第12章简单控制系统课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第12章简单控制系统,本章主要回答如下三个问题：,（,1,）控制什么？,（,2,）拿什么来控制？,（,3,）通过什么方式控制？,第十二章 简单控制系统,2,第一个问题：控制什么？,答：控制工艺要求的指标。,具体分为两种情况：,（,1,）工艺要求的指标可以直接在线测量,直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）,。,（,2,）工艺要求的指标不可以直接在线测量,寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）,。,例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据实际分析，最终确定：,固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的。,3,第二个问题：拿什么控制？,答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控制。,K,大一些，,T,小一些，,最好为,0,。,测量仪表的选用和安装,执行器的选用和安装,4,第三个问题：以什么方式控制？,答：没有标准答案（选择合适的调节规律）,最常用的调节规律：,位式控制、,P,、,PI,、,PD,、,PID,（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）,后续问题：如何整定,PID,参数？,答：临界比例度法经验,衰减曲线法经验,经验凑试法,最好的方法就是,“,经验,”,5,12.1,简单控制系统的组成,四个基本环节,：,测量变送环节,控制器,执行器,被控对象,被控变量,控制器,执行器,被控对象,测量变送环节,干扰,偏差,设定值,6,控制器,(LC,或,TC),执行器,（控制阀）,被控对象,（液位储槽或换热器）,测量、变送环节,（,LT,或,TT,）,被控变量,（液位或温度）,干扰,偏差,设定值,广义对象,简单控制系统方块图,载热体,冷流体,换热器,温度控制系统,液位控制系统,常见的两种简单控制系统：,12.1,简单控制系统的组成,7,1,、基本要求：,（,1,）控制系统设计人员要掌握较为全面的自动化专业知识，同时尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；,（,2,）要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；,（,3,）工艺人员要注意倾听自动化专业技术人员的建议，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化；,（,4,）设计一定要遵守有关的标准,行规，按科学合理的程序进行,。,12.2,简单控制系统的设计,12.2.1,控制系统设计概述,8,（,1,）确定控制方案,2,、基本内容,（,2,）仪表及装置的选型,（,3,）相关工程内容的设计,12.2,简单控制系统的设计,12.2.1,控制系统设计概述,9,3,、基本步骤,（,1,）初步设计,（,2,）施工图设计,（,3,）设计文件和责任签字,（,4,）参与施工和试车,（,5,）设计回访,12.2.1,控制系统设计概述,10,12.2.2,被控变量的选择,明确,控制目的,使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）,分析,生产工艺,“,关键”变量,：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量,确定,被控变量,两种控制类型：,直接指标控制,和,间接指标控制。,1,、选择被控变量,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,简单控制系统的设计,11,精馏过程示意图,冷却水,T,D,p,进料,Q,入,，,X,入,，,T,入,回流,F,塔底产品,塔顶产品,Q,Z,蒸汽,T,H,苯二甲苯的,T-x,图,T,D,/,X,D,%,苯二甲苯的,P-x,图,P/,MPa,X,D,%,塔顶易挥发组分纯度,X,D,、塔顶温度,T,D,、塔顶压力,P,三者之间的关系为：,X,D,=,f,(,T,D,，,P,),，两个独立变量。,例：精馏塔系统的被控变量选择,12.2.2,被控变量的选择,12,（,1,）有代表性,被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是比较重要的变量,。,（,2,）应该独立可控,简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合,),关系,。,（,3,）滞后要小,采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量,。,（,4,）灵敏度要高,被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度,。,（,5,）成本要低,选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状,。,2,、被控变量选择的一般原则,12.2.2,被控变量的选择,13,1,、操纵变量与干扰变量,12.2.3,操纵变量的选择,Q,入,T,入,X,入,Q,Z,F,T,H,被控变量,T,D,影响塔顶温度的各种输入示意图,被控对象,原则上，,在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量,影响显著,而且,可控性良好,的输入作为,控制变量,后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的,干扰变量,。,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,14,精馏过程示意图,冷却水,T,D,p,进料,Q,入,，,X,入,，,T,入,回流,F,塔底产品,塔顶产品,Q,Z,蒸汽,T,H,进料流量,Q,入,不可控,进料成分,X,入,不可控,进料温度,T,入,不可控,回流流量,F,可控,回流温度,T,H,不可控,加热蒸汽流量,Q,Z,可控,冷凝器冷却温度,不可控,塔压,P,不可控,例：精馏塔系统的操纵变量选择,12.2.3,操纵变量的选择,15,控制通道,干扰通道,干扰变量,控制变量,被控变量,干扰作用与控制作用之间的关系,被控对象,控制质量：,系统的过渡过程形式,超调量、衰减比、,余差、过渡时间、振荡周期,对象特性：,（,1,）,系统的输入输出关系,（,2,）,分为对象静态性质和对象动态性质,（,3,）,考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量,2,、对象特性对控制质量的影响,12.2.3,操纵变量的选择,16,放大系数,绝对放大系数,Y,X,P,O,Y/(Y,MAX,-Y,MIN,),X/(X,MAX,-X,MIN,),相对放大系数,控制通道的稳态特性由控制通道放大系数,K,0,表征。