化工儀表 及自動化 課件07 簡單控制系統(tǒng)

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1、第七章 簡單控制系統(tǒng)（4學時）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)的工程整定教學要求1.掌握簡單控制系統(tǒng)的組成；掌握簡單控制系統(tǒng)的組成；2.掌握被控變量的選擇方法及原則；掌握被控變量的選擇方法及原則；3.掌握操縱變量的選擇方法及原則，學會分析對象靜態(tài)、動態(tài)特掌握操縱變量的選擇方法及原則，學會分析對象靜態(tài)、動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響；性對控制質(zhì)量的影響；4.了解系統(tǒng)設(shè)計中的測量變送問題；了解系統(tǒng)設(shè)計中的測量變送問題；5.掌握控制器控制規(guī)律的選擇及控制器正反作用選擇；掌握控制器控制規(guī)律的選擇及控制器正反作用選擇；6.了解簡單控制系統(tǒng)的投運過程及參數(shù)整定方法；了

2、解簡單控制系統(tǒng)的投運過程及參數(shù)整定方法；7.通過簡單控制系統(tǒng)設(shè)計實例講解，掌握簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過簡單控制系統(tǒng)設(shè)計實例講解，掌握簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計。重 點：被控變量、操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇被控變量、操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇難 點：操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇操縱變量的選擇、控制器正反作用選擇知識點回顧知識點回顧控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器測量變送裝置測量變送裝置被控變量被控變量被控對象被控對象干擾干擾給定值給定值偏差偏差操操 縱縱變量變量o教學要求：了解分析簡單控制系統(tǒng)，學會分析其結(jié)構(gòu)與了解分析簡單控制系統(tǒng)，學會分析其結(jié)構(gòu)與組成。組成。第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組

3、成常見的簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)：是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。研究簡單控制系統(tǒng)的必要性o由于簡單控制系統(tǒng)是最基本、應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，因此學習和研究簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及使用是非常必要的。o同時，簡單控制系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，學會了簡單控制系統(tǒng)的分析，將會給復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究提供很大的方便。第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計1被控變量的選擇被控變量的選擇2操縱變量的選擇操縱變量的選擇3測量元件特性的影響測量元件特性的影響4控制器控制規(guī)律的選擇控制器控制規(guī)律的選擇 要設(shè)計好控制系統(tǒng)必須充分了解其相關(guān)的工藝過程、要設(shè)計好控制系

4、統(tǒng)必須充分了解其相關(guān)的工藝過程、工藝特點及對控制的要求！工藝特點及對控制的要求！一、被控變量的選擇o什么是被控變量？n被控變量是生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。o被控變量是工藝過程的重要參數(shù)；o在工藝系統(tǒng)中易受干擾變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的參數(shù)；o盡可能選用直接指標作為被控參數(shù)，必要時可用與直接指標有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標作為被控變量。o被控變量應(yīng)方便檢測，并有足夠的靈敏度；o被控變量應(yīng)是獨立可控的，以及需考慮控制代價。直接指標控制與間接指標控制o根據(jù)被控變量與生產(chǎn)過程的關(guān)系，可分為兩種類型的控制形式：直接指標控制和間接指標控制直接指標控制和間接指標控制。o如果被控變

5、量本身就是需要控制的工藝指標（溫度、壓力、流量、液位、成分等），則稱為直接指標控直接指標控制制。o如果工藝是按質(zhì)量指標按質(zhì)量指標進行操作的，照理應(yīng)以產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量進行控制，但有時缺乏各種合適的獲取質(zhì)量型號的監(jiān)測手段，或雖能檢測，但信號很微弱或滯后很大，這是可選取與直接質(zhì)量指標有與直接質(zhì)量指標有單值對應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快單值對應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量，如溫度、壓力等作為間接控制指標，進行間接指標控制。苯-甲苯精餾過程1.系統(tǒng)的工作目的？分離混合物的各組分，使其達到規(guī)定要求；分離混合物的各組分，使其達到規(guī)定要求；2.組分檢測是否困難：是；是；3.組分與哪些量有密切關(guān)系：溫度和壓力（關(guān)系圖）；4

