1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第六章第六章 简单控制系统简单控制系统 内容提要内容提要n 简单控制系统的机构与组成简单控制系统的机构与组成n 简单控制系统的设计简单控制系统的设计n被控变量的选择被控变量的选择n操纵变量的选择操纵变量的选择n测量元件特性的影响测量元件特性的影响n控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择n简单控制系统设计实例简单控制系统设计实例n 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定n临界比例度法临界比例度法n衰减曲线法衰减曲线法n经验凑试法经验凑试法1第一节第一节 简单控制系统的机构与组成简单控制系统的机构与组成2 通常是指由一个测量元件、变送器、一个通常是指由一个测量元
2、件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。图6-1 液位控制系统图6-2 温度控制系统 在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。只是在画图时被省略罢了。第一节第一节 简单控制系统的机构与组成简单控制系统的机构与组成3图6-3简单控制系统的方块图 简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。在该系统中有着一条从系统的
3、输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计n 一、被控变量的选择一、被控变量的选择4 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计直接指标控制；直接指标控制；间接指标控制。间接指标控制。5第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计6图6-4精馏过程示意图1精馏塔；
4、2蒸汽加热器图6-5苯-甲苯溶液的T-x图图6-6 苯-甲苯溶液的p-x图举例举例第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。7第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计8（1）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，一般是工艺过程中较重要的变量。（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需
5、要较频繁的调节。（3）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，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。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。（5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。（6）被控变量应是独立可控的。9第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计n 二、操纵变量的选择二、操纵变量的选择10 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量。操作变量操作变量系统的干扰系统的干扰通
6、过工艺分析通过工艺分析确定确定第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计11图6-7精馏塔流程图如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计图6-8影响提馏段温度的各种因素示意图进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。12第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计13图6-9干扰通道与控制通道的关系由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起
7、着校正作用。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通道的放大系数Kf小些。控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。14第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计15 控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后O对控制质量是有影响的。图6-10所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。图6-10 纯滞后0对控制质量的影响在选择操纵变量构成控制系在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯统时，应使对象控制通道
8、的纯滞后时间滞后时间0 0尽量小。尽量小。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计16 干扰通道的时间常数Tf越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。如果干扰通道存在纯滞后f，控制作用也推迟了时间f，使整个过渡过程曲线推迟了时间f，要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的，如图6-11所示。图6-11干扰通道纯滞后f的影响第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计17 操纵变量应是可控的，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灵敏。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。第二节第二节 简单
9、控制系统的设计简单控制系统的设计n 三、测量元件特性的影响三、测量元件特性的影响18图6-12测量元件时间常数的影响 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计19 测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。大，最好选用惰性小的快速测量元件。当测量元件的时间常数当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数小于对象时间常数的的110时，对系统的控制质量影响
10、不大。时，对系统的控制质量影响不大。测量元件安装是否正确，维护是否得当，也测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量与控制。会影响测量与控制。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计20当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。图6-13pH值控制系统示意图延迟时间延迟时间0 022110vlvl 这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化，因而降低了控制质量。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计21 由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。第二节第二节 简单控制系统的设计
