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1、第七章 简单控制系统 第一节 简单控制系统的结构与组成 组成：被控对象+自动化装置 简单（单回路）控制系统 蒸汽 汽包 给水 省煤器 锅炉汽包水位控制系统 被控对象：锅炉汽包 被控变量：汽包液位 操纵变量：进水流量 主要干扰：蒸汽量的变化 控制过程分析 (1)平衡状态： 当给水量和蒸汽量均不变的情况下，控制系 统处于平衡状态，并将保持这个状态，直到 有新的干扰产生。 (2)干扰分析： 阀前压力进水流量液位 蒸汽需要量液位 第一节 简单控制系统的结构与组成 简单控制系统的组成： 控制流程图中，测量变送环节可省略不画 第一节 简单控制系统的结构与组成 液位控制系统 温度控制系统 第一节 简单控制系
2、统的结构与组成 不同控制系统 同方块图 简单反馈控制系统反馈回路 特点：结构简单，投资低、操作维护方便，应 用广泛（占85%） 本章：基本原则, y/q选择, PID选择及参数整定 简单控制系统的方块图 第二节 简单控制系统的设计 被控变量：生产中保持恒定或按一定规律变化 的变量 重要性：关系到稳定操作、提高产量、质量、 保证安全，关系到控制方案的成败。 在过程工业装置中，为实现预期的工艺目标往 往有许多个工艺变量或参数可以被选择作为被 控变量，也只有在这种情况下，被控变量的选 择才是重要的问题。在多个变量中选择被控变 量应深入研究，找出“关键变量”作为被控变量 第二节 被控变量的选择 关键变
3、量：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，或人 工操作虽可满足要求，但紧张、频繁的变量。 控制型式：直接指标控制与间接指标控制 直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工 艺指标（P、T、F、L、成分等） 间接指标控制：工艺按照质量指标操作时，缺乏 检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很 大，选取与直接质量指标有单值对应关系、反应 快的另一变量（ P、T ）作为间接控制指标 第二节 被控变量的选择 精馏过程工作原理： 利用被分离物各组分的 挥发度不同，把混合物 中的各组分进行分离。 若塔顶（或塔底）馏出 物xD（或xW）被控 变量 若检测困难或滞后太大 ，
4、需间接指标控制 二元系统，气液两相并 存：xDTDp 第二节 被控变量的选择 压力p恒定时，组分xD 和温度TD存在单值对 应关系： xD TD xD TD 苯甲苯溶液的Tx图苯甲苯溶液的px图 温度TD 恒定时，组分 xD和压力p存在单值对 应关系： xD p xD p 第二节 被控变量的选择 温度被控变量 原因：工艺合理性 第一、精馏塔操作中，压力需固定。 塔压固定保证塔的分离纯度、效率和经济性 塔压波动 破坏汽液平衡、影响相对挥发度、 处于不良工况； 塔压变化物料量的变化、负荷波动 第二、塔压固定，各层塔板上的压力基本不变 温度组分单值对应关系。 固定压力，温度被控变量合理。 xD变化时
5、，TD应有足够的灵敏度，易被感受。 第二节 被控变量的选择 被控变量具独立性 精馏操作中，塔顶、塔底温度控制系统 塔底温度上升蒸汽温度塔顶温度 塔顶温度回流液温度 塔底温度 塔底温度和塔顶温度互相干扰 简单控制系统只能保证一端的产品质量 若要同时保证，需复杂控制系统 第二节 被控变量的选择 被控变量选择原则： （1）能代表一定的工艺操作指标、状态关 键变量 （2）经常受到干扰影响变化，需频繁调节 （3）选直接指标；无法获得或滞后较大间 接指标（有单值对应关系） （4）应能测出，有足够大的灵敏度 （5）考虑工艺合理性和国内仪表产品现状 （6）应独立可控 二、操纵变量的选择 一、操纵变量 定义：自
