1、第12章简单控制系统具体分为两种情况：具体分为两种情况：（1 1）工艺要求的指标可以直接在线测量）工艺要求的指标可以直接在线测量 直接控制这直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）个指标就可以了（直接指标控制）。（2 2）工艺要求的指标不可以直接在线测量）工艺要求的指标不可以直接在线测量 寻找一个寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）接指标控制）。例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析例如：精馏塔的组分是
2、不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据实际分析，最终确定：根据实际分析，最终确定：固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的。固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的。（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）最好的方法就是最好的方法就是：测量变送环节测量变送环节 控制器控制器 执行器执行器 被控对象被控对象（1）控制系统设计人员要掌握较为全面
3、的自动化专业）控制系统设计人员要掌握较为全面的自动化专业知识，同时尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；知识，同时尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；（2）要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进）要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；（3）工艺人员要注意倾听自动化专业技术人员的建议，）工艺人员要注意倾听自动化专业技术人员的建议，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化；特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化；（4）设计一定要遵守有关的标准）设计一定要遵守有关的标准行规，按科学合理行规，按科学合理的程序进行的程序
4、进行。（1）确定控制方案）确定控制方案（2）仪表及装置的选型）仪表及装置的选型（3）相关工程内容的设计）相关工程内容的设计 使生产过程自动按照预定的目标进行，使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）上（或按预定规律变化）“关键关键”变量变量：对产品的产量、质量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变以及生产过程的安全具有决定作用的变量量两种控制类型：两种控制类型：直接指标控制直接指标控制和和间间接指标控制。接指标控制。选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选
5、择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述 塔顶易挥发组分纯度塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度、塔顶温度TD、塔顶压力、塔顶压力P三者之三者之间的关系为：间的关系为：XD=f(TD，P)，两个独立变量。，两个独立变量。被控变量应能代表一定的工艺操作被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是比较重要的变量指标或能反映工艺操作状态，一般都是比较重要的变量。简单控制系统的被控变量应避简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合)关系关系。采用直接指标作为被控变量最直接采用直接指标作为被控变量
6、最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量作为被控变量。被控变量应能被测量出来，并具被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度有足够大的灵敏度。选择被控变量时，必须考虑工艺的选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状合理性和国内仪表产品现状。原则上，原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量一个对被控变量而且而且的输的输入作为入作为后，其它所有未被选中的输入后
7、，其它所有未被选中的输入则成了为系统的则成了为系统的。选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述 进料流量进料流量Q入入不可控不可控进料成分进料成分X入入 不可控不可控进料温度进料温度T入入 不可控不可控回流流量回流流量F 可控可控 回流温度回流温度TH 不可控不可控加热蒸汽流量加热蒸汽流量QZ 可控可控 冷凝器冷却温度冷凝器冷却温度 不可控不可控塔压塔压P不可控不可控控制通道控制通道干扰通道干扰通道干扰变量干扰变量控制变量控制变量被控变量被控变量 被控对象被控对象系统的过渡过程形
8、式系统的过渡过程形式超调量、衰减比、超调量、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期余差、过渡时间、振荡周期系统的输入输出关系系统的输入输出关系分为对象静态性质和对象动态性质分为对象静态性质和对象动态性质考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量 绝对放大系数绝对放大系数 相对放大系数相对放大系数 控制通道的稳态特性由控制通道放大系数控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征。从表征。从考虑，考虑，；干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征。希望表征。希望，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小；越小干扰变量对