11、简单控制系统的设计n 四、控制器控制规律的选择四、控制器控制规律的选择22图6-14简单控制系统简化方块图 比例控制器是具有比例控制规律的控制器。eKpP%1001PK对于单元组合仪表 控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 控制器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。23第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计24比例积
12、分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。edtTeKpIP1比例放大系数KP（或比例度）和积分时间TI。控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。25第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计26 比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制
13、器，常称为三作用（PID）控制器。dtdeTedtTeKpDIP1理想的三作用控制器，存在比例放大系数KP（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。27第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计28 目前生产的模拟式控制器一般都同时具有目前
14、生产的模拟式控制器一般都同时具有比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间分时间TD置于，就成了比例积分控制器，如置于，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间果同时将积分时间TI置于无穷大，便成了比例置于无穷大，便成了比例控制器。控制器。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计29 控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。当环节的输入增加时，输出
15、减少的称“反作用”方向。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计作用方向一般是“正”的。作用方向取决于是气开阀还是气关阀。作用方向随具体对象的不同而各不相同。当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。30第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计31 第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计32一个简单的加热炉出口温度控制系统。加热炉燃料气流量图6-15加热炉出口温度控制第二节第二节 简单控制系统的设计
16、简单控制系统的设计 当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，故对象是的，故对象是“正正”作用方向。如果从工艺安全条件作用方向。如果从工艺安全条件出发选定执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气出发选定执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执行器便是行器便是“正正”作用方向。为了保证由对象、执行器作用方向。为了保证由对象、执行器与控制器所组成的系统是负反馈的，控制器就应该选与控制器所组成的系统是负反馈的，控制器就应该选为为“反反”作用。作用。33第二节第二节 简
17、单控制系统的设计简单控制系统的设计34图6-16液位控制一个简单的液位控制系统一个简单的液位控制系统 执行器是执行器是“正正”方向。方向。对象是对象是“反反”方向。方向。控制器为控制器为“正正”方向。方向。图6-17控制器正、反作用开关示意图 控制器的正、反作用可以通过控制器的正、反作用可以通过改变控制器上的正、反作用开关改变控制器上的正、反作用开关自行选择。自行选择。一台正作用的控制器，只要将一台正作用的控制器，只要将其测量值与给定值的输入线互换其测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的控制器。一下，就成了反作用的控制器。第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计n 五、简单控
18、制系统设计实例五、简单控制系统设计实例 简单控制系统设计主要包括被控变量的选择、操纵变简单控制系统设计主要包括被控变量的选择、操纵变量的选择、执行器的选择、控制器控制规律及作用方式的量的选择、执行器的选择、控制器控制规律及作用方式的选择等。选择等。下面以喷雾式干燥设备控制系统设计为例，介绍简单下面以喷雾式干燥设备控制系统设计为例，介绍简单控制系统设计。控制系统设计。35第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计干燥塔干燥塔图6-18 乳化物干燥过程工艺流程示意图36第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计1 1被控变量与控制变量选择被控变量与控制变量选择 (1)(1)被控变量
19、选择被控变量选择 产品水分含量精确测量困难产品水分含量精确测量困难(精度不高精度不高)，由生产工艺可知，产品质量由生产工艺可知，产品质量(水分含量水分含量)与干燥温度密切相关，与干燥温度密切相关，因而选干燥塔的温度为被控变量因而选干燥塔的温度为被控变量(间接参数间接参数)。(2)(2)控制变量选择控制变量选择 经分析影响干燥塔温度的主要因素有乳液经分析影响干燥塔温度的主要因素有乳液流量流量f f1 1(t t)、旁路空气流量、旁路空气流量f f2 2(t t)、加热蒸汽流量、加热蒸汽流量f f3 3(t t)，所以有三个，所以有三个变量可作为控制变量。图变量可作为控制变量。图6-236-23中
20、，分别以三个变量作为控制变中，分别以三个变量作为控制变量构成三种不同的控制方案。量构成三种不同的控制方案。37第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计换热换热器器混合过混合过程程风风 管管干燥干燥塔塔控制控制器器控制阀控制阀 f f1 1(t t)f f3 3(t t)f f2 2(t t)x x(t t)+-y(t)y(t)(a)(a)乳化物流量作为控制变量的控制系统方框图乳化物流量作为控制变量的控制系统方框图换热器换热器风管风管干燥塔干燥塔控制器控制器混合过程混合过程f f1 1(t t)f f3 3(t t)f f2 2(t t)x x(t t)+-y(t)y(t)控制阀控制阀
21、(b)(b)风量作为控制变量的控制系统方框图风量作为控制变量的控制系统方框图换热器风管干燥塔控制器混合过程f1(t)f3(t)f2(t)x(t)+-y(t)控制阀(c)(c)蒸汽量作为控制变量的控制系统方框图蒸汽量作为控制变量的控制系统方框图图图 6-23 6-23 干燥塔温度控制方案比较示意图干燥塔温度控制方案比较示意图38第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 比较三种控制方案，图比较三种控制方案，图6-23(a)6-23(a)采用乳液流量作控制变量，采用乳液流量作控制变量，乳液直接进入干燥塔，控制通道滞后最小，对干燥温度的校正乳液直接进入干燥塔，控制通道滞后最小，对干燥温度的
22、校正作用最迅速，而且扰动通道延时较大，从控制品质方面考虑，作用最迅速，而且扰动通道延时较大，从控制品质方面考虑，应当选此方案。但乳液流量是生产负荷应当选此方案。但乳液流量是生产负荷(亦是产量亦是产量)，若作为控制，若作为控制变量，则它不可能始终在最大的变量，则它不可能始终在最大的(而且是稳定的而且是稳定的)负荷点工作，从负荷点工作，从而限制了装置的生产能力。此外如果在乳液管线上安装了控制而限制了装置的生产能力。此外如果在乳液管线上安装了控制阀，容易使浓缩乳液结块，降低产品质量。因而选乳液流量为阀，容易使浓缩乳液结块，降低产品质量。因而选乳液流量为控制变量工艺上不合理。综合考虑，一般不采用此控制
