第七章簡單控制系統

第一節簡單控制系統的結構與組成組成：被控對象+自動化裝置簡單（單回路）控制系統蒸汽汽包給水省煤器鍋爐汽包水位控制系統被控對象：鍋爐汽包被控變量：汽包液位操縱變量：進水流量主要干擾：蒸汽量的變化控制過程分析(1)平衡狀態：當給水量和蒸汽量均不變的情況下，控制系統處于平衡狀態，并將保持這個狀態，直到有新的干擾產生。(2)干擾分析：閥前壓力↑→進水流量↑→液位↑蒸汽需要量↑→液位↓第一節簡單控制系統的結構與組成簡單控制系統的組成：控制流程圖中，測量變送環節可省略不畫第一節簡單控制系統的結構與組成液位控制系統溫度控制系統第一節簡單控制系統的結構與組成不同控制系統~同方塊圖簡單反饋控制系統——反饋回路特點：結構簡單，投資低、操作維護方便，應用廣泛（占85%）本章：基本原則,y/q選擇,PID選擇及參數整定簡單控制系統的方塊圖第二節簡單控制系統的設計

被控變量：生產中保持恒定或按一定規律變化的變量重要性：關系到穩定操作、提高產量、質量、保證安全，關系到控制方案的成敗。在過程工業裝置中，為實現預期的工藝目標往往有許多個工藝變量或參數可以被選擇作為被控變量，也只有在這種情況下，被控變量的選擇才是重要的問題。在多個變量中選擇被控變量應深入研究，找出“關鍵變量”作為被控變量第二節被控變量的選擇關鍵變量：對產品的產量、質量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求，或人工操作雖可滿足要求，但緊張、頻繁的變量。控制型式：直接指標控制與間接指標控制直接指標控制：被控變量本身就是需要控制的工藝指標（P、T、F、L、成分等）間接指標控制：工藝按照質量指標操作時，缺乏檢測手段，或雖能檢測，但信號很微弱或滯后很大，選取與直接質量指標有單值對應關系、反應快的另一變量（P、T

）作為間接控制指標第二節被控變量的選擇精餾過程工作原理：利用被分離物各組分的揮發度不同，把混合物中的各組分進行分離。若塔頂（或塔底）餾出物xD（或xW）——被控變量若檢測困難或滯后太大，需間接指標控制二元系統，氣液兩相并存：xD~TD~p第二節被控變量的選擇壓力p恒定時，組分xD和溫度TD存在單值對應關系：xD

↑→TD↓xD

↓→TD

↑苯—甲苯溶液的T~x圖苯—甲苯溶液的p~x圖溫度TD

恒定時，組分xD和壓力p存在單值對應關系：xD

↑→p

↑xD

↓→p

↓第二節被控變量的選擇溫度——被控變量原因：工藝合理性

第一、精餾塔操作中，壓力需固定。塔壓固定→保證塔的分離純度、效率和經濟性塔壓波動→破壞汽液平衡、影響相對揮發度、處于不良工況；塔壓變化→物料量的變化、負荷波動

第二、塔壓固定，各層塔板上的壓力基本不變溫度~組分單值對應關系。固定壓力，溫度—被控變量合理。xD變化時，TD應有足夠的靈敏度，易被感受。第二節被控變量的選擇被控變量具獨立性精餾操作中，塔頂、塔底——溫度控制系統塔底溫度↑→上升蒸汽溫度↑→塔頂溫度↑塔頂溫度↑→回流液溫度↑→塔底溫度↑塔底溫度和塔頂溫度互相干擾簡單控制系統只能保證一端的產品質量若要同時保證，需復雜控制系統第二節被控變量的選擇被控變量選擇原則：（1）能代表一定的工藝操作指標、狀態—關鍵變量（2）經常受到干擾影響變化，需頻繁調節（3）選直接指標；無法獲得或滯后較大—間接指標（有單值對應關系）（4）應能測出，有足夠大的靈敏度（5）考慮工藝合理性和國內儀表產品現狀（6）應獨立可控二、操縱變量的選擇一、操縱變量定義：自動控制系統中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量稱為操縱變量。操縱變量——介質的流量、轉速、電壓液位控制系統溫度控制系統第三節操縱變量的選擇影響被控變量的因素：可控、不可控選擇原則：在影響被控變量的諸因素中，選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入，作為操縱變量，其他未選中的所有輸入量——系統干擾精餾設備，靈敏板溫度——被控變量→塔底產品的成分第三節操縱變量的選擇影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有可控：回流量、蒸汽流量不可控：其他其中Q入、塔壓可調但不允許：Q入波動→生產負荷；塔壓→工況、T~x蒸汽流量對提餾段溫度影響更及時、更顯著耗能更少。影響提餾段溫度的各種因素示意圖蒸汽流量——操縱變量操縱變量的選擇二、對象特性對選擇操縱變量的影響干擾變量：由干擾通道施加在對象上，起破壞作用，使被控變量偏離給定值；操縱變量：由控制通道施加在對象上，使被控變量回復到給定值，起校正作用。考慮對象特性干擾通道與控制通道的關系操縱變量的選擇1、對象靜態特性的影響選擇操縱變量q時，控制通道的放大系數Ko要大