9、被控变量的影响就越小；操纵变量选择的操纵变量选择的：当多个输入变量都影响被控变：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。作为操纵变量。T T0 0小一点好，不能过大，小一点好，不能过大，否则会使控制变量的校正作用否则会使控制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长迟缓，超调量增大，过渡时间增长 A:A:无纯滞后时的校正作用无纯滞后时的校正作用B:B:有纯滞后时的校正作用有纯滞后时的校正作用C:C:不受控下的输出曲线不受控下的输出曲线D:D:无纯滞后时的输出曲线无纯滞后时的输出曲线E:
10、E:有纯滞后时的输出曲线有纯滞后时的输出曲线，干扰对被控变量的影，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量。响越缓慢，越有利于改善控制质量。干扰通道的纯滞后干扰通道的纯滞后f f一般不会影响一般不会影响控制质量。控制质量。操纵变量应是操纵变量应是的，即工艺上允许调节的变量。的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加。为此，应合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数。为此，应合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小、纯滞后时间尽量小。同时为使其适当大、时间常数适当小、纯滞后时间尽量小。同时为使其他
11、干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。数尽可能小、时间常数尽可能大。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的要考虑工艺的与生产的与生产的。一般说来不宜选择。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量是不宜经常波动的。量是不宜经常波动的。WWW 在在保证产品含水率合保证产品含水率合格的前提下，保证最大产量。格的前提下，保证最大产量。产品含水率产品含水率 干燥干燥温度
12、温度T1 乳化物流量乳化物流量Fw 旁路空气流量旁路空气流量FQ 加热蒸汽流量加热蒸汽流量Fp 方案方案I：取乳液流量为操纵变量（控制阀：取乳液流量为操纵变量（控制阀）f2f3XY混合过程混合过程风管风管风管风管换热器换热器控制器控制器控制阀控制阀干燥器干燥器测量变送测量变送图图2 2 乳液流量为操纵变量的方框图乳液流量为操纵变量的方框图方案方案II：取旁路空气量为操纵变量（控制阀：取旁路空气量为操纵变量（控制阀）XY控制器控制器控制阀控制阀混合过程混合过程 风管风管风管风管干燥器干燥器测量变送测量变送换热器换热器f1f3图图3 3 风量为操纵变量时的系统方框图风量为操纵变量时的系统方框图方案
13、方案III：取蒸汽流量为操纵变量（控制阀：取蒸汽流量为操纵变量（控制阀）XYf1f2控制器控制器控制阀控制阀换热器换热器风管风管风管风管干燥器干燥器混合过程混合过程测量变送测量变送图图4 4 蒸汽流量为操纵变量的系统方框图蒸汽流量为操纵变量的系统方框图 控制性能最优；但乳液流量是生产负荷，一控制性能最优；但乳液流量是生产负荷，一般要求保证产量，不宜经常波动，所以，不宜选作操纵变量。般要求保证产量，不宜经常波动，所以，不宜选作操纵变量。旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，与图器，与图2相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用相比，控制通道滞后较大，对
14、干燥温度校正作用灵敏度次之。灵敏度次之。蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。综合考虑应选择方案综合考虑应选择方案II，以旁路空气量为操纵变量。，以旁路空气量为操纵变量。选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述 适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不量的、且容量较
15、大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。比例控制克服干扰能力强、控制及比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。时、过渡时间短。在过渡过程终了时存在余差在过渡过程终了时存在余差 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。工艺允许被控变量存在余差的场合。利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善控制质量。后的场合下，将会有效地改善控制质量。有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控有可能会
16、使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。而发生事故。系统在过渡过程结束时无余差系统在过渡过程结束时无余差 系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。时间也会相应增加。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。许被控变量存在余差的场合。比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的的。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。的场合。保证整个控制系统形成保证整个控
17、制系统形成。在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。器的正反作用进行调整。所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用正作用”方向；方向；反之，当环节的输入增加时，输出减小，则称
18、该环节为反之，当环节的输入增加时，输出减小，则称该环节为“反反作用作用”方向。方向。被控对象被控对象正作用：正作用：操纵变量操纵变量q增加，被控变量增加，被控变量y增加增加 反作用：反作用：操纵变量操纵变量q增加，被控变量增加，被控变量y减少减少测量变送测量变送正作用：正作用：被控变量被控变量y y增加，测量值增加，测量值z z增加增加 反作用：反作用：被控变量被控变量y y增加，测量值增加，测量值z z减少减少控制器控制器正作用：正作用：偏差偏差e e增加，输出增加，输出p增加增加 反作用：反作用：偏差偏差e e增加，输出增加，输出p减少减少执行器执行器正作用：控制器正作用：控制器输出信号输
