《仪表自动化系统安装与投运教学课件作者张立军项目八 简单控制系统的投运与参数整定》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪表自动化系统安装与投运教学课件作者张立军项目八 简单控制系统的投运与参数整定（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目八 简单控制系统的投运与参数整定,任务一 简单控制系统的投运 任务二 简单控制系统的参数整定,返回,任务一 简单控制系统的投运,【任务描述】 在学习简单控制系统工作原理的基础上，掌握简单控制系统的投运方法。 【知识链接】 所谓简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器，一个控制器，一个执行器和一个被控对象所构成的一个回路的闭环系统，因此也称为单回路控制系统。 一、简单控制系统方块图 图8-1所示的液位控制系统与图8-2所示的温度控制系统都是简单控制系统的例子。图8-1所示的液位控制系统中，储槽是被控对象，液位是被控变量，变送器LT将反映液位高低的信号送往液位控制器LC。控制器的输出信号送
2、往调节阀，调节阀开度的变化使储槽输出流量发生变化以维持液位稳定。,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,图8-2所示的温度控制系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，来维持换热器出口物料的温度稳定在工艺规定的数值上。 简单控制系统的典型方块图如图8-3所示。 二、自动控制系统的分类 在自动控制系统中，按给定值的变化规律分类，可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 1.定值控制系统 这类自动控制系统的给定值在控制系统运行过程中通常是固定不变的。在工业生产中，自动控制系统大多为定值控制系统。 2.随动控制系统（也称自动跟踪系统） 这类自动控制系统的特点是给定值不断地变化，而且，这种变
3、化不是预先规定的，也就是说给定值是随机变化的。随动控制系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。伺服控制系统被控变量为位置、速度或加速度的跟踪系统，属于随动控制系统。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,3.程序控制系统（又称顺序控制系统） 这类自动控制系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。 三、控制系统的过渡过程和动态性能指标 1.控制系统的过渡过程 在定值控制系统中，我们将被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态或稳态，而把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。 定值控制系统的目的就是希望
4、将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,当自动控制系统在动态过程中，被控变量是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程，也就是自动控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 自动控制系统的过渡过程是控制作用不断克服干扰作用影响的过程，这种过程是控制作用与干扰作用这对矛盾在系统内斗争的过程，当这对矛盾得到统一时，过渡过程也就结束，系统又达到了新的平衡。 一般说来，自动控制系统在干扰作用下的过渡过程有图8-4所示的四种基本形式。 （1）非周期衰
5、减过渡过程。 被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。这种过渡过程形式称为非周期衰减过渡过程，如图8-4（a）所示。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,（2）衰减振荡过程。 被控变量上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上。这种过渡过程的形式称为衰减振荡过程，如图8-4（b）所示。 （3）等幅振荡过程。 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。这种形式的过渡过程称为等幅振荡过程，如图8-4（c）所示。 （4）发散振荡过程。 被控变量来回波动，且波动幅值逐渐变大，即偏离给定值越来越远。这种形式的过渡过程称为发散振荡过程，如图8-4（
6、d）所示。 对于衰减振荡过程，由于能够较快地使系统稳定下来。所以，在多数情况下，我们希望自动控制系统能够得到如图8-4（b）所示的衰减振荡过程。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,2.控制系统的动态性能指标 定值控制系统的作用是克服干扰的影响，使被控变量保持在预定的数值。因此对定值控制系统的控制要求是平稳，在扰动发生以后，希望被控变量稳得住、稳得快、稳得好。控制系统的过渡过程品质指标示意图如图8-5所示。 控制系统能否稳定、快速、准确地达到平衡状态，通常采用下列几个品质指标来衡量。 （1）最大偏差或超调量。最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中
7、，最大偏差就是第一个波的峰值，在图8-5中以A表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度。若偏离的越大，偏离的时间越长，即表明系统离开规定的工艺参数指标就越远，这对稳定正常生产是不利的。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,有时也可以用超调量来表征被控变量偏离给定值的程度。在图8-5中超调量以B表示。从图中可以看出，超调量B是第一个波峰值A与新稳定值C之差，即B=A-C。如果系统的新稳定值等于给定值，那么最大偏差A也就与超调量B相等了。 （2）衰减比。虽然前面已提及一般希望得到衰减振荡的过渡过程，但是衰减快慢的程度多少为适当呢？表示衰减程度的指标是衰减比，它是前后两个相邻峰值
8、的比。在图8-5中衰减比是BB，习惯上表示为n1。一般n取410之间为宜。因为衰减比在41101之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被控变量在同时受到干扰作用和控制作用的影响后，能比较快地达到一个峰值，然后马上下降，又较快地达到一个低峰值，而且第二个峰值远远低于第一个峰值。选择衰减振荡过程，并规定衰减比在41101之间，这完全是工人师傅多年操作经验的总结。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,（3）余差。当过渡过程结束时，被控变量新的稳态值与给定值之间的偏差，叫做余差。或者说，余差就是过渡过程结束时的残余偏差，在图8-5中以C表示。余差的符号可能是正，也可能是负。在生产中，
