《簡單控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、簡單控制系統(tǒng),02:04,控制系統(tǒng)的分類,02:04,簡單控制系統(tǒng)的定義：,由一個被控對象、一個檢測變送單元、一個控制器和一個執(zhí)行器所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)叫做簡單控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。,簡單控制系統(tǒng)的方塊圖？,02:04,執(zhí)行器,被控對象,測量變送,控制器,執(zhí)行器,,,,,,,,,,接受控制器的輸出的控制信號，改變操縱變量，使被控變量向設(shè)定值靠攏的裝置，稱為執(zhí)行器。,最常用的執(zhí)行器是控制閥，也稱調(diào)節(jié)閥。,02:04,執(zhí)行器,執(zhí)行器是控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)。 自控系統(tǒng)出故障，70%都是執(zhí)行器出問題。 原因：執(zhí)行器與介質(zhì)（操縱變量）直接接觸 (強(qiáng))腐蝕性、(高)粘度、(易)結(jié)晶、

2、高溫、深冷、高壓、高差壓,02:04,執(zhí)行器,執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)控制器的控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置。,執(zhí)行器的組成,執(zhí)行機(jī)構(gòu),,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。,,,,02:04,執(zhí)行器,02:04,執(zhí)行器,,執(zhí)行器分類,1.電動執(zhí)行器；,根據(jù)驅(qū)動信號的不同，執(zhí)行器分為三種形式,2.氣動執(zhí)行器；,3.液動執(zhí)行器。（推力最大，笨重，很少使用）,其中，氣動薄膜調(diào)節(jié)閥應(yīng)用最為廣泛。,02:04,執(zhí)行器,氣動薄膜調(diào)節(jié)閥,1、接受20 100KPa的 標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號；,2、在膜片上產(chǎn)生推力；,3、推動閥桿產(chǎn)生位移；,4、帶動閥芯動作。,02:04,執(zhí)行器

3、,,氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用,氣源PO,,,氣源PO,,,,,反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ZMB）,正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ZMA）,02:04,執(zhí)行器,,氣動薄膜調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的正反作用,正作用：閥芯向下， 閥桿下移時，閥芯與閥座間的流通面積減少。反作用： 閥芯向上，閥桿下移時，閥芯與閥座間的流通面積增大。,正作用,反作用,02:04,執(zhí)行器,反作用,反作用,正作用,正作用,四種組合,正作用,正作用,反作用,反作用,氣關(guān)式,氣關(guān)式,氣開式,氣開式,氣開式：氣信號增加，閥門開度增大。 氣關(guān)式：氣信號增加，閥門開度減小。,02:04,執(zhí)行器,氣開式與氣關(guān)式的選擇,生產(chǎn)安全。 氣信號中斷，控制閥復(fù)位，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備

4、的安全。 如果閥處于打開位置時危害性小，應(yīng)用氣關(guān)式；反之， 閥處于關(guān)閉時危害性小，則應(yīng)選用氣開閥,例一：加熱爐的燃料進(jìn)料閥應(yīng)采用？ 氣開閥，即當(dāng)信號中斷時應(yīng)切斷進(jìn)爐燃料，以免爐溫過高發(fā)生事故。,例二：控制進(jìn)入設(shè)備的易結(jié)晶氣體的控制閥，應(yīng)選用？ 氣關(guān)閥，以防堵塞。,02:04,執(zhí)行器,,控制閥的流量特性,理想流量特性，即在閥的前后壓差固定的條件下，流量與閥桿位移之間的關(guān)系，它完全取決于閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,理想流量特性主要有線性、等百分比及快開三種。這三種特性完全取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面可以得到不同的理想流量特性。,02:04,執(zhí)行器,快開：平板結(jié)構(gòu) 線性：曲面形狀，“瘦” 等百分比：曲面形狀

