过程控制李国勇著第5章简单控制系统

1第5章简单控制系统目录5.1简单控制系统的分析5.2简单控制系统的设计5.3简单控制系统的参数整定5.4简单控制系统的投运5.5利用MATLAB对简单控制系统进行仿真本章小结2所谓简单控制系统，通常是指仅由一个被控过程（或称被控对象）、一个测量变送装置、一个控制器（或称调节器）和一个执行器（如调节阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。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，往往把它作为最低层的控制系统。35.1简单控制系统的分析5.1.1控制系统的工作过程锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生产中不可缺少的设备。保持锅炉汽包内的液（水）位高度在规定范围内是非常重要的：若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生事故；若水位过高，生产的蒸汽含水量高，会影响蒸汽质量。锅炉汽包液位是一个重要的工艺参数。4为了保持液位为定值，手动控制时有三步：①观察被控变量的数值，即汽包的液位；②把观察到的实际液位与设定值加以比较，根据两者的偏差大小或随时间变化的情况，做出判断并发布命令；③根据命令操作给水阀，控制进水量，使液位回到设定值。采用检测仪表、自动控制装置和被控的对象就组成了一个简单的过程控制系统，此时系统就成为自动控制系统。5锅炉汽包液位自动控制系统的工作过程。当该系统受到扰动作用：被控变量（液位）发生变化，通过液位测量变送仪表LT得到其测量值，并将其传送到液位控制器LC；在LC中，将被控变量（液位）的测量值与设定值比较得到偏差，对偏差经过一定的运算后，输出控制信号；控制信号作用于执行器（在此为调节阀），改变给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值。6过程控制系统的工作过程就是应用负反馈原理的控制过程。锅炉汽包液位控制系统用方框图表示，可得锅炉汽包液位控制系统的原理结构图，如图5-3所示。图5-3锅炉汽包液位控制系统的结构图锅炉汽包75.1.2简单控制系统的组成根据锅炉汽包液位控制系统的结构图，可得简单控制系统的结构图。将各个环节分别用传递函数描述后，可得简单控制系统方框图。图5-4简单控制系统的结构图8被控对象Go(s)、测量变送装置Gm(s)、执行器Gv(s)和控制器Gc(s)。被控过程的输出信号（被控变量）y(t)通过测量变送装置后将其变换为测量值ym(t)，并将测量值反馈到控制器的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值r(t)与测量值ym(t)的偏差e(t)，按照控制算法输出控制量u(t)；执行器根据控制器送来的控制信号u(t)，通过改变操纵变量μ(t)的大小，对被控对象进行调节，克服扰动d(t)对系统的影响，从而使被控变量y(t)趋于设定值r(t)。9得到简单控制系统的输出与输入的关系为当生产过程平稳运行时，D(s)=0。此时系统的主要任务是要求输出Y(s)能快速跟踪设定值R(s)，系统的输出Y(s)仅与设定值R(s)有关，即当设定值R(s)在一定时间内保持不变，即R(s)=0。此时系统的主要任务是克服扰动D(s)对输出Y(s)的影响，系统的输出Y(s)仅与扰动D(s)有关，即)()()()()(1)()()()()()(1)()()()(000sDsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsGsGsGsYmvcdmvcvc)()()()()(1)()()()(00sRsGsGsGsGsGsGsGsYmvcvc)()()()()(1)()(0sDsGsGsGsGsGsYmvcd10在简单控制系统分析和设计时，通常将系统中控制器以外的部分组合在一起，即被控对象、执行器和测量变送装置合并为广义被控对象，用表示，即因此，也可以将简单控制系统看成是由控制器和广义被控对象两大部分组成，如图5-6所示。