控制的参数。,最常见的操纵变量是流量，也有电压、转速等。,（ ）,（ ）,2. 对象特性对选择操纵变量的影响,1）对象静态特性的影响,放大系数 ，是对象的静态参数。, ：希望 值大一些好, 越大,表示控制作用 灵敏,抑制干扰的能力越强。但 太大会破 坏系统的稳定性。, ： 无论对系统的静态还是动态对控制质量 都有害， 尽可能小。,2）对象动态特性的影响,（1）控制通道时间常数T0 的影响,T0太大或太小都不利于提高控制质量。,控制通道如果是一阶环节，T0小，控制就灵敏。 但太小，控制作用过于灵敏易引起控制过程震荡， 而不稳定。,反应器温度控制系统,控制通道如果是二阶环节，T0大，控制作用就 反应迟钝,过渡时间长，控制作用就弱。,希望T0适当小，有利于克服 干扰缩短过渡过程的时间。,（2） Tf 对控制质量的影响,希望Tf越大，对被控变量影响越小。,（3） 对控制质量的影响, 控制通道滞后时间 的影响,如果控制通道 大，那么T0也大。因此， 对象较难控制。,控制通道 小为好,如图 并不起作用。被控变量只是推迟 时间变化。, 在干扰通道对控制质量的影响,小结：,3. 越小越好, 对被控变量无影响。,2. 适当小， 越大越好；,1. 适当大， 越小越好；,操纵变量的选择原则,1.工艺上要合理，除物料平衡调节外，一般避免 用主物料流量（生产负荷）作为操纵变量。,2.操纵变量应有克服干扰影响的校正能力，控制 通道K0 （放大倍数）较大。,3.控制通道的动态响应要较干扰通道的动态响应 为快，滞后时间尽量小。,4.所选的操纵变量应尽量是干扰点，远离被控变 量而靠近控制阀。,举例,将浓缩乳液干燥成乳粉，生产上采用喷雾式干燥 设备。在一定的干燥温度下获得合格产品。,分析一下影响干燥器 温度的因素。,1.乳化物流量Q1的改变将影响干燥筒温度。,2.鼓风机风量Q2的变化也将影响干燥筒温度。,3.蒸汽压力的变化将引起蒸汽流量Q3的变化将影 响干燥筒温度。,Q1,Q2,Q3,第一种方案：乳化物流量Q1为操纵变量,考虑工艺的合理性。乳化物流量是生产负荷， 需要稳定，不易作操纵变量。,根据操纵变量选择原则进行分析：,第二种方案：空气流量Q2为操纵变量,空气量与热风混合通过风管进入干燥器，较第一 方案控制通道滞后时间稍大, 灵敏度次之。,第三种方案：蒸汽流量Q3为操纵变量,控制通道很长，纯滞后、容量滞后大，灵敏度差。 T0、0大，不易作操纵变量。,设计出以干燥器温度为 被控变量，空气流量为 操纵变量，温度控制系统。,方块图,Q1,Q3,三、测量变送环节对控制系统的影响,1.测量元件安装引起的纯滞后,电极只能安装在流速较小的支管道上，因此， 由测量元件安装位置所引入的纯滞后。,合理选择测量元件的安装地点，尽可能缩短 纯滞后时间。,解决方法：,2.测量元件本身的测量滞后,测量元件本身时间常数Tm所引起的动态误差。 （如测温元件）,解决方法：,1）选择快速测量元件（一般Tm1/10TC为宜）；,TC：对象时间常数,2）正确选择安装位置；,3）正确使用微分单元。,(a),(b),(c),我们分析加入微分单元后的情况：,在测量元件之后引入微分单元,用拉氏变换式描述各环节,Km测量元件和变送器的放大倍数；,Tm、TD测量元件时间常数、微分时间。,如果我们使Tm=TD,可以看出变送器的输出与被控变量的变化成正比关系。,则,3.测量信号的处理,1)测量信号都要进行“滤波”处理： 测量元件本身的随机波动特性或测量环境中的 电磁干扰所致不可避免地掺杂一些随机干扰,对 测量信号一般都要进 行“滤波”处理.,2)测量信号传送产生的滞后: 指测量变送器的输出信号传输到室内控制器，所 引起的滞后。,3)控制信号传送产生的滞后: 指控制器的输出信号传输到现场的执行器，所 引起的滞后。,解决方法：,保证信号远距离传输时采用电信号传输。即将 电气转换器放在室内。或采用电气阀门定位器。,四、气动执行器的选择,1.流量特性及结构形式的选择（略）,2.气开、气关形式的选择,从安全要求出发。当气压信号中断时，视调节阀处 在全开或全关哪一位置对生产造成的危害最小而定。,若对生产安全影响不大时，可根据产品质量、节约 能源物料性质等方面考虑。,五、控制器的设计,1. 控制器正反作用的选择,控制器正反作用的选择，使自动控制系统具有负反 馈的闭环控制系统。因此与各环节的工作方向有关。,定义各环节的作用方向：,测量变送器： 当输入增加时输出也增加。为正作用方向。用 “+”号表示。,被控对象： 当控制阀开大时，被控变量为增大变化时，为 正作用方向。用“+”号表示。反之用“-”号表示。