6、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。 操纵变量介质的流量、转速、电压 液位控制系统 温度控制系统 第三节 操纵变量的选择 影响被控变量的因素： 可控、不可控 选择原则： 在影响被控变量的诸因素 中，选择一个对被控变量 影响显著而且可控性良好 的输入，作为操纵变量， 其他未选中的所有输入量 系统干扰 精馏设备，灵敏板温度 被控变量塔底产品的 成分 第三节 操纵变量的选择 影响提馏段灵敏板温度T灵 的因素主要有 可控：回流量、蒸汽流量 不可控：其他 其中Q入、塔压可调但不允 许： Q入波动生产负荷； 塔压工况、Tx 蒸汽流量对提馏段温度影响 更及时、更
7、显著耗能更少 。 影响提馏段温度的 各种因素示意图 蒸汽流量操纵变量 操纵变量的选择 二、对象特性对选择操 纵变量的影响 干扰变量：由干扰通道 施加在对象上，起破坏 作用，使被控变量偏离 给定值； 操纵变量：由控制通道 施加在对象上，使被控 变量回复到给定值，起 校正作用。 考虑对象特性 干扰通道与控制 通道的关系 操纵变量的选择 1、对象静态特性的影响 选择操纵变量q时，控制通道的放大系数Ko要大 Ko大小表征了q对被控变量y的影响程度。 Ko越大，控制作用对y影响越显著，使控制更有 效。从控制的有效性越高考虑， Ko越大越好； 但是Ko过大，过于灵敏，使控制系统不稳定。 干扰通道的放大系数
8、Kf要小， Kf越小越好。Kf 小，干扰对y影响不大，过渡过程的超调量不大 从静态特性考虑，选择放大系数大的可控变量 作为操纵变量。 操纵变量的选择 2、对象动态特性的影响 （1）控制通道时间常数的影响 控制作用控制通道对象；控制通道时间常数 To不能过大，使操纵变量的校正作用迟缓、超调 量大、过渡时间长。 对象控制通道To小反应灵敏、控制及时 精馏塔中提馏段T：回流量通道长T大 加热蒸汽量通道短T小 （2）控制通道纯滞后0的影响 控制通道的物料输送、能量传递都需一定时间纯 滞后0 操纵变量的选择 C干扰作用，A、B校正作 用，D、E同时作用 正偏差信号：对象控制通道无 纯滞后 D；有纯滞后
9、E； 纯滞后使超调量增加。 负偏差信号：有纯滞后 被 控变量继续下降振荡加剧、 时间长、不稳定 选择操纵变量时应使对象控制 通道的纯滞后0尽量小 纯滞后0对于控制 质量的影响 0 第三节 操纵变量的选择 （3）干扰通道时间常数的影响 干扰通道的时间常数Tf越大，干 扰对被控变量的影响越缓慢， 越有利于控制。 （4）干扰通道纯滞后f的影响 干扰通道有纯滞后f，干扰对被 控变量的影响推迟时间f ，控制 作用也推迟时间f ，只要控制通 道无纯滞后，不影响控制质量 。 操纵变量的选择 三、操纵变量的选择原则 在选定被控变量后，要确定操纵变量。实际上， 两者放在一起综合考虑。操纵变量的选取应遵循 下列原
10、则： （1）须可控，工艺上允许调节的变量； （2）应比其它干扰对被控变量影响更灵敏。 控制通道的放大系数o要尽量大一些，时间常 数o适当小些，纯滞后时间尽量小。使干扰通 道的放大系数尽可能地小，时间常数尽可能地大 （3）工艺上的合理性和经济性。不宜选择代表生 产负荷的变量作操纵变量，以免产量受到波动； 应尽量降低物料和能量消耗。 三、测量元件特性的影响 被控变量选择好之后，被控变量如何测量仍 然有诸多因素需要考虑，以便更灵敏更快 速更及时和更经济地测得被控变量。 测量、变送环节控制的依据失调、误调 一、测量元件的时间常数 测量元件（T）时间常数测量滞后 测量元件特性的影响 时间常数大失真信号控
11、制质量 解决：快速测量元件、加微分作用 测量元件的时间常数Tm对象时间常数的1/10 时，影响不大。 影响因素： 测量元件安装问题、维护 F、T：安装不正确精度失真控制质量 维护、检查（恶劣条件） ：热电偶表面结晶或 结焦 Tm控制质量 测量元件特性的影响 二、测量元件的纯滞后 测量纯滞后(控制通道)严重控制质量 原因：安装位置 被控变量中和槽出口溶液的pH值 纯滞后 引入微分作用无用 测量元件特性的影响 三、信号的传送滞后 测量信号传送滞后+控制信号传送滞后 定义： 测量信号传送滞后：由现场变送器信号传送到 控制室的控制器所引起的滞后。气动信号 控制信号传送滞后：控制室内控制器的输出信 号传
