第4章简单控制系统实验

1第4章简单控制系统实验目录4.1基本知识4.2物理仿真实验4.3基于MATLAB的数字仿真实验4.4基于组态软件和OPC技术的数字仿真实验2简单控制系统是最基本的，约占目前工业控制系统的80%以上。即使是复杂控制系统也是在简单控制系统的基础上发展起来的。至于高等过程控制系统，往往把它作为最底层的控制系统，例如流量跟随系统等。因此，学习和掌握简单控制系统是非常重要的。34.1.1简单控制系统的设计简单控制系统通常是指仅由一个被控对象、一个检测变送元件装置、一个执行器和一个控制器所构成的一个闭合回路的控制系统，它又称单回路控制系统或单参数控制系统。4.1基本知识41)被控变量的选择一个过程控制系统，尽管影响正常操作的因素很多，但并非所有影响因素都要加以自动调节。选择被控变量是设计控制系统中的关键步骤，对于提高产品的质量和产量、稳定生产、节能环保、改善劳动条件等都是非常重要的。如果被控变量选择得不合适，则系统不能很好地控制，先进的生产设备和控制仪表就不能很好地发挥作用。被控变量也是工业过程的输出变量，选择的基本原则为：1.被控变量和操作变量的选择5①选择对控制目标起重要影响的输出变量作为被控变量；②选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；③在以上前提下，选择与控制变量之间的传递函数比较简单、动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量；④有些系统存在控制目标不可测的情况，则可测量其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。62)控制变量当对象的被控变量确定之后，就需要选择合适的控制变量（也称为操作变量），以便被控变量在扰动作用下发生变化时，能够通过对控制变量的调整，使得被控变量迅速地返回原来的设定值上，从而保证生产的正常进行。控制变量为可由操作者或控制机构调节的变量，选择的基本原则为：①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量；②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制的动态响应较快；72.测量变送装置的选择1)测量变送装置的选择原则在自动控制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。其选型原则是：(1)可靠性原则可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定功能的能力。可靠性是测量仪表和传感器的最重要的选型原则。8(2)实用性原则实用性是指完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。(3)先进性原则随着自动化技术的飞速发展，测量仪表和传感器的技术更新周期越来越短，而价格却越来越低。在可能的条件下，应该尽量采用先进的设备。92)对测量变送装置的基本要求对测量变送装置的基本要求是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速指应能及时反映被控或被测变量的变化；可靠是检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行。为此需要考虑以下三个主要问题。(1)在所处环境下能否正常长期工作。(2)动态响应是否比较迅速。(3)测量误差是否满足要求。103.执行器的选择执行器是过程控制系统中的一个重要环节。控制系统的性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。执行器的作用是接受控制器送来的控制信号，通过对操纵变量的改变，来调节管道中介质的流量(即改变调节量)，从而实现生产过程自动化。在过程控制系统中，最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。调节阀包括执行机构和阀两部分。调节阀是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。11调节阀按其所用能源可分为气动、电动和液动三类。它们有各自的优缺点和适用场合。下面以气动调节阀为例介绍其选择原则。气动调节阀的选择的内容，包括气开与气关形式的选择、口径大小的选择、结构形式的选择以及流量特性的选择等。121)调节阀气开与气关形式的选择在调节阀气开与气关形式的选择上，应根据具体生产工艺的要求，主要考虑当气源供气中断或调节阀出现故障时，调节阀的阀位（全开或全关）应使生产处于安全状态。例如，进入工艺设备的流体易燃易爆，为防止爆炸，调节阀应选气开式。如果流体容易结晶，调节阀应选气关式，以防堵塞。通常，选择调节阀气开、气关形式的原则是不使物料进入或流出设备（或装置）。一般来说，要根据以下几条原则进行选择。13(l)首先要从生产安全出发。当出现气源供气中断，或因控制器故障而无输出，或因调节阀膜片破裂而漏气等故障时，调节阀无法正常工作以至阀芯恢复到无能源的初始状态（气开阀回复到全关，气关阀恢复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。例如，锅炉的汽包液位控制系统中的给水调节阀应选用气关式。这样，一旦气源中断，也不致使锅炉内的水蒸干。而安装在燃料管道上的调节阀则大多选用气开式，一旦气源中断，则切断燃料，避免发生因燃料过多而出现事故。14(2)从保证产品质量出发。当因发生故障而使调节阀处于失气状态时，不应降低产品的质量。例如，精馏塔的回流调节阀应在出现故障时打开，使生产处于全回流状态，防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量，因此，选择气关阀。(3)从降低原料、成品和动力的损耗来考虑。如控制精馏塔进料的调节阀就常采用气开式，一旦调节阀失去能源（即处于全关状态），就不再给塔进料，以免造成浪费。15(4)从介质的特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽调节阀一般选气开式，以保证在调节阀失气时能处于全关状态，从而避免蒸汽的浪费和影响塔的操作。但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料，调节阀则应选择气关式，以防调节阀失气时阀门关闭、停止蒸汽进入而导致再沸器和塔内液体的结晶和凝聚。当以上选择阀气开、气关形式的原则出现矛盾时，主要要从工艺生产的安全出发。