仪表与自动化(何道清)(二版) 第7章 简单控制系统

第7章简单控制系统7.1简单控制系统结构与组成测量元件及变送器自动化装置自动控制器（调节器）自动控制系统（起控制作用）执行器（控制阀）被控对象受控制的物理装置（生产设备）（对象）图7-1液位控制系统图7-2温度控制系统7.1简单控制系统结构与组成1．简单控制系统结构与组成液位和温度控制系统的方块图：7.1简单控制系统结构与组成简单控制系统是由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个对象构成的单闭环控制系统。这是最基本、应用最广泛的控制系统，占实用控制系统的80%左右。图7-3简单控制系统方块图7.1简单控制系统结构与组成简单控制系统实例简单液位控制系统组成示意图7.2被控变量的选择1.自动控制的目的：使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上。生产过程中希望借助自动控制保持恒定值(或按一定规律变化)的变量称为被控变量。被控变量是“关键”变量。控制类型：直接指标控制被控变量本身就是需要控制的工艺指标，如物料平衡控制；间接指标控制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，作为间接控制指标，进行间接指标控制，如产品质量指标控制。7.2被控变量的选择2.被控变量的选择实例：精馏过程塔顶（或塔底）馏出物的组分xD（或xW）应作为被控变量，进行直接指标控制。但有困难！图7-4精馏过程示意图1-精馏塔；2-蒸汽加热器7.2被控变量的选择间接指标控制被控变量的选取图7-5苯-甲苯溶液的T-x图图7-6苯-甲苯溶液的p-x图7.2被控变量的选择3．被控变量选择的一般原则被控变量应能代表一定的工艺操作指标或反映工艺操作状态的重要变量；被控变量应是工艺生产过程中经常变化、需要频繁加以控制的量；被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，若无法获得直接控制指标信号，或其测量、传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；被控变量应是可测的，并具有较大灵敏度的变量；被控变量应是独立可控的；应考虑工艺的合理性与经济性。7.3操纵变量的选择1.操纵变量与干扰变量克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。引起被控变量波动的外界因素称为干扰变量（或干扰作用）图7-9干扰通道与控制通道之间的关系7.3操纵变量的选择2.操纵变量的选择实例：精馏设备被控变量选择：提馏段某塔板的温度T灵。图7-7精馏塔流程图7.3操纵变量的选择影响提馏段温度T灵的各种因素：可控因素：Q蒸、Q回Q蒸（操纵变量）；不可控因素：Q入、x入、T入、T回、p塔、T冷、…。图7-8影响提馏段温度的各种因素示意图7.3操纵变量的选择3．对象特性对操纵变量选择的影响对象静态特性的影响控制通道放大系数KC的影响——选择KC大的可控变量作为操纵变量；干扰通道放大系数Kf要小。对象动态特性的影响控制通道时间常数的影响——选择T小的可控变量作为操纵变量；控制通道纯滞后0的影响——选择0小的可控变量作为操纵变量；干扰通道时间常数Tf的影响——使Tf大些为好；干扰通道纯滞后f基本无影响。7.3操纵变量的选择图7-11干扰通道纯滞后f的影响图7-10纯滞后o对控制质量的影响干扰响应曲线操纵变量响应曲线7.3操纵变量的选择4．操纵变量的选择原则工艺上允许加以控制的可控变量；对被控变量影响较灵敏、及时的变量（放大系数Kc大、时间常数Tc小、纯滞后时间0小）；应考虑工艺的合理性与经济性。7.4测量元件特性的影响测量应准确、及时1.测量元件的时间常数Tm测量元件，本身具有一定的时间常数Tm，因而造成测量滞后，从而会引起控制滞后。图7-9测量元件时间常数的影响测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数T的1/10时，对系统的控制质量影响不大。7.4测量元件特性的影响2.测控元件的纯滞后测控元件的纯滞后，会严重地影响控制质量。测控元件的纯滞后有时是由于测量元件安装位置引起的。如图7-10所示。图7-10PH值控制系统示意图22110vlvl7.4测量元件特性的影响3.信号的传送滞后信号的传送滞后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现场测量变送器的信号传送到控制室的控制器所引起的之后。对于电信号，可以忽略不计；但对于气信号，存在一定滞后。控制信号传送滞后是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。对于气动薄膜控制阀，往往具有较大的容量滞后，会使得控制不及时，控制效果变差。一般气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm。7.5控制器控制规律的选择1.控制器控制规律的确定简单控制系统简化框图图7-14简单控制系统简化方块图工业上常用的控制器主要有三种控制规律：比例控制规律(P)；比例积分控制规律(PI)；比例积分微分控制规律(PID)。7.5控制器控制规律的选择比例控制器(P)控制规律：p=Kpe；可调参数：比例放大系数KP或比例度，它们之的关系：=1/KP（单元组合仪表）；比例控制器(P)特点：克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短，但它是“有差控制”；适用于通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。7.5控制器控制规律的选择比例积分（PI）控制器控制规律:可调参数：比例放大系数KP（或比例度）和积分时间TI。比例积分控制器（PI）特点：是“无差控制”，但超调量和周期相应较大，过渡时间也较长。适用于通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。edtTeKpIP17.5控制器控制规律的选择比例积分微分(PID)控制控制规律:可调参数：比例放大系数KP（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD。比例积分微分控制器(PID)特点：控制效果好。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。