[教育]浙江師范大學(xué)-化工儀表及自動化第6章

1、第六章 簡單控制系統(tǒng),內(nèi)容提要,簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計被控變量的選擇操縱變量的選擇測量元件特性的影響控制器控制規(guī)律的選擇簡單控制系統(tǒng)設(shè)計實例控制器參數(shù)的工程整定臨界比例度法衰減曲線法經(jīng)驗湊試法,第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成,簡單控制系統(tǒng)通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(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　簡單控制系統(tǒng)

2、的方塊圖,從圖中可知,簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、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，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。,第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計,一、被控變量的選擇,生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（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)，一般是工藝過程中較重要的變量。,（2）被控變量在工藝操作過程中經(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)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量和變送信號滯后很大時

5、，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。,（4）被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。,（5）選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。,（6）被控變量應(yīng)是獨立可控的。,二、操縱變量的選擇,1.操縱變量,在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(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。,通過工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。,2.對象特性對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)比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。,③ 在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考 慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。,三、測量元件特性的影響,測量、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、及時地反映被控變量的狀況。,1.測量元件的時間常數(shù),測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本

8、身具有一定的時間常數(shù)，易造成測量滯后。,2.測量元件的純滯后,當(dāng)測量存在純滯后時，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。,圖6-13　pH值控制系統(tǒng)示意圖,測量的純滯后有時是由于測量元件安裝位置引起的。,延遲時間τ0,這一純滯后使測量信號不能及時反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。,3.信號的傳送滯后,信號的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。,(1)特點：輸出信號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。,(1)特點：抗

9、干擾能力強，過渡過程時間短，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：對克服對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：過渡過程結(jié)束時無余差，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)能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負(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)某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，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，輸出減少的稱“反作用”方向。,

11、測量元件及變送器：,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。,被控對象：,作用方向隨具體對象的不同而各不相同。,控制器：,當(dāng)給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當(dāng)測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測量值增加時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。,在一個安裝好的控制系統(tǒng)中，對象的作用方向由工藝機理可以確定，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)對象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個控制系統(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，被控變量是增加的，故對象是“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（停氣時關(guān)閉），以免當(dāng)氣源突然斷氣時，控制閥大開而燒壞爐子。那么這時執(zhí)行器便是“正”作用方向。為了保證由對象、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 通過改變控制器上的正、 反作用開關(guān)自行選擇。 一臺正作用的控制器，只 要將其測量值與給定值的 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