,作用方向：指各环节输入变化后，输出的变化方向。,控制阀： 气开阀： 信号增大时阀开大,为正作用方向,用“+”号表示。 气关阀： 信号增大时阀关小,为反作用方向,用“-”号表示。,控制器： 正作用控制器： 输入偏差e增大时,输出P增大,为正作用方向。 用“+”号表示。 反作用控制器： 输入偏差e增大时，输出P减少,为反作用方向。 用“-”号表示。,例：加热炉出口温度控制，确定控制器的正、反作用。,1.确定阀的气开、气关： 因炉温不允许过高。所以一但信号中断时阀应 关死（信号=0）。所以选气开阀。为“+”表示。,2.变送器：为“+”表示。,3.对象： 当阀开大时被控变 量增大，作用方向 为“+”。,4.控制器：选反作用的。,如果四项相乘为负值时，系统为 负反馈。,“正”,“正”,“正”,“反”,例：塔釜液位控制，确定控制器的正、反作用。,1.确定阀的气开、气关： 因塔釜液位不允许过低。所以一但信号中断时阀 应关死（信号=0）,所以选气开阀。为“+”表示。,2.变送器：为“+”表示。,3.对象：当阀开大时被控变 量减少,作用方向为“-”。,4.控制器：选正作用的。,“正”,“正”,“正”,“反”,（二）控制规律的选择,根据对象的特性和工艺要求来决定选择P、PI、PID。,1.比例控制器,适用于控制通道滞后较小, 负荷变化不大, 没有 提出无差要求的系统。,2.比例积分控制器,适用于调节通道滞后较小, 负荷变化不大, 不允许 有余差的控制系统。,3.比例积分微分控制器,适用于容量滞后较大, 负荷变化大, 调节质量要求 高的系统。,第三节 控制器参数的工程整定,工程整定的方法有两种:理论整定法和工程整定法。,理论整定法:根据已知的广义对象特性及控制质量的 要求,通过理论计算出控制器的最佳参数。,工程整定法:在已经投运的实际控制系统中,通过实 验和探索,来确定控制器的最佳参数。,控制器参数整定:确定最合适的TI和TD ,使控制 质量为最佳。,控制器参数整定:确定最合适的、TI和TD ，使控 制质量为最佳。,一、临界比例度法,1.在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用 （Ti=，TD=0位置上）。,2.在干扰作用下，从大到小逐 渐改变比例度，直至系统产 生等幅震荡（即临界振荡） 这时的比例度是临界比例度 ，周期 为临界周期Tk 。,3.记下PB、Tk 然后按表中公式计算,4.将计算的参数投入到仪表中。然后看调节曲线， 调参数,注意： 对于工艺上不允许有等幅震荡的系统， 不能使用。, 对于临界比例度小的系统，不能使用。,二、衰减曲线法,通过使系统产生衰减震荡来整定控制器参数值。 具体作法：,1.在闭环控制系统中，先将控制器变为 纯比例作用 （Ti=，TD=0位置上）。并将比例度放在（100%）,3.根据表中经验公式，计算出控制器的整定值。,2.系统稳定后，改变给定值，加入干扰，观察被控变 量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度直 至出现4:1衰减为止，记下此时比例度 ，衰减周 期TS。,3.根据表中经验公式，计算出控制器的整定值。,4:1衰减曲线,4.如果是10:1衰减曲线方法同上，得到10:1衰减 曲线时，记下此时比例度 和最大偏差上升 时间Tr。 根据表中经验公式计算出 、Ti、TD。,5.将计算的参数投入到仪表中。然后看调节曲线， 调参数。,干扰幅值施加的不能太大，要根据生产要求来定， 一般为额定值的5%。,对于反映快的系统如难以得到4:1曲线，以被控变 量来回波动两次达到稳定，就近似认为4:1衰减曲 线。,优点：整定质量较高，较准确可靠安全应用广泛。,缺点：不适用于干扰频繁，记录曲线不规则的系统。,注意：,必须在工艺参数稳定时，才能施加干扰，否则得 不到正确的 S、 TS、 、Tr值。,三、经验凑试法,经验凑试法是工人师傅在长期的生产实践中总结出来的整定方法。有两种方法。,第一种方法：,1.将Ti= ，TD=0。根据经验参数选出合适的比例度， 系统自动运行。,2.改变比例度，取的较好的过程曲线。,0.5 - 3,3.将积分时间引入，整定 、Ti直到满意曲线为止。,7- 4,第二种方法：,先按表中给出的范围把Ti定下来，调整比例度大小， 凑到满意的过渡过程为止。需要加微分作用时，可 取TD=(1/31/4)Ti。调整各参数，直到得到满意曲 线为止。,优点：简单方便，应用广泛对于干扰频繁的系统更 为合适。,缺点：质量不一定高，花费时间多。,看曲线，调参数。,Ti小,PB小,TD大,PB大,Ti大,