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1、第七章 簡單控制系統(tǒng),第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,,,,第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,簡單控制系統(tǒng)： 由一個被控對象、測量變送器、控制器和執(zhí) 行器所組成的單回路負(fù)反饋控制系統(tǒng)。,液位控制系統(tǒng),確定合理的控制系統(tǒng)方案,根據(jù)工藝的要求 ：,設(shè)計內(nèi)容(本節(jié)講述主要內(nèi)容）,一、被控變量選擇；,二、操縱變量的選擇；,三、測量元件特性的影響；,四、控制器的選擇;,五、控制器參數(shù)的工程整定。,操縱變量的選擇；,,控制器的選擇；,一、被控變量的選擇,從生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的要求出發(fā)，找出對 產(chǎn)量、質(zhì)量、安全等方面起決定作用的變量。,1. 采用直接指標(biāo)
2、控制,直接指標(biāo)：指的是生產(chǎn)過程中的壓力、流量、 物位、溫度 等參數(shù)的測量控制。,直接指標(biāo)控制最直接，最有效。,2. 采用間接指標(biāo)控制,以蒸餾塔控制為例,1）精餾原理,2）精餾塔對自控的要求,要求苯、甲苯達(dá)到一定 的純度，因此，餾出物 的濃度XD應(yīng)作為被控變 量。,苯,甲苯,XD為被控變量，獲取測量信號尚有困難時，可以找出與XD有關(guān)的參數(shù)作為被控變量，進行間接指標(biāo)控制。,3）找出與XD有關(guān)的參數(shù),XD = f（TD，P）,（濃度與溫度和壓力有關(guān)）,當(dāng)壓力恒定時，即P = 常數(shù),XD = f（TD）,如圖所示 XD溫度越低 TD XD溫度越高 TD,測出溫度可以知道濃度。,,當(dāng)溫度恒定時，即T
3、D = 常數(shù),XD = f（P）,,如圖所示 XD壓力越高 P XD壓力越低 P,測出壓力可以知道濃度。,,4）考慮工藝的合理性,結(jié)論：固定壓力，選擇溫度為被控變量。,,,,5）考慮被控變量的 靈敏度。,6）考慮被控變量的 獨立性。,例如 造紙過程中的硫酸鹽法 蒸煮過程中，質(zhì)量指標(biāo)是漿料的硬度和強度，是間接指標(biāo)。,選擇被控變量的原則,1.能代表工藝的操作指標(biāo)，能反映工藝操作狀態(tài)。,2.被控變量在操作過程中經(jīng)常受到干擾影響，需 要頻繁控制的。,3.直接指標(biāo)無法獲得時，應(yīng)選與直接指標(biāo)有單值 對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。,4.間接參數(shù)能夠被測出，并有足夠的靈敏度。,5.考慮工藝過程的合理性
4、及儀表的現(xiàn)狀。,6.間接參數(shù)應(yīng)是獨立的。,二、操縱變量的選擇,干擾作用對被控變量的影響是使其偏離給定值。,操縱變量則是要克服干擾對被控變量的影響。,液位控制系統(tǒng),實現(xiàn)控制作用的操縱變量。即執(zhí)行器所控制的參數(shù)。,最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。,,,,,（ ）,（ ）,2. 對象特性對選擇操縱變量的影響,1）對象靜態(tài)特性的影響,放大系數(shù) ，是對象的靜態(tài)參數(shù)。, ：希望 值大一些好, 越大,表示控制作用 靈敏,抑制干擾的能力越強。但 太大會破 壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。, ： 無論對系統(tǒng)的靜態(tài)還是動態(tài)對控制質(zhì)量 都有害， 盡可能小。,2）對象動態(tài)特性的影響,（1）控
5、制通道時間常數(shù)T0 的影響,T0太大或太小都不利于提高控制質(zhì)量。,控制通道如果是一階環(huán)節(jié)，T0小，控制就靈敏。 但太小，控制作用過于靈敏易引起控制過程震蕩， 而不穩(wěn)定。,反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng),控制通道如果是二階環(huán)節(jié)，T0大，控制作用就 反應(yīng)遲鈍,過渡時間長，控制作用就弱。,希望T0適當(dāng)小，有利于克服 干擾縮短過渡過程的時間。,（2） Tf 對控制質(zhì)量的影響,希望Tf越大，對被控變量影響越小。,（3） 對控制質(zhì)量的影響, 控制通道滯后時間 的影響,如果控制通道 大，那么T0也大。因此， 對象較難控制。,,,,,控制通道 小為好,,,如圖 并不起作用。被控變量只是推遲 時間變化。, 在干擾通道