9、给定值是生产的技术指标，所以，被挖变量越接近给定值越好，亦即余差越小越好。但在实际生产中，也并不是要求任何系统的余差都很小。如一般储槽的液位控制要求就不高，这种系统往往允许液位有较大的变化范围，余差就可以大一些。 有余差的控制过程称为有差控制，相应的系统称为有差系统。没有余差的控制过程称为无差控制，相应的系统称为无差系统。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,（4）过渡时间。从干扰作用发生的时刻起，到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间，叫做过渡时间。严格地讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过渡过程来讲，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。因此，一般是在稳态值的上下规
10、定一个小的范围，当被控变量进入这一小范围，并不再超出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束。这个范围一般定为稳态值的5%（也有的规定为2%）。 （5）振荡周期或频率。过渡过程的同向两个波峰（或波谷）之间的间隔时间，叫做振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比。一般希望振荡周期短一些为好。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,四、被控变量的选择 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值的变量称为被控变量。在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要，如果被控变量选取不当，不管组成什么样的控制系统，也不管配上多么先进的自
11、动化仪表，都不能达到预期的控制效果。 影响生产正常运行的因素很多，但并非所有影响因素都需要且可能加以自动控制。我们必须分析工艺要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量。所谓“关键”，是指这些变量对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，且对这些变量进行人工操作是既紧张又频繁，或人工操作根本无法满足工艺要求。 如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（如温度、压力、流量、液位等），则称为直接控制指标。如果直接控制指标无法在线直接检测得到（如成分、反应程度等），则应选择与直接控制指标有单值对应关系且反应又快的间接指标作为被控变量。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,若要正确地选择被
12、控变量，就必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分析各变量之间的相互关系。选择被控变量时，一般要遵循下列原则： （1）应该选择对安全生产、稳定生产、增加产量和提高质量有决定作用的工艺变量作为被控变量。 （2）被控变量在生产过程中常常要受到一些干扰影响而变化，为维持被控变量的恒定，需要较频繁的调节。 （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。 （4）被控变量应比较容易测量，并具有小的滞后和足够大的灵敏度。 （5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性。 （6）被控变量应是独立可调的。,上一页,下一页
13、,返回,任务一 简单控制系统的投运,五、操纵变量的选择 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。具体来说，就是执行器的输出变量，最常见的操纵变量是执行器控制的流量。此外，也有以转速、电压等作为操纵变量的。在本项目任务一的例子中，液位控制系统的操纵变量是出口流体的流量；温度控制系统的操纵变量是载热体的流量。 当被控变量选定以后，接下来应对工艺进行分析，找出有哪些因素会影响被控变量发生变化，并找出这些影响因素中哪些是可控的，哪些是不可控的。原则上，应将对被控变量影响较显著的可控因素作为操纵变量。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,操纵变量和
14、干扰变量作用在对象上，都会引起被控变量的变化。干扰变量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；操纵变量由控制通道加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用，这是一对相互矛盾的变量，它们对被控变量的影响都与对象特性有密切的关系。因此在选择操纵变量时，要认真分析对象特性，以提高控制系统的调节品质。 概括起来，选择操纵变量的原则有如下三点。 （1）操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 （2）操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更大更加灵敏。需要说明的是，在影响被控变量的诸多因素中，确定了其中一种因素作为操纵变量后，其余的因素都自然成了影响被控变量的干扰因素。 （
15、3）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，尽可能地降低物料和能量的消耗。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,六、控制规律的选择 目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律组合：比例控制规律、比例积分控制规律、比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。 选择哪种控制规律主要是根据控制系统的特性和工艺要求来决定。 1.比例控制器 比例控制器输出的变化量与调节器输入的变化量（即偏差）成比例，其输出P与输入e关系为： P=KC e 比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干
16、扰能力强，过渡过程时间短。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。但是，纯比例控制器在过渡过程终了时存在余差。负荷变化愈大，余差就愈大。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。 2.比例积分控制器 比例积分控制器输出P与输入e关系为： 比例积分控制器的特点：积分作用使控制器的输出与偏差的积分成比例，故过渡过程结束时无余差，这是积分作用的显著优点。但是，加上积分作用，会使稳定性降低。虽然在加上积分作用的同时，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，过渡过程时间也加长。 比例积分控制器是使用最多、应用最广的控制器。它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。,上一页,下一页,返回,任务一 简单控制系统的投运,3.比例积分微分控制器 比例积分微分控制器输出P与输入e关系为： 比例积分微分控制器的特点：微分作用使控制