6、.應(yīng)選擇何種間接控制變量？溫度；溫度；5.選擇溫度作為控制變量的合理性：（1）精餾過程中，壓力往往需要固定；）精餾過程中，壓力往往需要固定；（2）溫度和組分存在單值關(guān)系；）溫度和組分存在單值關(guān)系；（3）有足夠的靈敏度；）有足夠的靈敏度；易揮發(fā)組分苯濃度與溫度、壓力之間的關(guān)系易揮發(fā)組分苯濃度與溫度、壓力之間的關(guān)系選擇被控變量的原則：被控變量應(yīng)是關(guān)鍵關(guān)鍵變量。被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常需要較頻繁的調(diào)節(jié)。盡量采用直接指標直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標間接指標作為被控變量。被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏

7、度靈敏度。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。被控變量是獨立可控獨立可控的，否則需用復(fù)雜控制系統(tǒng)，且需增加解藕裝置。二、操縱變量的選擇o操縱變量操縱變量：在自動控制系統(tǒng)中，用于調(diào)節(jié)被控變量的參數(shù)，稱為操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有轉(zhuǎn)速、電壓等；o操縱變量的操縱變量的選擇原則選擇原則：v操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；v操縱變量應(yīng)具有較高的調(diào)節(jié)靈敏度：o較大的放大倍數(shù)放大倍數(shù)K0；o較短的滯后時間滯后時間。v符合工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng)濟性。怎樣選擇操縱變量？被控變量：被控變量：靈敏板的溫度靈敏板的溫度對象特性對選擇操縱變量的影響u操縱變量與干擾變量作用在對象上

8、，都會引起被控變量變化。u如右圖所示，干擾變量由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；操縱變量由控制通道施加到對象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。對象靜態(tài)和動態(tài)特性的影響o靜態(tài)：控制通道的放大系數(shù) 大些，控制作用強些。干擾通道的放大系數(shù) 越小越好，減小干擾變量的影響，使過渡過程的超調(diào)量變小。o動態(tài)：控制通道時間常數(shù)T的影響；控制通道純滯后 的影響；干擾通道時間常數(shù)Tf的影響；干擾通道純滯 后的影響。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè):擾動通道時間常數(shù)為f，純滯后為f 擾動通道特性的影響擾動通道特性的影響 ft0yft0

9、(1)(2)Tf1Tf2ff操縱變量的選擇原則：操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。三、測量元件特性的影響o測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息得裝置，也是系統(tǒng)進行控制的依據(jù)。o所以，要求它能正確地、及時地反映被控變量的狀況。o測量不準確或不及時，會產(chǎn)生失調(diào)或無調(diào)，影響之大不容忽視。1、測量元件的時間常數(shù)o測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數(shù)，因而造成測量滯后。2、測量元件的純滯后o當測量存在純滯后，也和對象控制通道存在純滯后一

10、樣，會嚴重地影響控制質(zhì)量。3、信號的傳送滯后o信號傳送滯后通常包括測量信號傳送滯后和控制信號傳送滯后兩部分。o測量信號傳送滯后是指由現(xiàn)場測量變送裝置的信號傳送到控制室的控制器所引起的滯后。o控制信號傳送滯后是指由控制室內(nèi)控制器的輸出控制信號傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器所引起的滯后。四、控制器控制規(guī)律的選擇o在選擇控制器時，不僅要確定控制器的控制規(guī)律，而且要確定控制器的正、反作用。o回顧一下基本控制規(guī)律對過渡過程的影響。1、控制規(guī)律的確定o位式控制（雙位控制）o比例控制（P）o積分控制（I）o微分控制（D）oP、I和D的組合形式：PI、PD和PIDP控制規(guī)律：o最基本的控制規(guī)律，抗干擾能力強，控制及時，過渡

11、時間短，但有余差。o適合控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控變量運行在一定范圍內(nèi)允許有余差的場合。o典型應(yīng)用：儲槽液位控制、精餾塔塔釜液位控制、壓縮機儲氣罐壓力控制等。PI控制規(guī)律：o在工程上應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能消除余差，但會導(dǎo)致穩(wěn)定性降低。增大比例度可保證穩(wěn)定性，但超調(diào)量和振蕩周期會相應(yīng)增大；o適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合，如某些流量、液位要求無余差的場合。PD控制規(guī)律：o微分具有超前控制作用，對具有容量滯后的過程控制通道，引入微分控制規(guī)律對改善系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有顯著的效果。o適用于控制通道的時間常數(shù)大或者容量滯后較大的場合