19、出信号p增加，操纵变量增加，操纵变量q增加增加反作用：控制器反作用：控制器输出信号输出信号p增加，操纵变量增加，操纵变量q减少减少判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定；判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定；判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定；确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；的正反作用方向；确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控确定控
20、制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。制器应选择为反作用，反之亦然。燃料气燃料气TC锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水省煤器省煤器 LT LC 被控变量：汽包液位被控变量：汽包液位被控对象：锅炉汽包被控对象：锅炉汽包主要扰动：主要扰动：进水流量进水流量 蒸汽量的变化蒸汽量的变化给水压的变化给水压的变化操纵变量：进水流量操纵变量：进水流量控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值给水阀给水阀锅炉汽包锅炉汽包LyeL阀开度u LT LC
21、蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水控制器正、反作用控制器正、反作用控制器过程分析控制器过程分析LyeuL阀开度根据安全原则，供气中断时给水阀应全开，所以根据安全原则，供气中断时给水阀应全开，所以应选应选熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故障时能及时确定故障原因；故障时能及时确定故障原因；根据经验或估算比例度根据经验或估算比例度、积分时间、积分时间TI和微分时间和微分时间TD的数值，或将控制器放在纯比例作用，的数值，或将控制器放在纯比例作
22、用，放在较大位置；放在较大位置；确认控制阀的气开、气关和控制器的正、反作用；确认控制阀的气开、气关和控制器的正、反作用；手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定满足要求，需要进一步整定、TI和和TD三个参数。三个参数。参数整定就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最参数整定就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数
23、值。即确定最合适的控制器比例度好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度、积分时、积分时间间TI和微分时间和微分时间TD，使控制质量能满足工艺生产的要求。，使控制质量能满足工艺生产的要求。对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈4:1至至10:1的衰减振荡过程。的衰减振荡过程。yt4:1yt10:1参数整定方法：参数整定方法：、（又叫（又叫，分为，分为、）。）。先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，
24、这时的比例度称为时的比例度称为，周期称为，周期称为。然后按表然后按表7-1中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。Tkttfy控制作用控制作用比例度比例度%积分时间积分时间(min)微分时间微分时间(min)P2K PI2.2K 0.85Tk PD1.8K 0.85Tk PID1.7K 0.5Tk 0.125Tk 该法广泛应用于放大倍数较小，即该法广泛应用于放大倍数较小，即的系统；的系统；使用该法必须是使用该法必须是短时间震荡的情形。短时间震荡的情形。在纯比例控制（在纯比例控制（TI=0，TD=）条件下通过试验选择）条件下通过试验选择适宜的比例度适宜
25、的比例度 s使系统呈现使系统呈现4:1或或10:1的衰减比；的衰减比；再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公式计算实再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公式计算实际参数值际参数值、TI、TD。干扰作用不太频繁；干扰作用不太频繁；干扰作用的规律性较强。干扰作用的规律性较强。控制作用控制作用比例度比例度%积分时间积分时间(min)微分时间微分时间(min)PS PI1.2S 0.5Ts PID0.8S 0.3Ts 0.1Ts fytTst4:1ytT升升ft10:1采用衰减曲线法必须采用衰减曲线法必须以下几点：以下几点：加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的5左右
26、左右;必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的则得不到正确的S、TS、T升升；如果过渡过程波动频繁，难于记录下准确的比如果过渡过程波动频繁，难于记录下准确的比例度、衰减周期或上升时间，则改用其他方法。例度、衰减周期或上升时间，则改用其他方法。根据一般经验选择适宜的控制参数根据一般经验选择适宜的控制参数、TI、TD；在实际运行过程中对参数进行适当的调整。在实际运行过程中对参数进行适当的调整。干扰作用频繁；干扰作用频繁；干扰作用的规律性较差。干扰作用的规律性较差。被控对象被控对象对象特性对象特性 比例度比例度 积分时积分时间间(min)微分时微分时间间(min)流量流量 40100 0.31 0.50.3 温度温度 2060 310 压力压力 3070 0.43 液位液位 2080 0.43 比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，都会产生周比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，都会产生周期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期较长；期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期较长；比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大引起的振荡比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大引起的振荡周期最短。周期最短。图图7-13pH值控制系统示意图值控制系统示意图