从,控制有效性,考虑，,K,0,应适当的大一些,；,干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数,K,f,表征。希望,K,f,小一些,，,K,f,越小干扰变量对被控变量的影响就越小；,操纵变量选择的,原则一,：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。,3,、对象稳态性质对控制质量的影响,12.2.3,操纵变量的选择,17,（,1,）控制通道时间常数,T,0,（,2,）控制通道滞后时间,0,T,0,小一点好，不能过大，,否则会使控制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长,A:,无纯滞后时的校正作用,B:,有纯滞后时的校正作用,C:,不受控下的输出曲线,D:,无纯滞后时的输出曲线,E:,有纯滞后时的输出曲线,3,、对象稳态性质对控制质量的影响,12.2.3,操纵变量的选择,18,干扰通道纯滞后,f,的影响,无纯滞后,有纯滞后,3,、对象稳态性质对控制质量的影响,（,3,）干扰通道时间常数,T,f,T,f,越大越好,，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量。,（,4,）干扰通道滞后时间,f,干扰通道的纯滞后,f,一般不会影响控制质量。,12.2.3,操纵变量的选择,19,4,、操纵变量的选择原则,（,1,）,操纵变量应是,可控,的，即工艺上允许调节的变量。,（,2,）,操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加,灵敏,。为此，应合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小、纯滞后时间尽量小。同时为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。,（,3,）,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,。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量是不宜经常波动的。,12.2.3,操纵变量的选择,20,乳化物干燥系统示意图,乳化物,高位槽,过滤器,1,2,WWW,3,蒸汽,空气,产品,G,W,(S),G,Q,(S),G,P,(S),T1,T2,G,F,(S),工艺要求,在,保证产品含水率合格的前提下，保证最大产量。,被控变量,产品含水率,干燥温度,T,1,影响被控变量的,主要输入变量,乳化物流量,F,w,旁路空气流量,F,Q,加热蒸汽流量,F,p,举例：,乳液干燥器控制系统设计,12.2.3,操纵变量的选择,21,方案,I,：取乳液流量为操纵变量（控制阀,）,f2,f3,X,Y,混合过程,风管,风管,换热器,控制器,控制阀,干燥器,测量变送,图,2,乳液流量为操纵变量的方框图,12.2.3,操纵变量的选择,22,方案,II,：取旁路空气量为操纵变量（控制阀,）,X,Y,控制器,控制阀,混合过程,风管,风管,干燥器,测量变送,换热器,f1,f3,图,3,风量为操纵变量时的系统方框图,12.2.3,操纵变量的选择,23,方案,III,：取蒸汽流量为操纵变量（控制阀,）,X,Y,f1,f2,控制器,控制阀,换热器,风管,风管,干燥器,混合过程,测量变送,图,4,蒸汽流量为操纵变量的系统方框图,12.2.3,操纵变量的选择,24,三种控制方案评估：,12.2.3,操纵变量的选择,方案,：,控制性能最优；但乳液流量是生产负荷，一般要求保证产量，不宜经常波动，所以，不宜选作操纵变量。,方案,：,旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，与图,2,相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用灵敏度次之。,方案,：,蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。,综合考虑应选择方案,II,，以旁路空气量为操纵变量。,25,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,12.2.4,控制器控制规律的选择,1,、常用的几种控制规律,（,1,）位式控制,适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。,（,2,）比例控制,优点：,比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。,缺点：,在过渡过程终了时存在余差,适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。,26,（,4,）比例微分控制,优点：,利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善控制质量。,缺点：,有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。,（,3,）比例积分控制,优点：,系统在过渡过程结束时无余差,缺点：,系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。,适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。,12.2.4,控制器控制规律的选择,1,、常用的几种控制规律,27,（,5,）比例积分微分控制,比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的,优点,。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。,12.2.4,控制器控制规律的选择,1,、常用的几种控制规律,28,2,、控制器正、反作用的选择,保证整个控制系统形成,负反馈,。,在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。,所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。,（,1,）何谓“正”、“反”作用