过程控制工程第一章单回路控制系统

单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章1.1单回路系统的结构组成●单回路反馈控制系统四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀反馈控制中的最基本系统特点：简单、有效、应用最成熟、最普遍---占70%以上例2：水槽液位控制系统1.1单回路系统的结构组成F1增加→L增加→变送器输出信号增加→偏差（测量值-设定值）为正、增加→控制器输出减小→阀开度增加→F2增加→L降低；工作过程：F1F2LCF1F2A.C1.1单回路系统的结构组成控制器控制阀被控对象测量变送偏差给定测量液位●给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。●被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。●输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。1.1单回路系统的结构组成●控制系统的原理和作用（定值）●维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好●偏差控制：纠正偏差过程工业中，此类系统占大多数●按被控参数分类：温度控制回路、压力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章●控制系统的设计目标1.2被控变量的选择即，要控制什么基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）●分类1.2被控变量的选择直接控制最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数温度、压力、液位、流量间接控制质量指标，以及一些特殊的参数成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制1.2被控变量的选择例1：苯、甲苯二元精馏系统质量指标是最重要的控制参数如塔顶产品的纯度xD但xD目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。根据精馏原理，xD=f(TD,p),即与温度和压力成非线性函数关系。理论上，固定一项，就可用另一项控制xD。一般的，实际中都采用恒定p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。1.2被控变量的选择选择原则：（1）测量滞后P（2）工艺合理性T工艺合理性：①规定塔压稳定，保证分离度，保证效率②各块塔板压力恒定，XD与T有对应关系∴选择XD=F（T）PTfXD,050100%苯、甲苯百分含量（%）050100%DXTP一定T一定PDX1.2被控变量的选择●选择被控变量的原则（1）尽可能选择直接质量指标参数；（2）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好；（3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；（4）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。操纵变量的选择：（1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；（2）不止一个，重要因素单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●对象特性分析精馏塔:影响塔顶成分的有,温度、压力、进料流量、进料成分等对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（MIMO)F1F2FnY1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择设计单回路控制系统:必须从影响被控量的诸多影响参数中选择一个，作为操纵变量其它影响量则只能视作干扰量了控制：用操纵量克服干扰量对被控变量的影响F1(s)F2(s)U(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1(s)+GPD2(s)F2(s)1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择操纵量—输出：控制通道干扰量—输出：干扰通道干扰作用与控制作用相互对立而存在问题：如何选择一个良好的操纵变量。分析通道特性通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●干扰通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)GPC(s)Y(s)F(s)干扰作用下的闭环传递函数为：1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1）放大倍数Kf的影响结论：Kf越大，系统的余差也越大，控制质量越差Y()=Kf1+KCKo分析过程：Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)GPC(s)F(s)1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（2）时间常数Tf的影响结论：Tf越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统的动态偏差越小，控制质量提高干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3）纯滞后τf的影响结论：干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，只是滞后了干扰对控制的影响Y(s)=GPD(s)e-τs1+Gc(s)GPC(s)F(s)()()ytyt1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择干扰通道特性对控制质量的影响特性参数静态质量的影响动态质量的影响Kf增加余差增加无影响Tf增加无影响过渡过程时间减小，振荡幅值减小f增加无影响无影响1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●控制通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1）放大倍数K0的影响静态：控制通道放大倍数K0大，控制系统稳态余差小，见式（1-7）动态：控制系统衰减比ξ与Kc与K0的乘积有关，见式（1-18），且KcK0越大，ξ越小，稳定性差，因此，要保证KcK0=常数。在KcK0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，K0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望K0大些好1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（2）时间常数T0的影响从控制系统传递函数推导进行分析结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。一般希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3）纯滞后τ0的影响结论：纯滞后τ0的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，降低稳定性。控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●操纵变量的选择兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。实质上是决定了控制通道的选择。原则：（1）操纵变量必须可控（2）选择通道放大倍数相对大的（3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道时间常数大些）（4）选择通道的纯滞后尽量小（5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择控制通道特性对控制质量的影响图特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响K0增加余差减小（稳定前提下）系统趋向于振荡T0增加无影响过渡过程时间增加，系统频率变慢0增加无影响稳定程度大大降低单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章1.4控制阀的选择控制系统的执行部件接受控制器的命令执行控制任务。选择内容：口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式口径大小●●直接决定介质流过的能力1.4控制阀的选择通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。开闭形式●●气动控制阀：1.4控制阀的选择●电动控制阀：一般均为电开式（电机带动阀门）气开式—输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度增大；气闭式—输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度减小；控制阀的气开、闭形式的选择原则：●1.4控制阀的选择（1）安全角度：即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）如：锅炉燃气控制阀——气开式（2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量（3）消耗角度：原料、成品及动力消耗（4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要求时，可以任选1.4控制阀的选择流量特性●流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系Q/Qmax=f(L/Lmax)Q/Qmax相对流量f(L/Lmax)相对开度1.4控制阀的选择流量特性●目前控制阀的特性有三种：线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性L/LmaxF/Fmax一般的，生产负荷变化→对象特性发生变化如，热交换器：负荷（被加热的流体）增大：通过热交换器的时间缩短，纯滞后减小；特性改变流速增大，传热效果变好控制系统投运时，已经整定好了PID参数，一旦对象特性发生变化时，原来好的PID参数就变得不好了1.4控制阀的选择流量特性●●什么时候选择非线性特性？（1）选择自整定调节器，代价大（2）通过控制阀的特性选择进行弥补K∝1/K0G0如对象负荷静态部分K0与控制阀流量F成反比，对象负荷动态部分G0与控制阀流量F成正比，控制阀特性取线性；P15表1-1控制阀流量特性的选择课本P15分析的例子P16表1-2控制阀流量特性经验选择1.4控制阀的选择流量特性●解决办法：1.4控制阀的选择结构形式●直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、隔膜阀、三通阀适用于不同工艺场合表1-4ABC1.4控制阀的选择阀门定位器●控制阀的辅助装置接受控制器信号，输出控制控制阀作用：提高控制阀控制精度，准确定位；功率放大；可改变控制阀流量特性；可实现分程控制单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章1.5测量及传送滞后的影响及消除方法测量滞后的影响●●容量滞后：由于测量元件具有一定的时间常数，一阶惯性环节理论上讲，只有当过渡时间无限长时，输出才能达到稳态（等于工艺参数值）。因此，测量变送的输出一般小于工艺参数实际值，不利于系统控制测量变送装置的容量滞后对控制系统不利。1.5测量及传送滞后的影响及消除方法测量滞后的影响●●纯滞后：参数变化信号传递到测量点需要一定的时间使得广义对象中含有纯滞后环节，不利于控制，要尽量克服1.5测量及传送滞后的影响及