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化学工业出版社www.cip.com.cn化工仪表及自动化第七章简单控制系统化学工业出版社www.cip.com.cn内容提要简单控制系统的机构与组成简单控制系统的设计被控变量的选择操纵变量的选择测量元件特性的影响控制器控制规律的选择控制器参数的工程整定临界比例度法衰减曲线法经验凑试法1化学工业出版社www.cip.com.cn第一节简单控制系统的机构与组成2简单控制系统通常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。图7-1液位控制系统图7-2温度控制系统在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。说明化学工业出版社www.cip.com.cn第一节简单控制系统的机构与组成3图7-3简单控制系统的方块图从图中可知简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计一、被控变量的选择4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）的变量称为被控变量。被控变量的界定它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计被控变量的分类（按照与生产过程的关系）直接指标控制；间接指标控制。5化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计6图7-4精馏过程示意图1—精馏塔；2—蒸汽加热器图7-5苯-甲苯溶液的T-x图图7-6苯-甲苯溶液的p-x图举例化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。原因在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。7化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计8选择被控变量的原则（1）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，一般是工艺过程中较重要的变量。（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。（3）尽量采用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作为被控变量。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。（5）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。（6）被控变量应是独立可控的。9化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计二、操纵变量的选择101.操纵变量在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量。操作变量系统的干扰通过工艺分析确定化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计11举例图7-7精馏塔流程图如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计图7-8影响提馏段温度的各种因素示意图影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有：进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。12化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计132.对象特性对选择操纵变量的影响图7-9干扰通道与控制通道的关系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。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计（1）对象静态特性的影响一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通道的放大系数Kf小些。（2）对象动态特性的影响①控制通道时间常数的影响控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。14化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计15②控制通道纯滞后τ0的影响控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后τO对控制质量是有影响的。图7-10所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。图7-10纯滞后τ0对控制质量的影响在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯滞后时间τ0尽量小。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计16③干扰通道时间常数的影响干扰通道的时间常数Tf越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。④干扰通道纯滞后τf的影响如果干扰通道存在纯滞后τf，控制作用也推迟了时间τf，使整个过渡过程曲线推迟了时间τf，要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的，如图7-11所示。图7-11干扰通道纯滞后τf的影响化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计173.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。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。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计三、测量元件特性的影响18测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。1.测量元件的时间常数图7-12测量元件时间常数的影响测量元件，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，易造成测量滞后。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计19测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数的1／10时，对系统的控制质量影响不大。测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量与控制。结论化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计202.测量元件的纯滞后当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。图7-13pH值控制系统示意图有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。延迟时间τ022110vlvl这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化，因而降低了控制质量。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计213.信号的传送滞后信号传送滞后测量信号传送滞后控制信号传送滞后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。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。信号的传送滞后，应尽量减小。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计四、控制器控制规律的选择221.控制器控制规律的确定图7-14简单控制系统简化方块图（1）比例控制器比例控制器是具有比例控制规律的控制器。eKpP%1001PK对于单元组合仪表适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计控制器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。特点23化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计24（2）比例积分控制器比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。edtTeKpIP1可调整参数比例放大系数KP（或比例度δ）和积分时间TI。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计特点由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。25化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计26（3）比例积分微分控制器比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。dtdeTedtTeKpDIP1理想的三作用控制器，存在可调整参数比例放大系数KP（或比例度δ）、积分时间TI和微分时间TD。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计特点微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整δ、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。27化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计28目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间TD置于０，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间TI置于无穷大，便成了比例控制器。注意！化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计292.控制器正、反作用的确定控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。作用的方向输入变化后，输出的变化方向。正作用方向反作用方向当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计测量元件及变送器作用方向一般是“正”的。执行器作用方向取决于是气开阀还是气关阀。被控对象作用方向随具体对象的不同而各不相同。控制器当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。30化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计31在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件可以选定，而控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。结论化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计32举例一个简单的加热炉出口温度控制系统。对象加热炉操作变量燃料气流量被控变量被加热的原料油出口温度图7-15加热炉出口温度控制化学工业出版社www.cip.com.cn第二节简单控制系统的设计当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，故对象是“正”作用方向。如果从工艺安全条件出发选定执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执行器便是“正”作用方向。为了保证由对象