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1、第3章 简单控制系统的设计,简单控制系统设计复习视频,化工生产自动化 -网易公开课 ,本章要点,1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤； 2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则； 3）掌握调节器作用方式的选择,简单控制系统的结构与组成 指由一个测量变送器、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。,仪表符号标准,3.1 简单控制系统设计概述,控制系统原理方框图,1. 过程控制系统方案设计的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。 2. 过程控制系统设计的主要内容 过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程
2、设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。 其中控制方案设计是控制系统设计的核心。,简单控制系统设计,3.2 控制方案的确定,控制方案的确定主要包括： 系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、 控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。,1. 被控参数的选择,被控变量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。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。,被控变量的选择依据： 1)、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量 换热器出口温度控制系统：工艺要求出口温度为定值
3、。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。,2)、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。,精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不同，将各组分分离。但是，没有合适的仪表在线检测馏出物的纯度，则不能直接作为被控变量。 塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响,3)、被控变量必须有足够大的灵敏度 被控变量必须灵敏，容易被测量。 4)、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性 上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控变量。 上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系统，会相互干扰，存在关联。因
4、此，若采用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。,控制变量: 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控制变量或操纵变量。 最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。,2 控制变量的选择,控制变量的选择,控制变量的确定 被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。 在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量； 其它未被选中的因素则视为系统的干扰。,1过程（通道）静态特性对控制品质的影响 如图所示为单回路控制系统的等效框图。,Gc
5、(s) 控制器的传递函数； Go(s) 广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数； Gf(s) 扰动通道的传递函数。,1. 过程特性对控制质量的影响,1). 干扰通道特性对控制质量的影响,扰动通道的增益对控制品质的影响,当干扰是幅值为F的阶跃信号,结论：控制通道的放大系数K0越大，系统的余差越小。 控制通道的放大系数K0还可通过Kc加以补偿。 Kc越大，余差越小。 扰动通道的增益F越大，对余差的影响越大。,仿真,至1.5 黑线,(1)、扰动通道Kf对控制品质的影响,(2)、时间常数对控制质量的影响,干扰通道的惯性因子（Tf s+1）使干扰作用的影响缓慢。 Tf 越大(滤波作用越强)，干扰对
6、被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。 干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf 越大，控制时最大偏差越小。,5,7,10到黑线,时间常数对控制质量的影响,1,2到红线,(3)、扰动通道的时滞对控制质量的影响,(4)、扰动进入系统位置的影响,当扰动F的幅值和形式相同时，进入系统的位置越远离被控变量（或越靠近操作变量），扰动对控制系统被控变量的影响越小。 因为扰动进入位置越远离被控变量，相当于等效时间常数越大或扰动通道的滤波环节越多，扰动对被控变量的影响越小。,(2) 干扰通道 的影响,由式2可知，,为惯性环节，对干扰,具有“滤波”作用，,越大，“滤波”,效果越明显，因此干扰通道的时间常数越
7、大，干扰对被控参数的动态影响就越,小，因而越有利于系统控制质量的提高。,(3) 干扰通道 的影响,由式3可知，,的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间,因此，,的存在并不影响系统的控制质量。,(4) 干扰进入系统位置的影响 因此干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。 从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大， 这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。,(1)干扰通道 的影响：,越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。,在系统设计时应尽可能选择静态增益,小的干扰通道，以减小干扰对被控参数,的影响。,无法被改变时，应当增强控
8、制作用或采用干扰补偿的方法。,干扰通道特性对控制质量的影响总结:, 2)、调节通道动特性的影响,对象的自平衡性： 具有自平衡的对象，控制性能佳 无自平衡的对象，控制性能差。,(1)、调节通道的增益对控制品质的影响,在Kc一定的条件下，Ko越大，控制作用越强，克服扰动的能力就越强，余差越小。 同时，Ko越大，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。 但Kc一定， Ko越大，意味着系统的静态开环增益越大，对系统的闭环稳定性越不利。 闭环总放大倍数的稳定是控制系统稳定的前提，因此，KoKc的乘积应保持恒定。 选择操作变量时，应考虑Ko：大、稳。,时间常数大，反映速度慢，需要较长的过渡过程时间，