5、，“胖”,02:04,執(zhí)行器,02:04,閥門定位器,閥門定位器接受控制器的輸出信號，然后將控制器的輸出信號成比例地輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)閥桿移動以后，其位移量又通過機(jī)械裝置負(fù)反饋?zhàn)饔糜陂y門定位器,02:04,閥門定位器,分類,02:04,閥門定位器,YT-1000R-PTM（帶反饋） 電氣閥門定位器,SIEMENS西門子閥門定位器 6DR5115-0EG00-0AA0,9800元,1050元,02:04,閥門定位器,具有兩個重要特點(diǎn)：,1、具有電氣轉(zhuǎn)換作用 2、具有閥門定位功能,工作原理方框圖：,02:04,控制規(guī)律,理想的雙位控制器其輸出p與輸入偏差e 之間的關(guān)系為,特點(diǎn)：控制器只有兩個輸出，

6、相應(yīng)的執(zhí)行器只有 開和關(guān)兩個極限位置。 雙位控制又稱為開關(guān)控制。,02:04,控制規(guī)律,繼電器,電磁閥,02:04,控制規(guī)律,比例控制( P ),比例控制規(guī)律及其特點(diǎn),e（偏差）為控制器的輸入信號，u為輸出信號（變化量），KC為比例增益（放大倍數(shù)）， KC越大，比例作用越強(qiáng)。,比例控制器實(shí)際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大量,02:04,控制規(guī)律,比例度,比例度與比例增益成反比。 比例度越小，則比例增益越大，比例控制作用就越強(qiáng)； 反之，比例度越大，則比例增益越小，比例控制作用 就越弱。,結(jié)論,02:04,,比例度對過渡過程的影響,實(shí)現(xiàn)快速控制,02:04,控制規(guī)律,積分控制（I）,一、積分控

7、制規(guī)律及其特點(diǎn),當(dāng)對控制質(zhì)量有更高要求時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上積分控制作用。,積分控制作用的輸出變化量u與輸入偏差e的積分成正比，即,表示積分速度,注意：具有積分控制規(guī)律的控制器，其輸出信號的大小， 不僅決定于偏差信號的大小，還取決于偏差存在時間的長短。,02:04,控制規(guī)律,比例積分控制規(guī)律（PI）與積分時間（ ）,比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加， 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,為比例增益， 為積分時間，,比例積分控制器的傳遞函數(shù)為：,02:04,控制規(guī)律,1、積分時間越小，積分作用越強(qiáng)。反之，積分時間越大， 積分作用越弱。 2、若積分時間為正無窮大，就沒有積分作用，此時的

8、比例積分控制器就稱為純比例控制器了。,結(jié)論,02:04,積分時間對過渡過程的影響,減小積分時間， 積分作用增強(qiáng)， 克服余差的能力增強(qiáng)， 準(zhǔn)確性增強(qiáng)， 但是震蕩加劇， 穩(wěn)定性降低， 快速性降低。,02:04,控制規(guī)律,微分控制（D）,一、微分控制規(guī)律及其特點(diǎn),控制器的微分控制規(guī)律，是指輸出信號的變化量與偏差信號的變化速度成正比，即,為微分時間,當(dāng)偏差變化速度相同時， 越大，控制器的微分作用,越強(qiáng),控制器的輸出變化,越大,反之。。。。。。,因此，微分時間是衡量微分作用強(qiáng)弱的重要參數(shù)。,02:04,控制規(guī)律,微分作用的特點(diǎn)： 1、微分控制器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，與偏差是否存在無關(guān)。 2、微分

9、控制器的輸出不能反應(yīng)偏差的大小。 3、微分控制規(guī)律不能單獨(dú)使用。,微分作用,( _),02:04,微分時間對過渡過程的影響,微分作用具有抑制振蕩的效果，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少被控變量的波動幅度,并降低余差。 微分作用也不能加得過大。 微分控制具有“超前”控制作用。,02:04,控制規(guī)律,比例積分微分控制（PID）,同時具有比例、積分、微分三種控制作用的控制器稱為比例積分微分控制器。,比例度（或者比例增益Kc）、積分時間 TI和微分時間 TD。,可調(diào)參數(shù)有哪些？,02:04,,怎樣使一個PID控制器變成純比例控制器？,當(dāng)比例積分微分控制器的積分時間趨于無窮大，微分時間為零的時候，這時的控制器

