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承德石油高等专科学校重点课程建设热工仪表及自动化（适用于热工、制冷、储运、智建专业）热工仪表教研室第六章常用自动控制系统分析主要内容单回路自控系统分析及整定串级控制系统分析及整定前馈--反馈控制系统分析其它控制系统分析§6-1单回路自控系统分析及整定搞清楚单回路控制系统设计的一般原则，了解系统投运的过程被控变量的选择操纵变量的选择在系统设计时对检测变送环节的考虑调节器控制规律的选择一、单回路控制系统的设计被控变量的选择储罐HTHC差压变送器液位调节器执行器直接控制变量被控变量的选择进料回流罐冷却剂蒸汽塔底产品塔顶产品回流精馏塔再沸器间接控制操纵变量的选择控制通道特性对控制质量的影响放大系数K的影响时间常数T的影响纯滞后τ0的影响扰动通道特性对控制质量的影响操纵变量必须是工艺上允许控制的变量操纵变量对被控变量的影响应比扰动对被控变量的影响更灵敏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对检测变送环节的考虑纯滞后PH值控制系统示意图22110ulul式中：分别为主管道，支管道的长度和液体流速1l2l1u2u对检测变送环节的考虑mYYYT减小滞后的办法：正确选择检测元件的安装位置选用快速检测元件在检测元件之后引入微分作用，以补偿测量滞后的动态误差信号传送滞后信号传送滞后:是指气压信号在管路传送过程中所引起的滞后减小的的办法：尽量缩短气压信号的的长度使用气-电转换器按实际情况采用基地式调节器，以消除变送器到调节器之间的信号传送滞后调节器控制规律的选择控制规律对控制质量的影响YTPIPPIDPD各种控制作用过渡过程比较调节器控制规律的选择控制规律的的选择位式调节器：适用于滞后较小，负荷变化不大，控制质量要求不高比较控制：是最基本的控制规律，它的输入，输出成比例比例积分控制：用于控制通道滞后小，负荷变化不大，工艺上允许有余差的场合比例微分控制：能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小加快了控制过程，改善了控制质量二、单回路控制系统整定调节器参数的整定：就是在一个已经调校好的控制系统中，去选择和设置合适的调节器的比例度、积分时间和微分时间，使调节器与过程的特性相适应，来改善系统的静态和动态特性，获取最佳控制效果系统整定方法：临界比例度法衰减曲线法经验法临界比例度法具体整定方法：在闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大，Td置零，系统处于纯比例作用之下根据临界过程参数(即δk和Tk)，按经验公式计算出调节器的各个参数值δ、Ti、Td。将比例度调在比计算值略大一点，积分时间和微分时间分别置于计算值上，观察过渡过程曲线逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修改Ti和Td，直至获得满意的过渡过程曲线为止衰减曲线法具体整定方法：在闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零，使系统处于纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳定用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比直到出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度δs，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts根据δs、Ts、按表5-2中的经验公式计算出调节器的各个参数值δs、Ts、Ti、Td。