12、，如溫度和成分控制等。但對于純滯后較大，測量信號有噪聲或周期性干擾的系統(tǒng)，則不宜采用微分作用。PID控制規(guī)律：o是一種最理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。o適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場合。如溫度控制、成分控制?？刂埔?guī)律選擇的原則是：1.對于一些對象控制通道滯后較小，負荷變化不大，工藝要求又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面，以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。2.對象控制通道滯后較小，負荷變化不大，但不允許有余差的情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制系統(tǒng)往往采用PI控制器。3.當對象滯

13、后較大，如溫度、值等控制系統(tǒng)則需引入微分作用。一般在對象滯后較大，負荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時，可選用比例（P）積分（I）微分（D）控制器。4.當對象控制通道的滯后很小，采用反微分作用可以收到良好的效果。5.當對象滯后很大，負荷又變化很大時，PID作用控制器也不能解決問題，往往要設(shè)計某些復(fù)雜控制系統(tǒng)。2、控制器正、反作用的確定o什么是控制器的”正”、“反”作用？o當某個環(huán)節(jié)輸入增加時，輸出也增加，該環(huán)節(jié)稱為“正作用”方向；反之，稱為“反作用”。o如何確定控制器的“正”、“反”作用？o與執(zhí)行器、對象、測量變送作用方向組合，使得控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)的方塊圖簡單控

14、制系統(tǒng)的方塊圖o測量變送器：作用方向一般是“正”的；o被控對象：操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”的；隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”；o執(zhí)行器：作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥；氣開閥是“正”方向；氣關(guān)閥是“反”方向。執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)形式主要從工藝安全角度來確定?？刂葡到y(tǒng)各環(huán)節(jié)的正負選擇控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的正負選擇分析1熱電偶及變送器加熱爐氣開閥 TC分析2差壓式液位變送器儲液罐氣開閥 LC控制器的“正作用”和“反作用”第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定o控制器參數(shù)的工程整定就是選擇適宜的比例度（放大倍數(shù)Kp）、積分時間Ti和微分時間TD。o控制器的整定可以采用兩種方法：n

15、理論計算法：通過理論計算，尋找控制關(guān)系；n工程整定法：通過實際試驗或經(jīng)驗規(guī)律選擇控制參數(shù)。o簡單控制系統(tǒng)，一般希望過渡過程呈4：1或10：1的衰減震蕩過程。一、臨界比例度法o具體方法：1.在純比例控制（Ti=，TD=0）條件下通過試驗獲得臨界比例度K；2.再根據(jù)經(jīng)驗公式計算實際參數(shù)值、Ti、TD。o使用條件：n臨界比例法廣泛應(yīng)用于放大倍數(shù)較小，即控制器輸出范圍較小控制器輸出范圍較小的系統(tǒng)；n使用臨界比例法必須是工藝系統(tǒng)允工藝系統(tǒng)允許許短時間震蕩的情形。二、衰減曲線法o具體方法：1.在純比例控制（Ti=，TD=0）條件下通過試驗選擇適宜的比例度s使系統(tǒng)呈現(xiàn)4：1的衰減比；2.再根據(jù)所得的比例度和

16、衰減周期通過經(jīng)驗公式計算實際參數(shù)值、Ti、TD。o使用條件：n干擾作用不太頻繁；n干擾作用的規(guī)律性較強。三、經(jīng)驗湊試法o具體方法：1.根據(jù)一般經(jīng)驗選擇適宜的控制參數(shù)、Ti、TD；2.在實際運行過程中對參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整。o使用條件：n干擾作用頻繁；n干擾作用的規(guī)律性較差。整定的步驟有兩種：1)先用純比例作用進行湊試，待過渡過程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。按此順序觀察過渡過程曲線進行整定工作。v經(jīng)驗湊試法的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。2)經(jīng)驗湊試法還可以按下列步驟進行：先按表7-4中給出的范圍把TI定下來，如果引入微分作用，可取TD=(1/31/4)TI，然后對進行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。本章作業(yè):P166167o1、4、5、7、9、10、13、21