6、對控制質(zhì)量的影響,小結(jié)：,3. 越小越好, 對被控變量無影響。,2. 適當(dāng)小， 越大越好；,1. 適當(dāng)大， 越小越好；,操縱變量的選擇原則,1.工藝上要合理，除物料平衡調(diào)節(jié)外，一般避免 用主物料流量（生產(chǎn)負(fù)荷）作為操縱變量。,2.操縱變量應(yīng)有克服干擾影響的校正能力，控制 通道K0 （放大倍數(shù)）較大。,3.控制通道的動態(tài)響應(yīng)要較干擾通道的動態(tài)響應(yīng) 為快，滯后時間盡量小。,4.所選的操縱變量應(yīng)盡量是干擾點，遠(yuǎn)離被控變 量而靠近控制閥。,舉例,將濃縮乳液干燥成乳粉，生產(chǎn)上采用噴霧式干燥 設(shè)備。在一定的干燥溫度下獲得合格產(chǎn)品。,分析一下影響干燥器 溫度的因素。,1.乳化物流量Q1的改變將影響干燥筒溫度
7、。,2.鼓風(fēng)機風(fēng)量Q2的變化也將影響干燥筒溫度。,3.蒸汽壓力的變化將引起蒸汽流量Q3的變化將影 響干燥筒溫度。,Q1,Q2,Q3,第一種方案：乳化物流量Q1為操縱變量,考慮工藝的合理性。乳化物流量是生產(chǎn)負(fù)荷， 需要穩(wěn)定，不易作操縱變量。,根據(jù)操縱變量選擇原則進行分析：,第二種方案：空氣流量Q2為操縱變量,空氣量與熱風(fēng)混合通過風(fēng)管進入干燥器，較第一 方案控制通道滯后時間稍大, 靈敏度次之。,第三種方案：蒸汽流量Q3為操縱變量,控制通道很長，純滯后、容量滯后大，靈敏度差。 T0、0大，不易作操縱變量。,設(shè)計出以干燥器溫度為 被控變量，空氣流量為 操縱變量，溫度控制系統(tǒng)。,,方塊圖,,,,Q1,Q
8、3,三、測量變送環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響,1.測量元件安裝引起的純滯后,電極只能安裝在流速較小的支管道上，因此， 由測量元件安裝位置所引入的純滯后。,合理選擇測量元件的安裝地點，盡可能縮短 純滯后時間。,解決方法：,2.測量元件本身的測量滯后,測量元件本身時間常數(shù)Tm所引起的動態(tài)誤差。 （如測溫元件）,解決方法：,1）選擇快速測量元件（一般Tm<1/10TC為宜）；,TC：對象時間常數(shù),2）正確選擇安裝位置；,3）正確使用微分單元。,(a),(b),(c),我們分析加入微分單元后的情況：,在測量元件之后引入微分單元,用拉氏變換式描述各環(huán)節(jié),Km測量元件和變送器的放大倍數(shù)；,Tm、TD測量元件時間常
9、數(shù)、微分時間。,如果我們使Tm=TD,,,可以看出變送器的輸出與被控變量的變化成正比關(guān)系。,則,3.測量信號的處理,1)測量信號都要進行“濾波”處理： 測量元件本身的隨機波動特性或測量環(huán)境中的 電磁干擾所致不可避免地?fù)诫s一些隨機干擾,對 測量信號一般都要進 行“濾波”處理.,2)測量信號傳送產(chǎn)生的滯后: 指測量變送器的輸出信號傳輸?shù)绞覂?nèi)控制器，所 引起的滯后。,3)控制信號傳送產(chǎn)生的滯后: 指控制器的輸出信號傳輸?shù)浆F(xiàn)場的執(zhí)行器，所 引起的滯后。,,,,解決方法：,保證信號遠(yuǎn)距離傳輸時采用電信號傳輸。即將 電氣轉(zhuǎn)換器放在室內(nèi)?；虿捎秒姎忾y門定位器。,四、氣動執(zhí)行器的選擇,1.流量特性及結(jié)
10、構(gòu)形式的選擇（略）,2.氣開、氣關(guān)形式的選擇,從安全要求出發(fā)。當(dāng)氣壓信號中斷時，視調(diào)節(jié)閥處 在全開或全關(guān)哪一位置對生產(chǎn)造成的危害最小而定。,若對生產(chǎn)安全影響不大時，可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約 能源物料性質(zhì)等方面考慮。,五、控制器的設(shè)計,1. 控制器正反作用的選擇,控制器正反作用的選擇，使自動控制系統(tǒng)具有負(fù)反 饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此與各環(huán)節(jié)的工作方向有關(guān)。,定義各環(huán)節(jié)的作用方向：,測量變送器： 當(dāng)輸入增加時輸出也增加。為正作用方向。用 “+”號表示。,被控對象： 當(dāng)控制閥開大時，被控變量為增大變化時，為 正作用方向。用“+”號表示。反之用“-”號表示。,作用方向：指各環(huán)節(jié)輸入變化后，輸出的變化方向。
11、,控制閥： 氣開閥： 信號增大時閥開大,為正作用方向,用“+”號表示。 氣關(guān)閥： 信號增大時閥關(guān)小,為反作用方向,用“-”號表示。,控制器： 正作用控制器： 輸入偏差e增大時,輸出P增大,為正作用方向。 用“+”號表示。 反作用控制器： 輸入偏差e增大時，輸出P減少,為反作用方向。 用“-”號表示。,例：加熱爐出口溫度控制，確定控制器的正、反作用。,1.確定閥的氣開、氣關(guān)： 因爐溫不允許過高。所以一但信號中斷時閥應(yīng) 關(guān)死（信號=0）。所以選氣開閥。為“+”表示。,2.變送器：為“+”表示。,3.對象： 當(dāng)閥開大時被控變 量增大，作用方向 為“+”。,4.控制器：選反作用的