将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上，Ti、Td分别置于计算值上，观察过渡过程曲线，逐渐将比例度降至计算值上，圩至过渡过程曲线满意为止经验法经验凑试法的两种整定顺序认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微分的顺序闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零、δ取经验数据，改变设定值加入扰动，观察记录曲线，若超调量大且趋于非周期，应减小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程为止在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大10-20%，然后再将积分时间Ti由大到小进行凑试，若曲线回复时间很长，应减小Ti；若曲线波动较大则应增大Ti，直到系统达到4:1衰减振荡的过渡过程为止若系统需加入微分作用，δ应取得比纯比例作用时更小些，Ti也应减小些，一般先取Td=(1/3～1/4)Ti，将微分时间Td由小到大凑试，若曲线超调量大而衰减慢，应增大Td；若曲线振荡厉害则应减小Td，同时观察曲线，适当调整Ti、δ，以使过渡时间短、超调量小，控制质量达到工艺要求为止调节器参数的经验值δT1（分）TD（分）压力30~700.4~3液位20~801~5流量40~1000.1~1温度20~603~100.5~3调节器参数控制规律经验法经验整定法的关键是──看曲线、调参数一般情况下，调节器的比例度过小、或积分时间过短、或微分时间过长，都会产生周期性的剧烈振荡，甚至等幅振荡如果比例度过大或积分时间过长，都会使过渡过程变化缓慢，不能较快达到稳定状态整定过程过程中，除调节器参数影响过程曲线外，系统中的变送器、调节器、调节阀等调校不良、选择不当以及系统中存在正弦干扰等等原因，都会引起被控变量的振荡，都会在过渡过程曲线中反映出来，要进行具体分析，正确判别其原因三、单回路控制系统的投运准备工作熟悉工艺过程现场校验检查调节器的正、反作用方向及调节阀的气开、气关形式系统投放安装示意图DTL-121型调节器组成控制的投放QTL-500型气动调节器组成控制系统的投放蒸汽LTLT正作用气关阀给水锅炉水位控制系统锅炉汽包水位控制系统，调节阀采用气关式，一旦调节阀的输入信号中断时，阀门自动打开，给锅炉供水，以防止锅炉烧干而出事故载热体汽关阀冷物料反作用TCTT换热器出口温度控制换热器出口温度控制系统。调节阀采用气开式，一旦调节阀的输入信号中断时，阀门自动关闭，以防止换热器温度不断升高而使被加热物料分解系统投运系统投运一般要经过现场人工操作、手动遥控、自运控制等三个步骤：123调节器安装示意图§6-2串级控制系统分析及整定串联控制系统概述加热炉出口温度与炉膛温度串联控制系统串联控制系统的构成及其方块图串联控制的工作过程串联控制系统的特点及适用场合对进入副回路的扰动有较快，较强的能力可以改善过程的特性可以消除副过程和调节阀非线形特性的影响一、串级控制系统串联控制系统的设计副变量的选择和副回路的设计副回路必须包括主要扰动和较多个扰动副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞适当匹配主、副回路变量间在工艺上有一定的内在联系、考虑工艺的合理和经济性主、副调节器控制规律的选择主、副调节器正、反作用的确定加热炉出口温度与炉膛温度的串联控制系统燃料原料管式加热炉出口温度控制系统系统能把所有的扰动都包括在控制回路之中，并用一个温度调节器来教正扰动的影响温度调节器调节阀炉膛炉膛壁出口管温度检测变送器设定+1f2f3f1T2T系统方框图燃料原料加热炉出楼温度串联控制系统解决滞后时间大与控制质量要求高之间的矛盾，保持加热炉出口温度为某一定值串联控制系统的构成及其方块图串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、一个调节阀组成的。两个调节器是串联工作的，其中主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出才送往调节阀，其组成方块图如图：系统方框图主调节器副调节器调节阀副过程主过程主检测变送器设定+1f2f副检测变送器2Y1Y串联控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。以加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统为例：温度调节器1温度调节器2调节阀温度过程2温度过程1主检测变送器设定+1f2f副检测变送器3f1T2T加热出口温度串联控制系统方框图串联控制系统的工作过程一旦系统受到扰动破坏了平衡，引起主、副变量偏离设定值时，系统的主、副调节器便进行工作，根据扰动进入系统的位置的不同，可分为以下三种情况：扰动作用于副回路扰动作用于主过程扰动同时作用于副回路和主过程串级控制系统特点及适用场合在串级控制系统中，由于副回路的存在，对于进入其中的扰动具有较强的克服能力；由于副回路的存在，改善了过程的动态特性，加快了系统的工作频率，提高了控制质量。