Ko大小表征了q對被控變量y的影響程度。Ko越大，控制作用對y影響越顯著，使控制更有效。從控制的有效性越高考慮，Ko越大越好；但是Ko過大，過于靈敏，使控制系統不穩定。干擾通道的放大系數Kf要小，

Kf越小越好。Kf小，干擾對y影響不大，過渡過程的超調量不大從靜態特性考慮，選擇放大系數大的可控變量作為操縱變量。操縱變量的選擇2、對象動態特性的影響（1）控制通道時間常數的影響控制作用→控制通道→對象；控制通道時間常數To不能過大，使操縱變量的校正作用遲緩、超調量大、過渡時間長。對象控制通道To小→反應靈敏、控制及時精餾塔中提餾段T：回流量→通道長→T大加熱蒸汽量→通道短→T小（2）控制通道純滯后τ0的影響控制通道的物料輸送、能量傳遞都需一定時間→純滯后τ0操縱變量的選擇C—干擾作用，A、B—校正作用，D、E—同時作用正偏差信號：對象控制通道無純滯后→D；有純滯后→E；純滯后使超調量增加。負偏差信號：有純滯后→被控變量繼續下降→振蕩加劇、時間長、不穩定選擇操縱變量時應使對象控制通道的純滯后τ0盡量小純滯后τ0對于控制質量的影響τ0第三節操縱變量的選擇（3）干擾通道時間常數的影響干擾通道的時間常數Tf越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。（4）干擾通道純滯后τf的影響干擾通道有純滯后τf，干擾對被控變量的影響推遲時間τf

，控制作用也推遲時間τf

，只要控制通道無純滯后，不影響控制質量。操縱變量的選擇三、操縱變量的選擇原則

在選定被控變量后，要確定操縱變量。實際上，兩者放在一起綜合考慮。操縱變量的選取應遵循下列原則：（1）須可控，工藝上允許調節的變量；（2）應比其它干擾對被控變量影響更靈敏。控制通道的放大系數Ｋo要盡量大一些，時間常數Ｔo適當小些，純滯后時間盡量小。使干擾通道的放大系數盡可能地小，時間常數盡可能地大（3）工藝上的合理性和經濟性。不宜選擇代表生產負荷的變量作操縱變量，以免產量受到波動；應盡量降低物料和能量消耗。三、測量元件特性的影響被控變量選擇好之后，被控變量如何測量仍然有諸多因素需要考慮，以便更靈敏﹑更快速﹑更及時和更經濟地測得被控變量。測量、變送環節~控制的依據~失調、誤調一、測量元件的時間常數測量元件（T）——時間常數→測量滯后測量元件特性的影響時間常數大→失真信號→控制質量解決：快速測量元件、加微分作用測量元件的時間常數Tm＜對象時間常數的1/10時，影響不大。影響因素：測量元件安裝問題、維護F、T：安裝不正確→精度→失真→控制質量維護、檢查（惡劣條件）：熱電偶表面結晶或結焦→Tm↑→控制質量測量元件特性的影響二、測量元件的純滯后測量純滯后(控制通道)→嚴重控制質量原因：安裝位置被控變量——中和槽出口溶液的pH值純滯后引入微分作用無用測量元件特性的影響三、信號的傳送滯后測量信號傳送滯后+控制信號傳送滯后定義：測量信號傳送滯后：由現場變送器信號傳送到控制室的控制器所引起的滯后。氣動信號控制信號傳送滯后：控制室內控制器的輸出信號傳送到現場執行器所引起的滯后。氣動薄膜控制閥→容量滯后信號傳送滯后與對象控制通道的滯后影響相同解決：氣壓管路≤300m，直徑≥6mm；閥門定位器、氣動繼動器增大功率；電信號傳遞四、控制器控制規律的選擇一、控制器控制規律的確定在控制系統投運前，儀表選型確定以后：對象的特性固定；測量元件及變送器的特性一般也不可改變；執行器+閥門定位器可有一定程度的調整，但靈活性不大；簡單控制系統組成：廣義對象+控制器主要可改變參數的是控制器。系統設置控制器→改變整個系統的動態特性，以達控制的目的。簡單控制系統簡化方塊圖控制器控制規律的選擇控制器主要控制規律：位式、P、PI、PD、PID選擇原因：廣義對象特性和工藝要求1、位式控制常見的位式控制有雙位。雙位控制輸出p與輸入偏差e之間的關系為：適用場合：一般適用于滯后較小，負荷變化不大也不劇烈，控制質量要求不高，允許被控變量在一定范圍內波動的場合，如恒溫箱、電阻爐等的溫度控制。控制器控制規律的選擇2、比例控制它是最基本的控制規律。比例控制器的輸出p與輸入偏差e之間的關系為：

