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第6章简单控制系统6.1简单控制系统的基本结构6.2简单控制系统设计的主要内容6.3简单控制系统的方案设计6.4元件特性对控制系统的影响6.5控制器的设计6.6控制器参数的工程整定6.7单回路控制系统的投运6.8简单控制系统的分析与设计6.1简单控制系统的基本结构图6-1简单控制系统的框图图6-2液位定值控制系统图6-3贮液槽加热系统6.2简单控制系统设计的主要内容1)首先对生产工艺过程作一个全面的了解，对工艺生产过程中所使用的各类型设备和其他辅助设备作一个系统的分析。2)根据生产工艺要求确定被控变量和操纵变量。3)根据系统的性能指标和生产工艺的特点确定调节阀的种类及规格。4)根据被控变量的特性及系统的反应速度等要求选择合适测量变送单元。5)研究被控对象、调节阀及检测元件的特性对控制质量的影响，选择合理的控制规律。6)确定控制器的正、反作用形式，以确保控制系统为负反馈系统。7)对控制器参数进行整定，以使控制系统能满足工艺指标的需求。6.3简单控制系统的方案设计6.3.1被控变量的选择6.3.2操纵变量的选择6.3.3放大系数、时间参数和滞后时间对控制质量的影响6.3.1被控变量的选择1)尽量选择直接参数作为被控变量，此时的控制过程更加清晰。2)选择间接参数时要保证其与直接参数有单值的函数关系。3)被控变量能够独立可控。4)选择的被控变量应该能够被方便地测量出，并且有足够的灵敏度。5)还应考虑工艺生产的合理性和国内外仪表的供应情况。图6-4锅炉液位控制系统图6-5甲醇精馏塔成分控制系统示意图6.3.2操纵变量的选择1)首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变。2)选择的操纵变量，其控制通道放大系数要大，这样对克服干扰较为有利。3)在选择操纵变量时，应使控制通道的时间常数适当小一些，而干扰通道的时间常数可以大一些。4)选择的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小，不会对其他控制系统的运行产生较大的影响。图6-6简单控制系统的控制通道和干扰通道的示意图图6-7一氧化碳变换过程示意图图6-8不同输入作用时的被控变量变化曲线6.3.3放大系数、时间参数和滞后时间对控制质量的影响1.放大系数对控制过程的影响2.时间常数对控制过程的影响3.滞后时间对控制过程的影响1.放大系数对控制过程的影响图6-9简单控制系统的分析简化框图2.时间常数对控制过程的影响图6-10不同时间常数下，系统的响应曲线3.滞后时间对控制过程的影响图6-11纯滞后对控制品质的影响示意图图6-12干扰通道纯滞后对控制品质的影响示意图6.4元件特性对控制系统的影响6.4.1测量元件时间常数对控制系统的影响6.4.2测量元件输出信号传递滞后对控制系统的影响6.4.3执行元件对控制系统的影响6.4.1测量元件时间常数对控制系统的影响图6-13测量元件时间常数对测量的影响6.4.2测量元件输出信号传递滞后对控制系统的影响1)尽量缩短信号传递的长度。2)采取气/电和电/气转换器，将气压信号变为电信号传递。表6-1气动传输管道的特性参数6.4.3执行元件对控制系统的影响1)等百分比特性阀门在其工作范围内，其放大系数是变化的，调节阀在小开度时，阀门的放大系数小，控制缓和平稳，调节阀在大开度时，阀门的放大系数大，控制及时有效。2)被控过程往往是一个非线性过程，选用等百分比调节阀，可以使系统总的放大系数保持不变或近似不变，能提高系统的控制质量。选择原则如下：1)考虑故障状态时的人身及设备安全问题：当控制系统发生故障时，调节阀的状态能确保人身和工艺设备的安全。2)考虑生产装置中物质的性质：当某些生产装置中的物质是易结晶、易凝固的物料时，调节阀应选用气关式。6.5控制器的设计6.5.1控制器控制规律的选择6.5.2控制器正、反作用的确定6.5.1控制器控制规律的选择1.比例控制规律(P规律)2.比例积分控制规律(PI规律)3.比例微分控制规律(PD规律)4.比例积分微分控制规律(PID规律)6.5.2控制器正、反作用的确定1)根据生产的安全原则确定调节阀的气开、气关形式，即确定执行器的正、反作用。2)根据被控对象的特性，确定其正、反作用形式。3)根据四个环节正、反作用的乘积为负的原则，确定控制器的正、反作用。表6-2控制系统组成环节作用方向的定义图6-14控制器正、反作用改变原理图6-15液位定值控制系统各环节的正、反作用6.6控制器参数的工程整定6.6.1临界比例度法6.6.2衰减曲线法6.6.3经验法6.6.1临界比例度法具体整定步骤如下：1)先将控制器的TI置于最大(TI=∞)，TD置于最小(TD=0)，调节δ至适当位置，待系统稳定后，将系统投入运行。2)将δ逐步减少(比例放大系数KP逐渐增加)，直至系统产生如图6-16所示的等幅振荡过程(也称临界振荡)，记录此时的临界比例度δk和临界周期Tk。3)根据δk和Tk，并结合表6-3给出的经验公式，计算出控制器的具体参数值。