10、相當(dāng)于純比例控制器。,02:04,02:04,02:04,控制器,系統(tǒng)正常運(yùn)行,負(fù)反饋系統(tǒng),,如何保證能構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)？,02:04,作用方向的規(guī)定,各環(huán)節(jié)正、反作用的確定,當(dāng)該環(huán)節(jié)的輸入信號增加時，如果輸出信號也隨之增加， 該環(huán)節(jié)為正作用。,執(zhí)行器,氣開式為正作用方向,氣關(guān)式為反作用方向,02:04,測量變送環(huán)節(jié),一般都為正,被控變量增加,,測量值增加,被控對象,操縱變量增加,,,被控變量增加,被控變量減小,,,正,反,02:04,控制器,偏差的計算：,正作用：,e(t)=y(t)-SP,反作用：,e(t)=SP-y(t),當(dāng)設(shè)定值不變，被控變量的測量值增加，控制器輸出量增加， 當(dāng)被控變量的

11、測量值不變，設(shè)定值減小，控制器輸出量增加， 為正作用。,當(dāng)設(shè)定值不變，被控變量的測量值增加，控制器輸出量減小， 當(dāng)被控變量的測量值不變，設(shè)定值減小，控制器輸出量減小， 為反作用。,02:04,如何構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)？,,,,,“”,“”,“”,,兩個“”、“”或者三個“”,02:04,控制器正、反作用的確定步驟：,,執(zhí)行器,,氣開式“” 氣關(guān)式“”,,被控對象,,確定“”“”,,測量變送,,“”,,控制器,,根據(jù)反饋準(zhǔn)則，確定“”“”,02:04,例題,如圖所示為一臺釜式反應(yīng)器的溫度控制系統(tǒng)示意圖。為維持一定的反應(yīng)溫度需用蒸氣進(jìn)行加熱，但如果溫度過高，會有爆炸的危險，則下列有關(guān)控制閥及控制采取的形

12、式及作用方向合理的是（ ）。,A控制閥為氣開型，控制器為正作用式 B控制閥為氣開型，控制器為反作用式 C控制閥為氣關(guān)型，控制器為反作用式 D控制閥為氣關(guān)型，控制器為正作用式,B,02:04,精餾塔,被控變量是塔內(nèi)溫度,回流閥,執(zhí)行器？,被控對象？,測量變送？,控制器？,02:04,02:04,02:04,簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計概述,1、確定控制方案（被控變量的選擇與確認(rèn)、操縱變量的選擇與確認(rèn)、檢測點(diǎn)的初步選擇，繪制工藝流程圖等等）。 2、儀表及裝置的選型（檢測儀表、控制器、執(zhí)行器）。 3、相關(guān)工程內(nèi)容的設(shè)計（控制室設(shè)計、供電、供氣系統(tǒng)、儀表配管配線，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計等等）。,02:04,閱讀教材

13、回答以下問題： 1、所謂關(guān)鍵變量是指什么？ 2、什么是直接參數(shù)？ 3、什么情況下選用間接參數(shù)作為被控變量？ 4、所選用的間接指標(biāo)需滿足什么條件？,1、被控變量的選擇,02:04,1、被控變量的選擇,被控變量的選擇 “關(guān)鍵”變量：對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，人工操作難以滿足要求，或者人工操作可以滿足要求，但是這種操作既緊張又頻繁，勞動強(qiáng)度很大。,方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和安全又易于測量的參數(shù)作為被控變量，稱為直接參數(shù)法。例如溫度、壓力、液位、流量反映等生產(chǎn)工藝狀態(tài)的參數(shù)。,02:04,方法二：選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系、靈敏、