当仪表供气系统故障或控制信号突然中断，调节阀阀芯应处于使生产装置安全的状态。当然电动调节阀开、关形式的选择原则与气动调节阀的选择原则完全一致。162)调节阀口径大小的选择调节阀口径的选择非常重要，它直接影响工艺生产的正常运行、控制质量及生产的经济效果。选择口径过小，则调节阀最大开度下达不到工艺生产所需的最大流量。选择口径过大，则正常流量下调节阀总是工作在小开度下，调节阀的调节特性不好，严重时可导致系统不稳定。另外还会增加设备投资，造成资金浪费。因此必须根据工艺参数认真计算口径，选择合适的调节阀。17目前选定调节阀口径的通用方法是流通能力法（简称C值法）。因此调节阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件（即给定的介质流量、调节阀前后的压差及介质的物性参数）进行流量系数C的计算，然后再按C值选择调节阀的口径，使得通过调节阀的流量满足工艺要求的最大流量且留有一定的裕量。183)调节阀流量特性的选择目前国产调节阀流量特性有直线、等百分比和快开三种。它们基本上能满足绝大多数控制系统的要求。快开特性适用于双位控制和程序控制系统。调节阀流量特性的选择实际上是指直线和等百分比特性的选择。选择方法大致可归结为理论计算方法和经验法两类。但是，这些方法都较复杂，工程设计多采用经验准则，即从控制系统特性、负荷变化和阀阻比S值大小三个方面综合考虑，选择调节阀流量特性。194)调节阀结构形式的选择结构形式的选择首先要考虑工艺条件。如介质的温度、压力(入口和出口压力)、比重、流量等；其次考虑介质的性质，黏性、腐蚀性和毒性等；还要考虑系统的要求，如可调比、噪声和泄流量等。一般情况下，应优先选用直通单、双座调节阀。直通单座阀一般适用于泄漏量要求小和阀前后压降较小的场合；直通双座阀一般适用于对泄漏量要求不严和阀前后压降较大的场合，但不适用于高黏度或含悬浮颗粒的流体。对于高黏度或含悬浮物的流体，气-液混相或易闪蒸的液体，以及要求直角配管的场合，可选用角形阀。对于浓浊浆液和含悬浮颗粒的流体及在大口径、大流量和低压降的场合，可选择蝶阀。三通调节阀既可用于混合两种流体，又可以将一种流体分为两股，多用于换热器的温度控制系统。隔膜阀具有结构简单、流道阻力小、流通能力大、无外漏等优点。广泛用于高黏度、含悬浮颗粒、纤维及有毒的流体。对于特殊工艺生产过程，还需选用专用调节阀。204.控制器的选型当对控对象、执行器和测量变送装置确定后，便可对控制器进行选型。控制器的选型包括控制器的控制规律和正反作用方式的选择两部分。1)控制器控制规律的选择在简单控制系统中，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。通常，选择PID控制器的调节规律时，应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。21对于由PID控制器和广义被控对象两大部分组成的简单控制系统。PID控制器的调节规律可以根据广义被控对象的特点进行选择，选择原则如下。(1)广义被控对象控制通道时间常数较大或容积滞后较大时，应引入微分作用。如工艺容许有残差，可选用比例微分控制；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分控制。如温度、成分、pH值控制等。)(sGc)(sGp22(2)当广义被控对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分控制。如管道压力和流量的控制。(3)广义被控对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例控制，如贮罐压力、液位的控制。(4)当广义被控对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统或先进控制系统。23最后指出，如果被控对象传递函数可用1)(TsKesGSp近似，则可根据对象的可控比τ／T选择调节器的动作规律。①当τ/T0.2时，选择比例或比例积分控制；②当0.2τ/T≤1.0时，选择比例微分或比例积分微分控制；③当τ/T1.0时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，应选用如串级、前馈等复杂控制系统。242)控制器正、反作用方式的选择简单控制系统由控制器、调节阀、被控对象和测量变送装置组成。为了能保证构成的简单控制系统是一种负反馈控制，系统的开环增益必须为负，而系统的开环增益是系统中各环节增益的乘积。显然，只要事先知道了执行器、被控对象和测量变送装置增益的正负，就可以很容易地确定出控制器增益的正负。25(1)被控对象正反作用方向的确定被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当该被控对象的输入信号（控制变量）增加时，若其输出信号（被控变量）也增加，即被控变量与控制变量变化方向相同，则该对象属正作用，增益为正，取“+”号；反之，则为负作用，增益为负，取“-”号。26(2)执行器正反作用方向的确定对于调节阀，其作用方向取决于是气开阀还是气关阀。当控制器输出信号（即调节阀的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，因而通过调节阀的流体流量也增加，故气开阀是正作用，增益为正，取“+”号；反之，当气关阀接收的信号增加时，通过调节阀的流体流量反而减少，所以气关阀是反作用，增益为负，取“-”号。27(3)测量变送单元正反作用方向的确定对于测量变送单元，其增益一般均为正，取“+”。因为当其输入信号（被控变量）增加时，输出信号（测量值）也是增加的。所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可以不考虑测量变送单元的作用方向，只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，也就是说使它们三者的开环增益之积为负，即可保证系统为负反馈。28(4)控制器正、反作用的确定为了适应不同被控对象实现负反馈控制的需要，工业PID控制器都有设置正、反作用的开关或参数，以便根据需要将控制器置于正作用或者反作用方式。对于一个工业生产过程的简单控制系统，它的系统原理图可表示为如图4-1所示的形式。29特别需要指出的是，在自动控制系统分析中，把系统偏差定义为e(t)=r(t)-ym(t)。然而在仪表制造行业中，却把偏差定义为e(t)=ym(t)-r(t)。两者尽管对偏差定义