图5-6由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统)(sGp)()()()(0sGsGsGsGmvp)(sGc)(sGp115.2简单控制系统的设计过程控制系统设计是过程工艺、仪表或计算机和控制理论等多学科的综合。在采用常规控制器的简单控制系统设计中，系统设计的主要任务是：被控变量和操作（或控制）变量的选择、建立被控对象的数学模型、测量变送装置和执行器的选型、控制器的设计。被控变量和控制变量的选择测量变送装置的选型控制器的设计125.2.1被控变量和操作变量的选择为了建立被控对象的数学模型，必须首先确定系统的被控变量和操作（或控制）变量。131被控变量的选择方法y(t)1）直接指标：对于以温度、压力、流量、液位为控制指标的生产过程，就选择对应温度、压力、流量、液位为被控变量。2）间接指标：若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）作为被控变量时，可选择一种间接的指标作为被控变量。该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系，并具有一定的控制灵敏度。14直接指标选择1、定义：直接反应工艺参数的指标。如加热炉：工艺要求控制加热炉出口温度，则温度作为被控变量。2、指标的选择（1）本身表征其质量指标的一个变量，应选用这个作为被控变量。如汽包对象：汽包液位H。15（2）表征其质量指标是两个以上变量，应根据自由度选择1：两个变量相互依赖如：密闭容器蒸汽（饱和蒸汽）压力P和温度TP0.951.01.11.512.0T97.699.1101.7110.8119.816①用物理化学中相律关系（自由度即独立变量）F=C-P+2F：自由度C：组分P：相数饱和蒸汽：P=2（液、气）C=1（组分水）F=1–2+2=1即可选一个变量为被控变量确定选一个变量为被控变量后应考虑：②从测量迟延考虑迟延小，动态跟踪快③从实施考虑简单可靠，易行172：两个变量是相互独立2个独立变量全部控制：汽包液位H，蒸汽温度T181、引入原因①无直接指标可以测量，信号微弱；②无合适的检测仪表。2、间接指标：与直接指标有单值对应关系，能反映直接指标的变量。间接指标选择19３、间接指标的选择：①能测量,并且测量迟延小；②有较大灵敏度,即对直接指标比较敏感；③工艺（手段、方法）合理。例：精馏塔顶馏出物成分控制：苯—甲苯二元成份控制20苯、甲苯二元系统成份控制原理：被控参数为苯-甲苯的浓度，难以测量塔顶产品气、液两相并存，苯-甲苯的浓度xD与塔体的温度TD、塔内压力p有函数关系：xD=f(TD,p)21020406080100苯含量（分子百分数）120110100908070温度塔压一定10008006004002000020406080100苯含量（分子百分数）塔压温度一定当控制系统中xD无法正常获取（不可测变量），温度TD或压力p与XD存在单值的对应关系，可选择温度TD或压力p作为被控变量。22TD,p中固定一个变量，可选择另一个作为间接指标，代替质量指标成为被控变量。在精馏操作中，一般希望保持塔压p不变，选用温度TD作为间接指标代替质量指标成为被控变量。能很好保证分离纯度以及塔的效率和经济性。1、直接指标：XD（塔顶产品纯度）2、间接指标：TD，与XD成单值对应关系23在情况许可时，应直接选择质量指标参数作为被控变量—直接参数。当不能选择质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量—间接参数；所选的间接指标参数必须有足够大的变化灵敏度，以反映质量指标的变化。小结:被控变量的选择原则24被控变量必须是独立的，相互关联的变量有关联关系控制。被控变量必须是可测量的，且要有足够的测量灵敏度，迟延要小。在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和测量仪表的现状及价格成本。252控制变量的选择-u(t)在自动控制系统中用来克服扰动对被控变量的影响，以实现控制作用的变量称为控制变量。)