14、易于測量的參數(shù)作為被控變量，稱為間接參數(shù)法。例如組分（某物質(zhì)含量）、轉(zhuǎn)化率等。,1、被控變量的選擇,單值對應(yīng)關(guān)系：單值對應(yīng)也叫映射。對于集合A與B， 如果按照某種對應(yīng)關(guān)系f，使A的任何一個元素a，在B 中都有唯一的元素b和它對應(yīng)，這樣的對應(yīng)關(guān)系 叫做從集合A到集合B的“單值對應(yīng)”。（一對一）,02:04,被控變量的選擇原則, 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。, 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。為維持其恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。, 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

15、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。,02:04, 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。, 被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。, 被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。,被控變量的選擇原則,一個好的產(chǎn)品它的生產(chǎn)過程絕不能隨心所欲，必須要按照一定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施。這一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)就稱之為工藝。,02:04,舉例,精餾工藝,閱讀教材： 1、精餾塔的作用及工作原理？ 2、精餾工藝要求有哪些？ 3、擾動量有哪些？,02:04,從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量 第一，如塔壓波動，就會破壞原來的氣液平衡，影響相對揮發(fā)度，使塔處于不良工況。同時，隨著塔壓的變化，往往還會引

16、起與之相關(guān)的其他物料量的變化，影響塔的物料平衡，引起負(fù)荷的波動。經(jīng)濟(jì)性。 第二，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。,02:04,合成氨,氨合成塔中，N2與H2氣體在催化劑（鐵觸媒(以鐵為主，混合的催化劑)）作用下合成 NH3。（放熱反應(yīng)） 成分：滯后大，成本高，不宜作為被控變量。（直接變量） 溫度：單值對應(yīng)關(guān)系，間接反映合成率。（間接變量）,02:04,操縱變量,1、定義 用來克服擾動對被控變量的影響、實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。 操縱變量是執(zhí)行器的輸出。,操縱變量對被控變量影響顯著且可控性好。,最常見的操縱

17、變量是介質(zhì)的流量。,02:04,U表示操縱變量，F(xiàn)表示擾動，Y表示被控變量 被控對象的輸入輸出關(guān)系如下圖：,擾動與操縱變量同時影響被控變量,02:04,1、通道：某個參數(shù)影響另一個參數(shù)的通路。 2、擾動通道：擾動影響被控變量的通路。 3、控制通道：控制變量影響被控變量的通路。,4、擾動作用與控制作用之間的關(guān)系？,相互對立而依存,控制作用抑制擾動的影響，沒有擾動就無須控制,02:04,操縱變量的選擇的原則,1、可控，變化范圍是生產(chǎn)允許的。 2、對被控變量影響最大。 3、工藝的合理性，生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。 注意：不宜選生產(chǎn)負(fù)荷作為操縱變量，以免 產(chǎn)量受到波動。,02:04,舉例,把乳化物制作成干燥顆粒

18、,被控變量？,可選擇的操縱變量？,溫度,乳化物的流量 空氣流量 蒸汽流量,操縱變量？,空氣流量,02:04,參數(shù)整定：,對于PID控制規(guī)律，比例度、積分時間TI和微分時間TD大小決定比例、積分、微分控制的強(qiáng)弱和控制的品質(zhì)。,穩(wěn) 準(zhǔn) 快,02:04,理論計算的方法和工程整定法,比例度、積分時間TI和微分時間TD的確定方法：,理論計算的法：數(shù)學(xué)模型已經(jīng)準(zhǔn)確確定，復(fù)雜,工程整定法,,Oh no！,02:04,工程整定法,（1）經(jīng)驗(yàn)湊試法,（2）臨界比例度法,（3）衰減曲線法,02:04,（1）經(jīng)驗(yàn)湊試法,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。,02:04