dtdeTedtTeKpDIP17.5控制器控制规律的选择2．被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向作用方向：输入变化后，输出的变化方向。自动控制系统中某环节：输入增加，输出也增加，该环节为“正”作用方向；输入增加，输出减小，该环节为“反”作用方向。7.5控制器控制规律的选择测量元件及变送器的作用方向：一般为“正”作用。被控对象的作用方向：当操纵变量增加（或减小）时被控变量也增加（或减小）的对象属于“正”作用；反之属于“反”作用。被控对象的作用方向由工艺机理确定。执行器的作用方向：“气开型”为正方向，“气关型”为反方向。执行器的作用方向由工艺安全条件确定。7.5控制器控制规律的选择控制器的作用方向：如果将控制器的输入量（偏差）定义为“偏差=测量值给定值”，那么当偏差增加时，其输出信号也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减少的控制器称为“反”作用控制器。注意：如果定义“偏差=给定值测量值”，则偏差增加，控制器输出减少，为“正”；偏差增加，控制器输出增加，为“反”。7.5控制器控制规律的选择或对自动控制系统给定值不变（定值控制系统）被控变量测量值增加，控制器输出增加，“正”；被控变量测量值增加，控制器输出减少，“反”。测量值不变（随动控制系统）给定值增加，控制器输出减少，“正”；给定值增加，控制器输出增加，“反”。7.5控制器控制规律的选择3.控制器正、反作用的选择自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环控制系统。控制作用对被控变量的影响与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回复到给定值。控制系统各环节（主要是控制器、执行器、对象三个环节）的作用方向应合理组合，才能使系统处于负反馈作用。7.5控制器控制规律的选择控制器正、反作用的选择步骤：首先，按生产过程工艺机理，由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的正、反作用方向；其次，由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式；最后，由对象、执行器、控制器三个环节作用方向组合为“反”来选择控制器的正、反作用。7.5控制器控制规律的选择例7-1:图7-11是一个的加热炉出口温度控制系统。工艺安全要求炉膛内温度不能过高。图7-11加热炉出口温度控制7.5控制器控制规律的选择图7-12所示的液位控制系统，工艺要求防止气源突然断气时，阀门自动关闭，物料全部流走。图7-12液位控制7.5控制器控制规律的选择控制器的正、反作用可以通过改变控制器上的正、反作用开关自行选择，如图7-13所示。图7-13控制器的正、反作用开关示意图7.6控制器参数的工程整定控制器参数的整定，就是根据已定的控制方案,确定调节器的最佳参数值（比例度、积分时间TI、微分时间TD），以便使系统能获得最好的控制质量。控制器参数的整定方法：理论计算法（少用）；工程整定法。7.6控制器参数的工程整定临界比例度法在纯比例（TI置“”位置，TD置“0”位置）运行下，通过试验（在阶跃干扰下，从大到小逐渐改变控制器比例度，直至系统产生临界等幅振荡，如图7-14所示），得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系(表7-1)，求出控制器各参数整定值。7.6控制器参数的工程整定表7-1临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度%积分时间TI/min微分时间TD/min比例比例+积分比例+微分比例+积分+微分2k2.2k1.8k1.7k0.85Tk0.5Tk0.1Tk0.125Tk图7-14临界振荡过程临界比例度法，方法简单，适用于比例度较大的一般控制系统。7.6控制器参数的工程整定衰减曲线法4:1衰减曲线在纯比例（TI置“”位置，TD置“0”位置）运行下，先将比例度预置较大的数值上，在系统达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观测被控变量记录曲线的衰减比，从大到小改变比例度，直至出现41的衰减比为止，见图7-15（a）。记录下此时的比例度s（称为4:1衰减度），并从曲线上得到衰减周期Ts。然后根据经验公式表7-2，求出控制器的参数整定值。7.6控制器参数的工程整定10:1衰减曲线同样，可得到10:1衰减曲线，见图7-15（b），记录下此时的比例度s和最大偏差时间（又称上升时间）T升，然后根据经验公式表7-3，求出控制器相应的参数整定值。衰减曲线法比较简单，适合于一般情况下的各种参数的控制系统。对于干扰频繁的系统不适用7.6控制器参数的工程整定表7-241衰减曲线法控制器参数计算表表7-3101衰减曲线法控制器参数计算表控制作用/%TI/minTD/min比例比例+积分比例+积分+微分s1.2s0.8s2Tr1.2Tr0.4Tr控制作用/%TI/minTD/min比例比例+积分比例+积分+微分s1.2s0.8s0.5Ts0.3Ts0.1Ts阶跃干扰作用7.6控制器参数的工程整定经验凑试法根据经验(表7-4)先设置调节器参数值，然后通过不断观测过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的调节参数值为止。经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”。经验凑试法很简单，应用广泛，特别是外界干扰作用频繁、记录曲线不规则的控制系统，这种方法最适合。但凭经验，具有一定主观性，整定费时。7.6控制器参数的工程整定表7-4控制器参数的经验数据表控制对象对象特性/%TI/minTD/min流量温度压力液位对象时间常数小，参数有波动，要大；TI要短；不用微分对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，应小；TI要长；一般需加微分对象容量滞后一般，不算大，一般不需加微分对象时间常数范围较大。要求不高时，可在一定范围内选取，一般不用微分40~10020~6030~7020~800.3~13~100.4~30.5~3第7章简单控制系统作业:(7-1)，7-2，(7-9)，7-12，7-13，7-14，7-15，7-16，7-18，7-19，(7-21)第7章简单控制系统第7章简单控制系统