[教育]浙江師范大學(xué)-化工儀表及自動(dòng)化第6章

1、第六章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),內(nèi)容提要,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被控變量的選擇操縱變量的選擇測(cè)量元件特性的影響控制器控制規(guī)律的選擇簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例控制器參數(shù)的工程整定臨界比例度法衰減曲線法經(jīng)驗(yàn)湊試法,第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。,圖6-1 液位控制系統(tǒng),圖6-2 溫度控制系統(tǒng),圖6-3　簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

2、的方塊圖,從圖中可知,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。 在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行控制的。,第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),一、被控變量的選擇,生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。,被控變量的界定,它們對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿

3、足要求的；人工操作雖然可以滿足要求，但是，這種操作是既緊張而又頻繁的。,被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)系）,直接指標(biāo)控制；間接指標(biāo)控制。,圖6-4　精餾過(guò)程示意圖,1—精餾塔；2—蒸汽加熱器,圖6-5　苯-甲苯溶液的T-x圖,圖6-6 苯-甲苯溶液的p-x圖,舉例,從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。,原因,在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。

4、在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。 所選變量有足夠的靈敏度。,選擇被控變量的原則,（1）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過(guò)程中較重要的變量。,（2）被控變量在工藝操作過(guò)程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。,（3）盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無(wú)法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量和變送信號(hào)滯后很大時(shí)

5、，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。,（4）被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來(lái)，并具有足夠大的靈敏度。,（5）選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。,（6）被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。,二、操縱變量的選擇,1.操縱變量,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。,最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。,舉例,圖6-7　精餾塔流程圖,如果根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板（一般為靈敏板）的

6、溫度作為被控變量。,影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有：進(jìn)料的流量（Q入）、成分（x入）、溫度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液溫度（T回）、加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。,通過(guò)工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。,2.對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響,圖6-9　干擾通道與控制通道的關(guān)系,干擾變量由干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；,操縱變量由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校

7、正作用。,3.操縱變量的選擇原則,① 操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。,② 操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。,③ 在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還要考 慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。,三、測(cè)量元件特性的影響,測(cè)量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)。要求它能正確地、及時(shí)地反映被控變量的狀況。,1.測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù),測(cè)量元件，特別是測(cè)溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本

8、身具有一定的時(shí)間常數(shù)，易造成測(cè)量滯后。,2.測(cè)量元件的純滯后,當(dāng)測(cè)量存在純滯后時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。,圖6-13　pH值控制系統(tǒng)示意圖,測(cè)量的純滯后有時(shí)是由于測(cè)量元件安裝位置引起的。,延遲時(shí)間τ0,這一純滯后使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。,3.信號(hào)的傳送滯后,信號(hào)的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。,(1)特點(diǎn)：輸出信號(hào)在最大值和最小值兩者間切換。(2)適用：允許被控量有持續(xù)的小幅度波動(dòng)。,(1)特點(diǎn)：抗

9、干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但有余差。(2)適用：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。,位式控制：,比例控制：,(1)特點(diǎn)：對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。(2)適用：負(fù)荷變化大，容量滯后大，控制質(zhì)量要求很高的系統(tǒng)。,(1)特點(diǎn)：過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(2)適用：滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控 制系統(tǒng)。,比例積分控制：,比例積分微分控制：,四、控制器控制規(guī)律

10、的選擇,1.控制器控制規(guī)律的確定,常用的PID調(diào)節(jié)規(guī)律：,PID調(diào)節(jié)規(guī)律特點(diǎn)綜述：,2.控制器正、反作用的確定,控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行與安全操作的重要問(wèn)題。要通過(guò)改變控制器的正、反作用，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。,作用的方向,輸入變化后，輸出的變化方向。,正作用方向,反作用方向,當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向。,當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，輸出減少的稱“反作用”方向。,

11、測(cè)量元件及變送器：,作用方向一般是“正”的。,執(zhí)行器：,作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。,被控對(duì)象：,作用方向隨具體對(duì)象的不同而各不相同。,控制器：,當(dāng)給定值不變，被控變量測(cè)量值增加時(shí)，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當(dāng)測(cè)量值不變，給定值減小時(shí)，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測(cè)量值增加時(shí)，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。,在一個(gè)安裝好的控制系統(tǒng)中，對(duì)象的作用方向由工藝機(jī)理可以確定，執(zhí)行器的作用方向由

12、工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據(jù)對(duì)象及執(zhí)行器的作用方向來(lái)確定，以使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。,結(jié)論,舉例,加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。,當(dāng)操縱變量燃料氣流量增加時(shí)，被控變量是增加的，故對(duì)象是“正”作用方向。如果從工藝安全條件出發(fā)選定執(zhí)行器是氣開閥（停氣時(shí)關(guān)閉），以免當(dāng)氣源突然斷氣時(shí)，控制閥大開而燒壞爐子。那么這時(shí)執(zhí)行器便是“正”作用方向。為了保證由對(duì)象、執(zhí)行器與控制器所組成的系統(tǒng)是負(fù)反饋的，控制器就應(yīng)該選為“反”作用。

13、,圖6-16　液位控制,液位控制系統(tǒng),執(zhí)行器是“正”方向。 對(duì)象是“反”方向。 控制器為“正”方向。,圖6-17　控制器正、反作用開關(guān)示意圖,控制器的正、反作用可以 通過(guò)改變控制器上的正、 反作用開關(guān)自行選擇。 一臺(tái)正作用的控制器，只 要將其測(cè)量值與給定值的 輸入線互換一下，就成了 反作用的控制器。,第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,控制器參數(shù)的整定,按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值，即確定