9、但过程平稳； 时间常数小，反映快，过渡过程时间相应减小； 时间常数过小，容易引起振荡和超调。,(2)、调节通道的时间常数对控制品质的影响,(3)、调节通道时滞对动态性能的影响,纯滞后的存在，超调量将会增加，调节质量将会恶化。 调节通道纯滞后越大，这种现象就越严重，调节质量也就越坏。,实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。,以三阶为例,相应的临界稳定增益,为,的大小完全取决于,三个时间常数的相对比值,可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是 有利的。,也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益 就允许增大得越多，因
10、而对系统的控制质量就越有利。,系统传函为：,(4) 控制通道时间常数匹配的影响,(4)、控制通道的时间常数匹配问题, 总结： 控制参数的确定,1) 选择结果应使控制通道的静态增益,尽可能大，时间常数,选择适当。,2) 控制通道的纯时延时间,应尽可能小,和,的比值一般应小于0.3。,3) 干扰通道的静态增益,应尽可能小；时间常数,应尽可能大，其个数,尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。,这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。,4) 当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间,常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。,5)
11、在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素,选择调节参数应尽量使调节通道的( ) A干扰通道时间常数尽可能小 B.控制通道放大系数适当大 C. 控制通道时间常数适当小 D.控制通道纯滞后时间尽量小 E. 干扰进入的位置离被调量测量点近一些。,控制参数选择的一般性原则,控制（操纵）变量的选择,实际上，被控变量与操纵变量是要求一起综合考虑的。操纵变量选择应该遵循一些原则： （1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量 （2）操纵变量应该是系统中所有被控对象的输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数K要尽量大，时间常数T适当小，滞后时间尽量小。,（3）不宜选择代表生产
12、负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。 如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使得出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。,1) 当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当 工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节；,2) 当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差 时，应选用P调节；,3) 当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时， 应选用PI调节，,4) 当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧
13、烈时，简 单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；,5) 若将广义过程的传递函数表示为,时，则可根据,的比值来,选择调节规律：当,时，可选用P或PI调节规律；当,时，可选用PID调节规律；当,时，应采用其他控制方式。, 3. 调节规律的选择原则,1调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区 间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。 2调节阀的流量特性选择 按补偿对象特性的原则选取。 3调节阀的气开、气关作用方式选择 按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。,4 执行器的选择,负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被
14、控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。,5 调节器正/反作用方式的选择,调节器正反作用的确定原则:,保证系统构成负反馈, 即: 构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正,OR: 闭合回路中有奇数个反作用环节 (调节规律和比较器作为一个环节)。,闭合回路中有奇数个反作用环节,首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定,的正负；,然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定,的正负；,最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定,调节器,正负，进而确定调节器的正反作用类型。,调节器正反作用类型的确定方法,例1：
15、加热炉出口温度控制系统,负反馈验证： 设某时刻燃料压力燃料流量炉温出料温度 TC输入 TC输出阀关小炉温出料温度,反,正,正,例2： 液位控制系统，工艺要求防止气源突然断气时，阀门自动关闭，物料全部流走 。,负反馈验证： 设某时刻进料量液位LC输入 LC输出阀开大出料量液位,正,正,反,在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。 控制器参数的整定，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值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。
16、,6. 调节器的参数整定,如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。,已浓缩的奶液从储槽流下，经过滤后从干燥器顶部喷出。干燥空气被加热后经风管吹入干燥器。滴状奶液在热风中干燥成奶粉，并被气流带出干燥器。,7. 单回路控制系统设计实例,控制方案设计 1 ) 被控参数选择 按工艺要求应首选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。,试验发现，奶粉含水量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在1502，则奶粉含水量符合2%2.5% 。因此选干燥器出口流体温度为被控变量。,2) . 控制变量选择 影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控因素有：,乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化 f2 加热蒸汽流量变化 f3 若分别以这三个变量为控制变量，可以得到三个不同的控制方案。,影响量作用的位置不同：,乳液流量变化f1的作用通道最短；旁路空气流量变化f2的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量变化f3的作用通道又增
