5简单控制系统的设计

第5章简单控制系统的设计本章要点1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤；2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则；3）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节规律的选择方法；4）掌握调节器作用方式的选择；5）熟悉执行器的选择方法及注意的问题；6）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重点掌握调节器参数的整定方法。单回路控制系统：由一个测量元件、一个变送器、一个调节器、一个执行器和一个对象组成的单闭环控制系统。也称简单控制系统。LTLICM对象5.1简单控制系统设计概述TTTICM冷液热液蒸汽对以上两个控制系统可用下述方框图表示：简单控制系统组成被控对象测量变送器控制（调节）器控制阀（包括执行器）简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图5.1.1控制系统设计的任务及其开发步骤简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成.过程控制系统设计的主要任务:确定合理的控制方案选择正确的参数检测方法与检测仪表过程控制仪表的选型调节器的参数整定过程控制系统开发的主要步骤：1.熟悉控制系统的技术要求或性能指标2.建立控制系统的数学模型3.确定控制方案4.根据系统的动态和静态特性进行分析与综合5.系统仿真与实验研究6.工程设计7.工程安装8.控制器的参数调整5.1.2设计中需要注意的有关问题1．认真熟悉过程特性2．明确各生产环节之间的约束关系3．重视对测量信号的预处理4．注意系统的安全保护控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期的效果。5.2控制方案的确定系统被控参数的选择测量信息的获取及变送控制参数的选择调节规律的选取调节阀（执行器）的选择调节器正、反作用的确定对于简单控制系统，控制方案的确定主要包括：5.2控制方案的确定2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素。对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数。5.2.1被控参数的选取被控参数选取的一般性原则：见P146当生产过程中有多个因素能影响被控量变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。通过正确选择控制参数，构成一个控制性能良好的过程控制系统，可有效克服扰动的影响。用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。5.2.2控制参数的选择扰动作用下系统的方框图对象扰动通道广义对象控制器fyyfxox控制参数选择的一般性原则：1)应使控制通道的静态增益0K尽可能大，时间常数0T选择适当。2)控制通道的纯时延时间0应尽可能小,0T0和的比值一般应小于0.3。3)干扰通道的静态增益fK应尽可能小；时间常数fT应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。4)当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。5)在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素。P149为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表，并注意以下问题：1)应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的测量误差，降低仪表的测量精度；2)对测量信号应进行滤波和线性化处理；3)对纯滞后要尽可能进行补偿；4)对时间常数Tm的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在系统设计时，可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节。5.2.3被控参数的测量与变送①测量元件时间常数（主要指测温元件时间常数）会造成测量滞后②测量元件纯滞后（主要由测量元件安装位置引起）例a：温度控制系统例b：PH值控制系统图(1)特点：输出信号在最大值和最小值两者间切换。(2)适用：允许被控量有持续的小幅度波动。(1)特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。(2)适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。位式控制：比例控制：调节规律的选择(1)特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。(2)适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。(1)特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。(2)适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。比例积分控制：比例积分微分控制：5.2.4调节规律对调节质量的影响及其选择常用的PID调节规律：）（dtdeTdedtTieKpy1PID调节规律特点综述：5.2.5执行器的选择1.执行器的选型首选气动执行器，其次是电动执行器。应根据生产过程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加以选择并且确定。2.气动执行器气开、气关的选择调节器输出信号为零时使生产处于安全状态；在保证安全的前提下，有利于节能、开车、停车等。3.调节阀尺寸的选择在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间，具体应根据实际需要的流通能力的大小进行选择。4.调节阀流量特性的选择通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统总的放大倍数近似线性的目的。5.2.6调节器正/反作用方式的选择把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型名称正/负正作用被控过程的静态增益Ko正正作用调节器的静态增益负气开式调节阀的静态增益正测量变送环节的静态增益正CKvKmK各类增益符号的选择：确定各调节器正负的基本原则:构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定调节器正、反作用类型的确定方法：vK的正负；然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定Ko的正负；最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定调节器CK正负，进而确定调节器的正反作用类型。5.3调节器的参数整定调节器参数整定的任务：根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度、积分时间以及微分时间的大小。ITDT在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。9.0~75.0参数整定的方法理论计算整定法工程整定法自整定法5.4单回路控制系统设计实例一、干燥过程的控制系统设计二、储槽液位过程控制系统的设计5.4.1干燥过程的控制系统设计工艺要求:由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。试验证明，若温度波动在±2℃以内，则产品质量符合要求。5.4.2贮槽液位过程控制系统的设计