化工仪表 及自动化 课件07 简单控制系统

第七章 简单控制系统（4学时）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教学要求1.掌握简单控制系统的组成；掌握简单控制系统的组成；2.掌握被控变量的选择方法及原则；掌握被控变量的选择方法及原则；3.掌握操纵变量的选择方法及原则，学会分析对象静态、动态特掌握操纵变量的选择方法及原则，学会分析对象静态、动态特性对控制质量的影响；性对控制质量的影响；4.了解系统设计中的测量变送问题；了解系统设计中的测量变送问题；5.掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择；掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择；6.了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法；了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法；7.通过简单控制系统设计实例讲解，掌握简单控制系统的设计。通过简单控制系统设计实例讲解，掌握简单控制系统的设计。重 点：被控变量、操纵变量的选择、控制器正反作用选择被控变量、操纵变量的选择、控制器正反作用选择难 点：操纵变量的选择、控制器正反作用选择操纵变量的选择、控制器正反作用选择知识点回顾知识点回顾控制器控制器执行器执行器测量变送装置测量变送装置被控变量被控变量被控对象被控对象干扰干扰给定值给定值偏差偏差操操 纵纵变量变量o教学要求：了解分析简单控制系统，学会分析其结构与了解分析简单控制系统，学会分析其结构与组成。组成。第一节 简单控制系统的结构与组成常见的简单控制系统简单控制系统简单控制系统：是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。研究简单控制系统的必要性o由于简单控制系统是最基本、应用最广泛的系统，因此学习和研究简单控制系统的结构、原理及使用是非常必要的。o同时，简单控制系统是复杂控制系统的基础，学会了简单控制系统的分析，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。第二节 简单控制系统的设计1被控变量的选择被控变量的选择2操纵变量的选择操纵变量的选择3测量元件特性的影响测量元件特性的影响4控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择 要设计好控制系统必须充分了解其相关的工艺过程、要设计好控制系统必须充分了解其相关的工艺过程、工艺特点及对控制的要求！工艺特点及对控制的要求！一、被控变量的选择o什么是被控变量？n被控变量是生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。o被控变量是工艺过程的重要参数；o在工艺系统中易受干扰变化，需要经常调节的参数；o尽可能选用直接指标作为被控参数，必要时可用与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。o被控变量应方便检测，并有足够的灵敏度；o被控变量应是独立可控的，以及需考虑控制代价。直接指标控制与间接指标控制o根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制形式：直接指标控制和间接指标控制直接指标控制和间接指标控制。o如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则称为直接指标控直接指标控制制。o如果工艺是按质量指标按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量型号的监测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，这是可选取与直接质量指标有与直接质量指标有单值对应关系而反应又快单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。苯-甲苯精馏过程1.系统的工作目的？分离混合物的各组分，使其达到规定要求；分离混合物的各组分，使其达到规定要求；2.组分检测是否困难：是；是；3.组分与哪些量有密切关系：温度和压力（关系图）；4.应选择何种间接控制变量？温度；温度；5.选择温度作为控制变量的合理性：（1）精馏过程中，压力往往需要固定；）精馏过程中，压力往往需要固定；（2）温度和组分存在单值关系；）温度和组分存在单值关系；（3）有足够的灵敏度；）有足够的灵敏度；易挥发组分苯浓度与温度、压力之间的关系易挥发组分苯浓度与温度、压力之间的关系选择被控变量的原则：被控变量应是关键关键变量。被控变量在工艺操作过程中经常需要较频繁的调节。尽量采用直接指标直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标间接指标作为被控变量。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度灵敏度。选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。被控变量是独立可控独立可控的，否则需用复杂控制系统，且需增加解藕装置。二、操纵变量的选择o操纵变量操纵变量：在自动控制系统中，用于调节被控变量的参数，称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有转速、电压等；o操纵变量的操纵变量的选择原则选择原则：v操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；v操纵变量应具有较高的调节灵敏度：o较大的放大倍数放大倍数K0；o较短的滞后时间滞后时间。v符合工艺的合理性和生产的经济性。怎样选择操纵变量？被控变量：被控变量：灵敏板的温度灵敏板的温度对象特性对选择操纵变量的影响u操纵变量与干扰变量作用在对象上，都会引起被控变量变化。u如右图所示，干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。对象静态和动态特性的影响o静态：控制通道的放大系数 大些，控制作用强些。干扰通道的放大系数 越小越好，减小干扰变量的影响，使过渡过程的超调量变小。o动态：控制通道时间常数T的影响；控制通道纯滞后 的影响；干扰通道时间常数Tf的影响；干扰通道纯滞 后的影响。