12、送到现场执行器所引起的滞后。气动薄膜 控制阀容量滞后 信号传送滞后与对象控制通道的滞后影响相同 解决：气压管路300m，直径6mm；阀门定 位器、气动继动器增大功率；电信号传递 四、控制器控制规律的选择 一、控制器控制规律的确定 在控制系统投运前，仪表选型确定以后： 对象的特性固定；测量元件及变送器的特性一般 也不可改变；执行器+阀门定位器可有一定程度 的调整，但灵活性不大； 简单控制系统组成：广义对象+控制器 主要可改变参数的是控制器。系统设置控制器 改变整个系统的动态特性，以达控制的目的。 简单控制系统简化方块图 控制器控制规律的选择 控制器主要控制规律：位式、P、PI、PD、 PID 选
13、择原因：广义对象特性和工艺要求 1、位式控制 常见的位式控制有双位。双位控制输出p与输入 偏差e之间的关系为： 适用场合：一般适用于滞后较小，负荷变化不大 也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在 一定范围内波动的场合，如恒温箱、电阻炉等的 温度控制。 控制器控制规律的选择 2、比例控制 它是最基本的控制规律。比例控制器的输出p与 输入偏差e之间的关系为： 可调参数Kp或 单元组合仪表=1/Kp100% 特点：当负荷变化时，克服干扰能力强，控制作用 及时，过渡过程时间短，但过程终了时存在余差 ，且负荷变化越大余差也越大。 适用场合：控制通道滞后较小、时间常数不太大、 干扰幅度较小，负荷变化不
14、大、控制质量要求不 高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位 的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。 控制器控制规律的选择 3、比例积分控制 PI控制器的输出p与输入偏差e之间的关系为： 可调参数：Kp或、TI 特点： 引入积分作用能消除余差，故PI控制是 使用最多、应用最广的控制规律。 但是，加入积分作用后要保持系统原有的稳定 性，必须（削弱比例作用），使控制质量有 所下降，如最大偏差A和振荡周期相应增大，过 渡时间加长。 控制器控制规律的选择 适用场合：对于控制通道滞后小，负荷变化不太 大，工艺上不允许有余差的场合，如流量F或 压力P、液位L的控制。 4、比例微分控制 比例微分控制器的输出
15、p与输入偏差e之间的关 系为： 可调参数：Kp或、TD 控制器控制规律的选择 特点： 引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的 稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控 制过程，改善了控制质量。 适用场合： 比例微分控制适用于对象容量滞后较大的场合 。对于滞后很小和干扰作用频繁的系统，应尽 可能避免使用微分作用。 控制器控制规律的选择 5、比例积分微分控制 比例积分微分控制的输出p与输入偏差e之间的关 系为： 可调参数：Kp或、TI、TD 特点：微分作用对于克服容量滞后有显著效果，对 克服纯滞后是无能为力的。在P的基础上加上D能 提高系统的稳定性，加上I作用能消除余差，又有 、TI 、TD三个可调参数可获得较高的控制质量 适用场合：容量滞后大、负荷变化大、控制质量要 求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。 选择控制规律的原则可归纳为以下几点： (1)当广义对象控制通道的时间常数大，或多容 量引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好 效果，积分