()()()()(sDsGssGsYdo26控制变量（操纵变量）的选择控制变量首先必须是可控的：即能够通过控制执行器改变控制变量，使得被控变量在工艺要求的范围内变化。有的系统输入量唯一，如锅炉汽包液位控制；有的可能有几个可供选择，如水槽水位控制-进水或出水流量。当有几个输入可以选择时,选择克服干扰能力最强,动态特性最好的输入作为控制变量。27◆干扰作用通过干扰通道使被控变量偏离给定值；◆控制变量通过控制通道克服干扰作用影响，对被控变量起主导作用，使被控变量维持在给定值。◆干扰或控制变量对被控变量的影响大小，由相对应通道的特性对控制质量的影响和输入大小决定。◆正确选择控制变量，就是正确选择控制通道的问题。控制变量与通道关系控制通道干扰通道2干扰通道128通过分析通道特性对控制质量影响选择通道特性对控制质量的影响：1、干扰通道特性对控制质量的影响；2、控制通道特性对控制质量的影响；29Y(s)=G0(s)U(s)+GD1(s)D1(s)+GD2(s)D2(s)Y(s)：系统的输出量G0(s)：控制通道传递函数U(s)：系统的控制变量D1(s)、D2(s)：系统的干扰量Gd1(s)、Gd2(s)：对应干扰量的干扰通道传递函数U(s)D1(s)D2(s)Y(s)Gd1(S)Gd2(S)Go(S)301、干扰通道特性对控制质量的影响对于非周期具有自衡特性的对象传递函数可表示为：sddsdddddesTsGsGcKsGsGcsGsDsYesTKsG)1)](()(1[)()(1)()()(1)0d0(31干扰通道放大倍数Kd的影响：Kd越大，干扰引起的系统余差越大，控制质量越差。干扰通道特性sddesTsGsGcKsDsY)1)](()(1[)()(0d32时间常数Td的影响：相当于增加一个极点，-1/Td，Td越大，对控制质量影响越大。过渡过程幅值是1/Td。时间常数个数越多，或者说干扰进入系统的位置愈远离被控变量而靠近调节阀，干扰对被控变量的影响愈小，系统的控制质量则愈高。干扰通道特性sddesTsGsGcKsDsY)1)](()(1[)()(0d33纯迟延的τd影响：干扰对被控变量的影响要向后推迟一个纯迟延时间τd。对系统的其他控制质量指标没有影响。干扰通道特性sddesTsGsGcKsDsY)1)](()(1[)()(0d34小结:干扰通道特性要求扰动通道的放大系数Kd尽可能小；扰动通道的时间常数Td应尽可能大。如果有几个扰动同时作用于控制系统，应使主要扰动进入的位置靠近调节阀，远离被控变量的检测元件，这样更有利于克服主要扰动的影响。U（s)D1(s)D2(s)Y(s)Gd1（S）Gd2（S）G0（S）352、控制通道特性对控制质量的影响（1）放大倍数Ko的影响；（2）时间常数To的影响；（3）控制通道纯迟延τ0的影响。Gc(S)soooeSTK11STKddR(S)Y(S)D(S)36通道可控性分析引入可控性概念可控性：对通道实现控制目的难易程度评价。目的：寻找可控性好的通道（控制通道）。1、过程控制系统设计时，对于同一被控变量，工艺上往往有几个通道可作为控制通道。2、可控性指标：KMAX；ωC37KMAX：纯比例控制时，系统的临界增益；ωC：临界增益时，系统临界振荡频率。解释：KMAX、ωC是纯比例作用下，系统处于临界稳定条件下的最大增益和振荡频率。KcsoooeSTK11STKddR(S)Y(S)D(S)38①控制系统仪表确定，对象K0一定，Gc(S)=KC可调。②放大系数KMAX对应系统稳定的KC最大临界值。KC越大，调节校正作用强。③ωC代表放大系数KMAX时振荡频率。越大，系统过渡速度越快。在同一衰减比下，ωC越大过渡过程时间短。可控性指标：KMAX、ωC大一点好。KMAX*ωC愈大愈好。39可控性与控制通道参数关系：通道时间常数T0越大；通道阶数n越高；纯延时环节τ0的存在；都使得可控性指标KMAX、ωC大为减小。40控制通道放大倍数K0K0越大，则控制变量对被控变量的影响越大，这表示它的调节更为有效。可控性越好。即仅需要较小的控制器放大倍数即可实现要求控制。闭环系统放大倍数乘积KcKo一般是定值