4)将计算所得δ、TI、TD之值设定在控制器上，按照“先P后I最后D”的步骤投入运行，然后观察运行曲线，如不理想，可再对参数进行适当调整。在应用临界比例度法整定控制器参数时还需注意以下几点：1)工艺上不允许出现等幅振荡的系统不能应用该方法进行参数整定。2)对于临界比例度很小的系统不使用，因为比例度小，意味着调节阀不是全开就是全关，被控变量容易超出允许的范围。3)在某些情况下，即使将比例度调至最小，系统仍然不能出现等幅振荡，此时就可将最小的比例度认为是临界比例度。图6-16临界振荡过程例6-1采用临界比例度法整定某控制系统时，通过观察得到临界比例度δk=50%，临界周期Tk=5min，试确定控制器采用P、PI和PID控制规律时的各自参数。解：已知δk=50%，Tk=5min，利用表6-3所示的计算公式可分别求得在P、PI和PID控制规律时的参数如下：表6-3临界比例度法参数整定计算公式6.6.2衰减曲线法衰减曲线法的具体步骤如下：1)先将控制器的TI置于最大(TI=∞)，TD置于最小(TD=0)，调节δ至适当位置，待系统稳定后，将系统投入运行。2)将δ逐步减少(比例放大系数KP逐渐增加)，直至系统产生如图6-17所示的4∶1衰减曲线(对于10∶1衰减曲线法则需要产生如图6-18所示的10∶1衰减曲线)，记录此时的比例度δs和衰减振荡周期Ts(对于10∶1衰减曲线法则需要记录曲线达到第一个波峰时的响应时间Tr)。3)根据δs和Ts(或Tr)，并结合表6-4(对于10∶1衰减曲线法使用表6-5)所示的经验公式计算出控制器的具体参数值。4)将计算所得δ、TI、TD之值设置在控制器上，按照“先P后I最后D”的步骤投入运行，然后观察运行曲线，如不理想，可再对参数进行适当调整。6.6.2衰减曲线法在使用衰减振荡法整定控制器参数时需注意以下两点：1)对于大多数控制系统，4∶1衰减过程被认为是最优的衰减过程，如4∶1衰减过程不能满足衰减的速度，可以采用10∶1衰减过程。2)对于反应较快的系统，如流量、管道压力及小容量的液位控制等，要记录4∶1的衰减曲线比较困难，一般以被控变量来回波动两次到达稳定作为4∶1衰减过程。图6-174∶1衰减曲线图6-1810∶1衰减曲线表6-44∶1衰减曲线法参数整定计算公式表6-510∶1衰减曲线法参数整定计算公式6.6.3经验法具体步骤如下：1)先将控制器的TI置于最大(TI=∞)，TD置于最小(TD=0)，按照经验设定δ后(见表6-4)，将系统投入运行，观察系统的响应曲线，如曲线的超调量大，且趋向非周期过程，减少δ；若曲线振荡频繁，增大δ。2)固定δ，按照表6-4所列参数设置好TI后，投入积分作用，观察系统的响应曲线，如曲线的波动较大，减少TI，若曲线偏离给定值后长时间不回来，增加TI，直至获得较好的过渡过程曲线。3)固定δ和TI，按照表6-4所列参数设置好TD后，投入微分作用，观察系统的响应曲线，如曲线超调量大而衰减慢，增大TD，若曲线振荡得厉害，减少TD。在使用经验法整定控制器参数时需注意以下几点：1)一定要遵循“先P后I最后D”的步骤将控制器参数投入运行。2)对于同一个控制系统，不同的人可能会得到不同的控制器参数。3)待曲线稳定后，才能进行控制器参数的调整。6.7单回路控制系统的投运1.准备工作2.系统投运6.8简单控制系统的分析与设计6.8.1蒸汽加热、物料温度控制系统的分析与设计6.8.2喷雾式干燥设备控制系统的分析与设计6.8.3精馏塔控制系统的分析与设计6.8.1蒸汽加热、物料温度控制系统的分析与设计1.生产工艺简介2.系统设计1.生产工艺简介图6-19蒸汽加热系统示意图2.系统设计(1)被控变量与操纵变量的选择(2)过程检测控制仪表的选用(3)控制器参数整定6.8.2喷雾式干燥设备控制系统的分析与设计1.生产工艺概况2.控制方案的设计3.控制器参数整定2.控制方案的设计(1)被控参数的选择(2)控制参数的选择(3)检测控制仪表的选择(1)被控参数的选择图6-20乳化物干燥过程工艺流程图(3)检测控制仪表的选择图6-21温度控制系统及其框图a)控制系统流程图b)控制系统组成框图6.8.3精馏塔控制系统的分析与设计1.精馏塔的工艺指标及扰动分析2.精馏塔的控制方案1.精馏塔的工艺指标及扰动分析(1)工艺指标(2)扰动分析图6-22精馏塔的物料流程图2.精馏塔的控制方案存在三种可能：1)工艺上对塔顶产品的成分有严格的控制要求，而塔底产品成分只要保持在一定范围内就可以了。2)工艺上对塔底产品的成分有严格的控制要求，而塔顶产品成分只要保持在一定范围内就可以了。3)工艺上对塔顶和塔底产品分别需要满足一定品质指标。三种具有代表性的控制方案：(1)塔顶产品成分的控制方案(2)塔底产品成分的控制方案(3)塔底塔顶产品成分同时控制的方案图6-23塔顶产品成分控制方案图6-24塔底产品成分控制方案图6-25基于独立双单回路控制系统的塔底、塔顶产品成分控制方案图6-26回流量和蒸汽量对塔顶和塔底产品质量影响的耦合关系图6-27基于解耦控制的塔底、塔顶产品成分控制方案图6-28系统在单位阶跃作用下的过渡曲线图6-29贮液槽加热系统图6-30锅炉汽包液位控制系统