19、,整定的步驟,1.先在表10-1中選用一個較大的比例度，用純比例作用 進(jìn)行湊試。通過改變給定值施加干擾（一般給定值的變 化不超過給定值的5%），觀察被控變量的過渡過程是否 出現(xiàn)4:1衰減曲線。經(jīng)過反復(fù)改變進(jìn)行湊試，直到過渡 過程符合要求為止。 2.將比例度適當(dāng)增加10%20%，再根據(jù)表10-1中積分范 圍值選取一個積分時間，加入給定值干擾，觀察曲線過 渡過程。通過對積分時間進(jìn)行反復(fù)湊試，直到出現(xiàn)滿意的曲線。 3.如系統(tǒng)需要加入微分控制，可取TD(1/31/4)TI，然后 適當(dāng)減小和TI，通過反復(fù)改變微分時間進(jìn)行湊試。直至 滿足工藝要求為止。,理想曲線兩個波，前高后低4比1,02:04,（2）臨

20、界比例度法,在純比例作用下，先通過反復(fù)試湊得到臨界振蕩過渡過程，記錄下曲線的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表求出控制器各參數(shù)值。,,,02:04,表 臨界振蕩曲線法控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 （4：1衰減比）,適當(dāng)微調(diào)參數(shù)，達(dá)到理想的過渡過程曲線,理想曲線兩個波，前高后低4比1,02:04,（3）衰減曲線法,1、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（一般為100%）。在達(dá)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，然后減小比例度，直至出現(xiàn)41或10 1衰減比為止。記錄下此時的比例度s 和衰減周期TS 。,適當(dāng)微調(diào)參數(shù)，達(dá)到理想的

21、過渡過程曲線,理想曲線兩個波，前高后低4比1,02:04,簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn),控制系統(tǒng)投運(yùn)通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箍刂破鲝氖謩庸ぷ鳡顟B(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)到自動工作狀態(tài)。,02:04,手動,控制器,自動,調(diào)節(jié)閥,手動輸出,自動輸出,手動輸出,自動輸出,If,,,擾動、破壞系統(tǒng)原本的平衡,NO！,02:04,投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作（檢查）： 1. 熟悉工藝要求、控制指標(biāo)，了解各工藝變量間的關(guān)系。 2. 系統(tǒng)各組成部件（控制器、執(zhí)行器、測量變送裝置安裝的位置）、管線走向要清楚。 3. 氣源、電源、管路進(jìn)行全面檢查，保證處于正常狀態(tài)。 4. 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，設(shè)置好控制器正反作用和PID參數(shù)。 5. 進(jìn)行聯(lián)動試驗(yàn)。,變

22、送器輸入端施加信號，觀察顯示儀表、控制器、 調(diào)節(jié)閥是否正常工作。,02:04,系統(tǒng)的投運(yùn)：,系統(tǒng)投運(yùn)主要完成控制器和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的投運(yùn),,,將控制器置于“手動”位置， 關(guān)閉截止閥1和閥2。 手動操作旁路閥3直至工況穩(wěn)定， 轉(zhuǎn)入手動遙控。,02:04,待被控變量穩(wěn)定并接近設(shè)定值時， 將控制器從“手動”切換到“自動”。,用控制器的手操電路進(jìn)行遙控。 控制器處于手動狀態(tài)。,將閥1全開，然后慢慢開大閥2,并關(guān)小閥3，同時調(diào)整氣壓P， 逐步增大通過調(diào)節(jié)閥的流量。,保持操縱變量的穩(wěn)定以保證控制量的基本不變。直到截止閥2全開旁路閥3全關(guān)為止。,自動控制不代表過渡過程滿足要求，接下來調(diào)整PID參數(shù)。,02:04,如果記錄曲線突變，記錄指針在最大或最小位置時，故障多半出自儀表。（因?yàn)楣に噮?shù)一般是緩慢變化的，并且有一定規(guī)律性。） 如果記錄曲線呈直線不變，或者記錄曲線原來是波動的，突然變成一條直線。也可判斷故障一般出自儀表，因?yàn)楣に噮?shù)一般會變化。 （可以人為改變某一參數(shù)，觀察一下被控變量的變化情況，如果仍舊不變，可判斷儀表出了故障。） 如果記錄曲線一直正常波動，但記錄曲線逐步變得無規(guī)則，或者系統(tǒng)慢慢變得難以控制，甚至手動控制也難以實(shí)現(xiàn)。此類故障一般出自工藝故障。,常見故障,教材P188,