12、。,如果四項相乘為負(fù)值時，系統(tǒng)為 負(fù)反饋。,“正”,“正”,“正”,“反”,例：塔釜液位控制，確定控制器的正、反作用。,1.確定閥的氣開、氣關(guān)： 因塔釜液位不允許過低。所以一但信號中斷時閥 應(yīng)關(guān)死（信號=0）,所以選氣開閥。為“+”表示。,2.變送器：為“+”表示。,3.對象：當(dāng)閥開大時被控變 量減少,作用方向為“-”。,4.控制器：選正作用的。,“正”,“正”,“正”,“反”,（二）控制規(guī)律的選擇,根據(jù)對象的特性和工藝要求來決定選擇P、PI、PID。,1.比例控制器,適用于控制通道滯后較小, 負(fù)荷變化不大, 沒有 提出無差要求的系統(tǒng)。,2.比例積分控制器,適用于調(diào)節(jié)通道滯后較
13、小, 負(fù)荷變化不大, 不允許 有余差的控制系統(tǒng)。,3.比例積分微分控制器,適用于容量滯后較大, 負(fù)荷變化大, 調(diào)節(jié)質(zhì)量要求 高的系統(tǒng)。,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,工程整定的方法有兩種:理論整定法和工程整定法。,理論整定法:根據(jù)已知的廣義對象特性及控制質(zhì)量的 要求,通過理論計算出控制器的最佳參數(shù)。,工程整定法:在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中,通過實 驗和探索,來確定控制器的最佳參數(shù)。,控制器參數(shù)整定:確定最合適的TI和TD ,使控制 質(zhì)量為最佳。,控制器參數(shù)整定:確定最合適的、TI和TD ，使控 制質(zhì)量為最佳。,一、臨界比例度法,1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤?/p>
14、作用 （Ti=，TD=0位置上）。,,2.在干擾作用下，從大到小逐 漸改變比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn) 生等幅震蕩（即臨界振蕩） 這時的比例度是臨界比例度 ，周期 為臨界周期Tk 。,3.記下PB、Tk 然后按表中公式計算,4.將計算的參數(shù)投入到儀表中。然后看調(diào)節(jié)曲線， 調(diào)參數(shù),注意： 對于工藝上不允許有等幅震蕩的系統(tǒng)， 不能使用。, 對于臨界比例度小的系統(tǒng)，不能使用。,,二、衰減曲線法,通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減震蕩來整定控制器參數(shù)值。 具體作法：,1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)?純比例作用 （Ti=，TD=0位置上）。并將比例度放在（100%）,3.根據(jù)表中經(jīng)驗公式，計算出控制器的整定值。,2.
15、系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變給定值，加入干擾，觀察被控變 量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度直 至出現(xiàn)4:1衰減為止，記下此時比例度 ，衰減周 期TS。,,,3.根據(jù)表中經(jīng)驗公式，計算出控制器的整定值。,4:1衰減曲線,,4.如果是10:1衰減曲線方法同上，得到10:1衰減 曲線時，記下此時比例度 和最大偏差上升 時間Tr。 根據(jù)表中經(jīng)驗公式計算出 、Ti、TD。,,,5.將計算的參數(shù)投入到儀表中。然后看調(diào)節(jié)曲線， 調(diào)參數(shù)。,干擾幅值施加的不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)要求來定， 一般為額定值的5%。,對于反映快的系統(tǒng)如難以得到4:1曲線，以被控變 量來回波動兩次達(dá)到穩(wěn)定，就近似認(rèn)為4:1衰減曲 線。,優(yōu)點
16、：整定質(zhì)量較高，較準(zhǔn)確可靠安全應(yīng)用廣泛。,缺點：不適用于干擾頻繁，記錄曲線不規(guī)則的系統(tǒng)。,注意：,必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定時，才能施加干擾，否則得 不到正確的 S、 TS、 、Tr值。,三、經(jīng)驗湊試法,經(jīng)驗湊試法是工人師傅在長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的整定方法。有兩種方法。,第一種方法：,1.將Ti= ，TD=0。根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)選出合適的比例度， 系統(tǒng)自動運行。,2.改變比例度，取的較好的過程曲線。,,,,,0.5 - 3,3.將積分時間引入，整定 、Ti直到滿意曲線為止。,7- 4,第二種方法：,先按表中給出的范圍把Ti定下來，調(diào)整比例度大小， 湊到滿意的過渡過程為止。需要加微分作用時，可 取TD=(1/31/4)Ti。調(diào)整各參數(shù)，直到得到滿意曲 線為止。,優(yōu)點：簡單方便，應(yīng)用廣泛對于干擾頻繁的系統(tǒng)更 為合適。,缺點：質(zhì)量不一定高，花費時間多。,看曲線，調(diào)參數(shù)。,Ti小,PB小,TD大,PB大,Ti大,
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