第六章-简单控制系统

第六章简单控制系统基本要求1．了解简单控制系统的结构、组成及作用。2．掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则。3．了解各种基本控制规律的特点及应用场合。4．掌握控制器正、反作用确定的方法。5．掌握控制器参数工程整定的方法。第一节简单控制系统的结构与组成简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器（控制阀）所组成的闭环控制系统。简单控制系统实例液位控制系统压力控制系统温度控制系统共同特点，它们都包含有一个被控对象（由工业设备及相关的管道组成）、一个测量变送器、一个执行装置、一个调节器，采用负反馈控制原理，克服扰动因素对被控变量的影响，实现被控变量的定值或随动跟踪控制。由于其结构简单、目标单一被称为简单控制系统。简单控制系统结构图6-3简单控制系统方框图在工业生产实践中，简单控制系统得到广泛应用，有超过70％的控制系统采用简单控制系统，同时它也是设计复杂控制系统的基础。第二节简单控制系统的设计一、被控变量的选择工艺过程的重要参数；在工艺系统中易受干扰变化，需要经常调节的参数；尽可能选用直接指标作为被控参数，必要时可用与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。被控变量应方便检测，并有足够的灵敏度；适当考虑系统测控代价；被控变量应是独立可控的。直接指标控制和间接指标控制根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制形式：直接指标控制和间接指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则称为直接指标控制。如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的监测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。被控变量选择举例选择被控变量的原则：①被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。②被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持被控变量的恒定，需要较频繁的调节。③尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。④被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。⑤选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。⑥被控变量是独立可控的。二、操纵变量的选择操纵变量：在自动控制系统中，用于调节被控变量的参数，称为操纵变量。操纵变量的选择原则：操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；操纵变量应具有较高的调节灵敏度：控制通道较大的放大倍数K0；控制通道较短的滞后时间。符合工艺的合理性和生产的经济性。怎样选择操纵变量？对象特性对选择操纵变量的影响操纵变量与干扰变量作用在对象上，对会引起被控变量变化的。如右图所示，干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。对象静态和动态特性的影响1）对象静态特性的影响控制通道的放大系数大些，控制作用强些。干扰通道的放大系数越小越好，减小干扰变量的影响，使过渡过程的超调量变小。2）对象动态特性的影响①控制通道时间常数的影响；②控制通道纯滞后的影响；③干扰通道时间常数的影响；④干扰通道纯滞后的影响。oKfKof操纵变量的选择原则：①操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。②操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。③在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。三、测量元件特性的影响测量、变送装置是控制系统中获取信息得装置，也是系统进行控制的依据。所以，要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。测量不准确或不及时，会产生失调或无调，影响之大不容忽视。1、测量元件的时间常数测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，因而造成测量滞后。2、测量元件的纯滞后当测量存在纯滞后，也和对象控制通道存在纯滞后一样，会严重地影响控制质量。3、信号的传送滞后信号传送滞后通常包括测量信号传送滞后和控制信号传送滞后两部分。测量信号传送滞后是指由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。控制信号传送滞后是指由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。四、控制器控制规律的选择在选择控制器时，不仅要确定控制器的控制规律，而且要确定控制器的正、反作用。1、控制规律的确定位式控制（双位控制）比例控制（P）积分控制（I）微分控制（D）P、I和D的组合形式：PI、PD和PID2、控制器正、反作用的确定控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。作用方向：指输入变化后，输出的变化方向。测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。执行器，它的作用方向取决于是气开阀（正）还是气关阀（负）。控制对象的作用方向随具体过程而不同。举例控制器的“正作用”和“反作用”第三节控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定就是选择适宜的比例度（放大倍数Kp）、积分时间Ti和微分时间TD。控制器的整定可以采用两种方法：理论计算法：通过理论计算，寻找最佳参数；工程整定法：通过实际试验或经验规律选择控制参数。单回路简单控制系统，一般希望过渡过程呈4：1或10：1的衰减震荡过程。一、临界比例度法具体方法：1.在纯比例控制（Ti=，TD=0）条件下通过试验获得临界比例度K和临界震荡周期Tk；2.再根据经验公式计算实际参数值、Ti、TD。使用条件：临界比例法广泛应用于放大倍数较小，即控制器输出范围较小的系统；使用临界比例法必须是工艺系统允许短时间震荡的情形。二、衰减曲线法具体方法：1.在纯比例控制（Ti=，TD=0）条件下通过试验选择适宜的比例度s使系统呈现4：1的衰减比；2.再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公式计算实际参数值、Ti、TD。使用条件：干扰作用不太频繁；干扰作用的规律性较强。三、经验凑试法具体方法：1.根据一般经验选择适宜的控制参数、Ti、TD；2.在实际运行过程中对参数进行适当的调整。使用条件：干扰作用频繁；干扰作用的规律性较差。整定的步骤有两种：1)先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”。2)经验凑试法还可以按下列步骤进行：先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如果引入微分作用，可取TD=(1/3~1/4)TI，然后对δ进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。对于温度系统：P(%)20-60,I(分)3-10，D(分)0.5-3.对于温度系统：P(%)40-100,I(分)0.1-1.对于压力系统：P(%)30-70,I(分)0.4-3.对于液位系统：P(%)20-80,I(分)1-5.参数整定找最佳，从小到大顺序查。先是比例后积分，最后再把微分加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢，积分时间往下降。曲线波动周期长，积分时间再加长。曲线振荡频率快，先把微分降下来。动差大来波动慢，微分时间应加长。理想曲线两个波，前高后低4比1。一看二调多分析，调节质量不会低。下节课：复习和答疑。