第4章-简单控制系统概要

第四讲简单控制系统简单控制系统简单控制系统（单回路控制系统）由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。TC冷流体载热体TT换热器简单温度控制系统温度控制系统方框图)(sGv)(sGo)(sGm)(sR)(sE)(sGc)(sQ)(sY)(1sF)(sFn简单控制系统的设计原则被控变量的选择操纵变量的选择测量变送器执行器的选择原则控制器设计简单控制系统设计实例简单控制系统的设计原则被控变量的选择方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参数。方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化率等。简单控制系统的设计原则被控变量的选择实例氨合成塔控制合成塔中进行的化学反应QNHHN32223LTTM催化剂层深度与温度关系催化剂层深度合成塔内温度热点要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求简单控制系统的设计原则被控变量的选择原则1.选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2.当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。⑴满足工艺的合理性⑵具有尽可能大的灵敏度且线性⑶测量变送装置的滞后小。简单控制系统的设计原则操纵变量的选择被控变量（输出量）扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数简单控制系统的设计原则对象静态特性对控制质量的影响设：控制通道放大倍数为Ｋ0扰动通道放大倍数为ＫfＫＯ的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度Ｋf的大小表征了扰动对被控变量的影响程度小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数Ｋ0希望适当大些，以使控制通道灵敏些。简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（一）设:扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf对扰动通道特性的影响ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（二）设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间为τo时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡时间增长纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。简单控制系统的设计原则操纵变量的选择原则⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。回忆：测量变送单元作用被控对象测量变送控制器执行器被控变量设定值扰动简单控制系统的设计原则简单控制系统的设计原则检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号(0-10mA,4-20mA,1-5V电流或电压信号，0.02-0.1MPa气压信号）传感器变送器过程变量位移、压力差压、电量等标准信号传感器：是过程控制系统中的检测部件，它感受被测量参数的变化，并将其转化成相应的电信号。变送器：是将检测部件测量输出的信号转化成标准统一信号的仪表。检测元件和变送器选择原则准确：正确反映被控或被测变量，误差小迅速：及时反映被控或被测变量的变化可靠：在环境工况下长期稳定运行检测变送环节数学描述：一阶时滞环节()1mmmmKGSeTS减小时间常数Tm措施：检测点位置的合理选择；选用小的惯性检测元件；缩短气动管线长度，减小管径；选用继电器等放大元件等；合理选择微分单元；测量变送问题----纯滞后简单控制系统的设计原则电极酸槽LCACl1中和槽l2τ=2211vlvl1l、2l为主管道，分管道的长度1v2v为主管道，分管道流体的流速测量元件的安装位置简单控制系统的设计原则测量变送问题----传递滞后⑴尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过300m，管径应大于６mm。或在气路60m距离间加气动继动器，提高气信号传输功率，减小传输时间。⑵采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。信号传递过程中引起的滞后克服传递滞后采取以下措施：简单控制系统的设计原则回忆：执行器的作用被控对象测量变送控制器执行器被控变量设定值扰动简单控制系统的设计原则执行器的选择原则1.控制阀结构类型及材质的选择。2.控制阀气开、气关形式的选择。3.控制阀流量特性的选择。4.控制阀口径大小的选择。作用：接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调节阀）的流通截面积，以改变操纵变量的大小（流量），从而实现对过程参数的自动控制。执行器执行机构调节机构（调节阀）组成：气动执行器、电动执行器、液动执行器执行器根据动力能源形式的不同，分三大类：气动执行仪表：（以压缩空气为能源）电动执行仪表：（以电为能源）液动执行仪表：（以高压液体为能源）特点：结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆。优点：能源取用方便，信号传输速度快，传输距离远，便于信号处理。缺点：结构复杂，推力小，不太适用于防爆场合（Ⅲ型仪表已采用了安全防爆措施）。优点：推力最大，动作可靠，精度高。缺点：高压液源价格高。信号：过程控制仪表均采用统一、标准的联络信号对气动控制仪表：国际统一使用0.02～0.1MPa的模拟气压信号。