此外，副回路的快速随动特性，使串级控制系统具有一定的自适应能力。因此当过程的时间常数大，滞后大，负荷变化大，扰动作用大而频繁，对于控制品质要求又高，单回路控制不能满足要求时，则宜采用串级控制系统。在热力生产过程中，锅炉给水控制系统、过热蒸汽温度控制系统、燃烧过程自动控制系统都大量采用串级控制系统副回路必须包括主要扰动和较多个扰动燃料原料加热炉出口温度与燃料流量串联控制系统加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中，若主要扰动是炉膛压力和燃料热值的变化，它们都要先反映在炉膛温度的变化上，故选炉膛温度为副变量，使主要扰动进入副回路冷却水进料出料聚合釜串级控制系统副过程的动态特性将大大改善，可以充分发挥副回路的长处，构成加热炉出口温度与燃料流量串级的控制系统。如图。这种串级控制方案的应用是很多的副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞适当匹配在串级控制系统中，由于主、副调节器是串联工作的，主、副回路间的动态联系十分密切，具有相互关联作用。当主、副过程的时间常数相近时，主、副回路的工作频率也就很接近，这样，在扰动作用下，不论哪个变量发生振荡，必然引起另一个变量也振荡，它们相互影响，使主、副变量大幅度地变化，系统不能正常工作，产生“共振”。共振现象对系统的运行很不利，其防止的措施是：在设计时应将主、副过程的时间的常数错开；在运行中整定调节器参数时把主、副回路的工作频率拉开。主、副变量间在工艺上应有一定的内在联系在串级控制中引入副变量，是为了提高和保证主变量的控制质量。当主变量选定以后，选择的副变量与主变量之间必须要有一定的对应关系。从串级控制系统的方块图上看，操纵变量的变化，首先是影响副变量，再由副变量去影响主变量，主、副变量间在工艺上有串联对应的关系。也就是说，控制好所选的副变量就能使主变量尽快回到或稳定在设定值上。主、副调节器控制规律的选择序号工艺对主、副变量的要求应选控制规律主变量副变量主调节器副调节器1重要仪表，要求很高要求不高，允许有余差PIDP2主要指标，要求较高主要指标，要求较高PIPI3要求不高，互相协调要求不高，互相协调PP不同情况下选用的控制规律主副调节器正、反作用的确定在串级控制系统中，主、副调节器是串联工作的，在系统投运和整定之前，必须确定主副调节器的正、反作用。串级控制系统中，副调节器的正、反作用是根据调节阀气开、气关决定的；主调节器的正、反作用是根据副变量对主量的影响确定的，一般与调节阀气开、气关形式无关，只有在要求系统进行主控时，才考虑调节阀气开、气关形式。§6-3前馈--反馈控制系统分析前馈控制系统反馈控制能将引起被控变化的所有扰动都包括在系统之中，调节器是按偏差进行工作的。因此只有在扰动使被控变量偏离设定值以后，调节器才进行控制，以克服扰动对被控变量的影响。前馈控制是改善和克服反馈控制不及时性的另一种控制方法。它是利用补偿原理，采用开环结构，按扰动作用的大小进行控制的前馈--反馈控制系统载热体汽关阀冷物料反作用TCTT工艺要求保持加热器出口温度为某一定值。影响加热器出口温度的因素很多，有进料流量和温度的变化（用扰动ｆ1表示）、加热蒸汽压力的变化（用扰动ｆ2表示）等等。加热器出口温度的反馈控制系统如图所示载热体汽关阀冷物料反作用FFCFT如果进料流量的变化很大而且频繁，是影响加热器出口温度的主要扰动，加热器的滞后现象又较显著单回路反馈控制达不到工艺的要求，这时可以采用前馈控制，如图反馈控制与前馈控制的不同系统的检测信号不同。前者是被控变量，后者是扰动量系统控制的依据不同。前者是偏差的大小，后者是扰动量的大小控制模式不同。前者采用常规的ＰＩＤ调节器，能校正包括在系统中的全部扰动（ｆ1、ｆ2等），而后者只能对引入补偿装置的扰动量进行校正载热体汽关阀冷物料反作用FFCFT+TCTT图是换热器的前馈－反馈控制系统，它是单回路反馈控制与前馈控制的组合。系统中前馈控制补偿进料量的变化，反馈控制则克服其它扰动因素。系统的校正作用是前馈补偿装置FFC和温度调节器TC输出信号的叠加，通过加法器相加以后送往调节阀，能较快地把物料出口温度稳定在设定值上燃料原料