可調參數Kp或δ

單元組合儀表δ=1/Kp×100%特點：當負荷變化時，克服干擾能力強，控制作用及時，過渡過程時間短，但過程終了時存在余差，且負荷變化越大余差也越大。適用場合：控制通道滯后較小、時間常數不太大、干擾幅度較小，負荷變化不大、控制質量要求不高，允許有余差的場合。如貯罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。控制器控制規律的選擇3、比例積分控制

PI控制器的輸出p與輸入偏差e之間的關系為：

可調參數：Kp或δ、TI特點：

引入積分作用能消除余差，故PI控制是使用最多、應用最廣的控制規律。但是，加入積分作用后要保持系統原有的穩定性，必須δ↑（削弱比例作用），使控制質量有所下降，如最大偏差A和振蕩周期相應增大，過渡時間加長。控制器控制規律的選擇適用場合：對于控制通道滯后小，負荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量F或壓力P、液位L的控制。4、比例微分控制

比例微分控制器的輸出p與輸入偏差e之間的關系為：

可調參數：Kp或δ、TD

控制器控制規律的選擇特點：

引入了微分，會有超前控制作用，能使系統的穩定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質量。適用場合：

比例微分控制適用于對象容量滯后較大的場合。對于滯后很小和干擾作用頻繁的系統，應盡可能避免使用微分作用。控制器控制規律的選擇5、比例積分微分控制比例積分微分控制的輸出p與輸入偏差e之間的關系為：

可調參數：Kp或δ、TI、TD

特點：微分作用對于克服容量滯后有顯著效果，對克服純滯后是無能為力的。在P的基礎上加上D能提高系統的穩定性，加上I作用能消除余差，又有δ、TI、TD三個可調參數可獲得較高的控制質量適用場合：容量滯后大、負荷變化大、控制質量要求較高的場合，如反應器、聚合釜的溫度控制。選擇控制規律的原則可歸納為以下幾點：

(1)當廣義對象控制通道的時間常數大，或多容量引起的容量滯后大時，采用微分作用有良好效果，積分作用可以消除余差，因此，可選用PID或PD控制規律，如溫度過程，此時若選用PI控制規律則因積分作用有滯后，控制質量差。(2)當廣義對象控制通道存在純滯后時，若用微分作用來改善控制質量是無效的。即，微分作用對克服純滯后無能為力控制器控制規律的選擇二、控制器正、反作用的確定自動控制系統是被控變量負反饋的閉環系統：控制作用~干擾作用影響相反控制器正反作用~能否正常運行與安全操作被控對象、測量元件及變送器、執行器、控制器都有各自的作用方向，組合結果如果為正反饋，破壞生產，故應構成負反饋的閉環系統。作用方向：輸入變化后，輸出的變化方向。正作用：某環節的輸入增加時，輸出也增加；反作用：某環節的輸入增加時，輸出減少。控制器控制規律的選擇測量元件及變送器作用方向：正作用整個控制系統還需考慮控制器、執行器、被控對象各個環節的作用方向，組合后為負反饋。控制器控制規律的選擇執行器作用方向取決于氣開閥、氣關閥當控制器輸出信號增加時，氣開閥的開度增加，流過閥的流體流量也增加氣開閥為正作用；相反，氣關閥接收的信號增加，流過閥的流體流量減少，氣關閥為反作用；氣開~氣關——工藝安全角度確定控制器控制規律的選擇被控對象的作用方向：操縱變量↑，被控變量↑的對象—正作用操縱變量↑，被控變量↓的對象—反作用控制器控制規律的選擇控制器的作用方向：給定值x不變，被控變量測量值z

↑，控制器輸出p↑→正作用；[輸入e=（z—x）]測量值z不變，給定值x↓，控制器輸出p↑→正作用；x不變，z

↑，p↓→反作用；z不變，x↓，p