对电动控制仪表：国际电工委员会（IEC）规定Ⅱ型电动仪表：0～10mA(DC)Ⅲ型电动仪表：4～20mA(DC)和1～5V(DC)气动执行机构的正作用和反作用：正作用：当输入气压信号增加时，执行机构的阀杆向下移动；反作用：当输入气压信号增加时，执行机构的阀杆向上移动；正装阀与反装阀气开阀与气关阀有气则开”。时，阀开始打开，即“当信号压力MPap02.0气开式：关”。反而关小，即“有气则当信号压力增大时，阀气关式：执行机构有正、反两种作用方式，控制阀也有正反两种作用方式，因此实现调节阀气开、气关的四种方式：气开、气关方式的选择原则：保证工艺生产的安全。即：当气源一旦中断时，阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备和人身安全的原则而定。冷水阀：燃料阀：气关式气开式以加热炉为例（见右图）保证产品质量。即：当信号压力源一旦中断时，不降低产品的质量。控制器设计回忆：控制器作用被控对象测量变送控制器执行器被控变量设定值扰动控制器设计控制器正反作用控制器规律控制器参数整定控制器正反作用确定方块图中各环节的增益都有正、负之分，如控制阀有气开、气闭之分，控制器有正、反作用，对象也有正、负，即操作量增加使被控变量增加的为正，反之为负。控制器正反作用控制阀气开、气关作用选择采用气开作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越大，而在失气时则全关。采用气关作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越小，而在失气时则全开。控制器正反作用选择根据控制阀的气开、气关形式和对象的放大倍数决定控制器正、反作用方式，即使乘积为正。当被控对象受扰动影响输出上升（下降）时，控制器是反作用时，输出减小（增加）；控制器为正作用时，输出增加（减小）。cvpmKKKK控制器设计控制器正反作用控制器规律控制器参数整定基本控制规律概述控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：式中e—偏差Xi—被控变量的测量值Xg—被控变量的给定值控制器的输出信号是相对于控制器输入信号e的输出的变化量Δy。如果被控变量y与输出u的变化方向相同，则称控制器为正作用控制器；反之，如果被控变量y与输出u变化方向相反，则称控制器为反作用控制器。控制规律概述PID控制器的一般形式为：△y＝f(e)几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：eKyP比例作用（P）)1(0edtTeKytIP比例积分作用（PI）)(dtdeTeKyDP比例微分作用（PD）)1(0dtdeTedtTeKyDtIP比例积分微分作用（PID）KP—控制器的比例增益；TI—控制器的积分时间；TD—控制器的微分时间；控制规律的表示形式e△yKPett式中△y-为控制器的输出;e-为控制器的输入;KP为比例增益，表征比例控制作用的强弱程度。比例控制器的阶跃响应特性PID控制规律对控制过程的影响比例控制规律对控制过程的影响比例控制的输出与输入的关系为△y＝KPe通常习惯用比例增益的倒数即比例度表示控制器的输入与输出之间的比例关系以及比例作用的强弱。比例度可表示为δ=1/KPδ越大，比例控制作用越弱，δ越小，比例控制作用越强。比例度对控制过程的影响比例度的选择原则:若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。()cK：控制作用增强，上升速度快但过小，容易引起振荡，甚至导致闭环不稳定。()cK随着的增大，余差将减小，但不会完全消失。属于有差调节。dteTytI01积分作用数学表达式为PID控制规律对控制过程的影响比例积分控制规律对控制过程的影响tte△y式中TI是积分常数，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。积分作用能够消除余差与比例控制相比，积分控制过渡过程比较缓慢PID控制规律对控制过程的影响在阶跃信号作用下（幅值为A)ATtKAKATtKyIPPIP)1(PI输出响应由比例和积分两部分组成当t=TIΔy=2KPA)1e(K0PdteTytIPI控制器的输出随时间变化的表达式为t△yI=△yPt△ypPe△yTI由此可确定积分常数。积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。积分时间对过渡过程的影响左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线３可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。相比之下，曲线２就比较理想。IT消除余差降低了系统的稳定性积分控制作用有利于，但，特别是当比较小时，稳定性下降更为严重。理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。et0t0∞ttdtdeTyDPID控制规律对控制过程的影响比例微分控制规律对过渡过程的影响比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正比。微分时间越长，微分作用越强。微分时间对PID控制器而言，当积分时间TI→∞时，控制器呈PD控制特性。此时输出与输入的关系如式所示。tet△y理想PD控制器的阶跃响应曲线比例微分控制规律PID控制规律对控制过程的影响微分时间对过渡过程的影响PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。PD控制不足之处：一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。提高系统的稳定性，抑制振荡、抑制超微分能够，且偏差变化越快，微分校正调作用越强。PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消