简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响对象动态特性对控制质量的影响设:扰动通道时间常数为f，纯滞后为f 扰动通道特性的影响扰动通道特性的影响 ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2ff操纵变量的选择原则：操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。三、测量元件特性的影响o测量、变送装置是控制系统中获取信息得装置，也是系统进行控制的依据。o所以，要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。o测量不准确或不及时，会产生失调或无调，影响之大不容忽视。1、测量元件的时间常数o测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，因而造成测量滞后。2、测量元件的纯滞后o当测量存在纯滞后，也和对象控制通道存在纯滞后一样，会严重地影响控制质量。3、信号的传送滞后o信号传送滞后通常包括测量信号传送滞后和控制信号传送滞后两部分。o测量信号传送滞后是指由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。o控制信号传送滞后是指由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。四、控制器控制规律的选择o在选择控制器时，不仅要确定控制器的控制规律，而且要确定控制器的正、反作用。o回顾一下基本控制规律对过渡过程的影响。1、控制规律的确定o位式控制（双位控制）o比例控制（P）o积分控制（I）o微分控制（D）oP、I和D的组合形式：PI、PD和PIDP控制规律：o最基本的控制规律，抗干扰能力强，控制及时，过渡时间短，但有余差。o适合控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量运行在一定范围内允许有余差的场合。o典型应用：储槽液位控制、精馏塔塔釜液位控制、压缩机储气罐压力控制等。PI控制规律：o在工程上应用最为广泛的一种控制规律。积分能消除余差，但会导致稳定性降低。增大比例度可保证稳定性，但超调量和振荡周期会相应增大；o适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合，如某些流量、液位要求无余差的场合。PD控制规律：o微分具有超前控制作用，对具有容量滞后的过程控制通道，引入微分控制规律对改善系统的动态性能指标，有显著的效果。o适用于控制通道的时间常数大或者容量滞后较大的场合，如温度和成分控制等。但对于纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性干扰的系统，则不宜采用微分作用。PID控制规律：o是一种最理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，能提高系统的稳定性。o适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合。如温度控制、成分控制。控制规律选择的原则是：1.对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。2.对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用PI控制器。3.当对象滞后较大，如温度、值等控制系统则需引入微分作用。一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。4.当对象控制通道的滞后很小，采用反微分作用可以收到良好的效果。5.当对象滞后很大，负荷又变化很大时，PID作用控制器也不能解决问题，往往要设计某些复杂控制系统。2、控制器正、反作用的确定o什么是控制器的”正”、“反”作用？o当某个环节输入增加时，输出也增加，该环节称为“正作用”方向；反之，称为“反作用”。o如何确定控制器的“正”、“反”作用？o与执行器、对象、测量变送作用方向组合，使得控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。简单控制系统的方块图简单控制系统的方块图o测量变送器：作用方向一般是“正”的；o被控对象：操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”；o执行器：作用方向取决于是气开阀还是气关阀；气开阀是“正”方向；气关阀是“反”方向。执行器的气开或气关形式主要从工艺安全角度来确定。控制系统各环节的正负选择控制系统各环节的正负选择分析1热电偶及变送器加热炉气开阀 TC分析2差压式液位变送器储液罐气开阀 LC控制器的“正作用”和“反作用”第三节 控制器参数的工程整定o控制器参数的工程整定就是选择适宜的比例度（放大倍数Kp）、积分时间Ti和微分时间TD。o控制器的整定可以采用两种方法：n理论计算法：通过理论计算，寻找控制关系；n工程整定法：通过实际试验或经验规律选择控制参数。o简单控制系统，一般希望过渡过程呈4：1或10：1的衰减震荡过程。一、临界比例度法o具体方法：1.在纯比例控制（Ti=，TD=0）条件下通过试验获得临界比例度K；2.再根据经验公式计算实际参数值、Ti、TD。o使用条件：n临界比例法广泛应用于放大倍数较小，即控制器输出范围较小控制器输出范围较小的系统；n使用临界比例法必须是工艺系统允工艺系统允许许短时间震荡的情形。二、衰减曲线法o具体方法：1.在纯比例控制（Ti=，TD=0）条件下通过试验选择适宜的比例度s使系统呈现4：1的衰减比；2.再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公式计算实际参数值、Ti、TD。o使用条件：n干扰作用不太频繁；n干扰作用的规律性较强。三、经验凑试法o具体方法：1.根据一般经验选择适宜的控制参数、Ti、TD；2.在实际运行过程中对参数进行适当的调整。o使用条件：n干扰作用频繁；n干扰作用的规律性较差。整定的步骤有两种：1)先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。v经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”。2)经验凑试法还可以按下列步骤进行：先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如果引入微分作用，可取TD=(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。本章作业:P166167o1、4、5、7、9、10、13、21