23、方案。控制变量工艺上不合理。综合考虑，一般不采用此控制方案。39第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 比较分析图比较分析图6-23(b)6-23(b)与与(c)(c)，在这两种控制方案中，乳液，在这两种控制方案中，乳液流量流量f f1 1(t t)作为扰动量，其对控制系统的影响作为扰动量，其对控制系统的影响(扰动通道扰动通道)是相是相同的，差别在于控制通道与另一扰动通道不同。由于换热同的，差别在于控制通道与另一扰动通道不同。由于换热器时间常数较大，因而采用风量为控制变量时，图器时间常数较大，因而采用风量为控制变量时，图6-23(b)6-23(b)控制系统的控制通道时间常数较小，扰
24、动通道时间常数较控制系统的控制通道时间常数较小，扰动通道时间常数较大；图大；图6-23(c)6-23(c)采用蒸汽量为控制变量，控制通道时间常数采用蒸汽量为控制变量，控制通道时间常数较大，扰动通道时间常数反而较小。因此选择旁路空气量较大，扰动通道时间常数反而较小。因此选择旁路空气量为控制变量的方案为最佳。为控制变量的方案为最佳。40第二节第二节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 2 2过程检测、控制设备的选用过程检测、控制设备的选用 根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合仪表根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合仪表(DDZ)(DDZ)。(1)(1)测温元件及变送器测温元件及变送器 被
25、控温度在被控温度在500500以下，选用热电以下，选用热电阻温度计。为提高检测精度，应用三线制接法，并配用温度阻温度计。为提高检测精度，应用三线制接法，并配用温度变送器。变送器。(2)(2)控制阀控制阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，控根据生产工艺安全原则及被控介质特点，控制阀选气闭形式。根据过程特性与控制要求选用对数流量特制阀选气闭形式。根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的控制阀。性的控制阀。(3)(3)控制器控制器 根据过程特性与工艺要求，可选用根据过程特性与工艺要求，可选用PIPI或或PIDPID控控制规律。根据构成负反馈系统原则，确定控制器为反作用形制规律。根据构成负反馈系统
26、原则，确定控制器为反作用形式。式。41第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定n 一、临界比例度法一、临界比例度法42 按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度、积分时间TI和微分时间TD。理论计算的方法和工程整定法。先通过试验得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定43图6-20 临界振荡过程控制作用控制作用比例度比例度/%积分时间积分时间TI/min微分时间微分时间TD/min比例比例比例比例+积分积分比例比例+微分微分比例比例+积分积分+微分微
27、分2 k2.2k1.8k1.7k0.85 Tk0.5 Tk0.1 Tk0.125 Tk表 6-1临界比例度法参数计算公式表 比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定n 二、衰减曲线法二、衰减曲线法44通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。图6-2141和101衰减振荡过程控制作用控制作用/%/%TI/minTD/min比例比例s s比例比例+积分积分1.21.2s s 0.5 0.5 TS比例比例+积分积分+微分微分0.80.8s s 0.3 0.3 TS0.1 0.1 TS控制作用控制作用/%/%TI/minTD/min
28、比例比例s s 比例比例+积分积分1.2s s 2T升升比例比例+积分积分+微分微分0.8 s s 1.2 T升升0.4T升升表6-241衰减曲线法控制器参数计算表表6-3101衰减曲线法控制器参数计算表第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定s45第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定46（1 1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的来定，一般为额定值的5 5左右，也有例外的情况。左右，也有例外的情况。（2 2）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
29、不到正确的则得不到正确的S、TS或或S和和T升升值。值。（3 3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4141衰减衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到定，就可以近似地认为达到4141衰减过程了。衰减过程了。第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定n 三、经验凑试法三、经验凑试法根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过
30、渡过程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。47第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定48控制对象控制对象对象特征对象特征/%/%TI/minTD/min流量流量温度温度压力压力液位液位对象时间常数小，参数有波动，对象时间常数小，参数有波动，要大；要大；TI要短；不用微分要短；不用微分对象容量滞后较大，即参数受干扰候变对象容量滞后较大，即参数受干扰候变化迟缓；化迟缓；应小；应小；TI要长；一般需加微分要长；一般需加微分对象的容量滞后一般，不算大，一般不对象的容量滞后一般，不算大，一般
31、不加微分加微分对象时间常数范围较大。要求不高时，对象时间常数范围较大。要求不高时，可在一定范围内选取，一般不用微分可在一定范围内选取，一般不用微分4010020 6030 7020 800.3 13 100.4 30.5 3表6-4 控制器参数的经验数据表第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定49第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定50图6-22三种振荡曲线比较图图6-23比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较图比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，产生的周期性激烈振荡。如果比例度过大或积分时间过大，过渡过程变化缓慢的情形。第三节第三节 控制器参数的工程整定
32、控制器参数的工程整定51（2）先按表6-4中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。方法简单，适用于各种控制系统。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。第三节第三节 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定 对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值。可能得出不同的参数值。在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。的参数必须重新整定。5253
