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1、2020/9/6,1,第五章 简单控制系统设计,2020/9/6,2,简单控制系统设计,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。,干扰通道,控制通道,2020/9/6,3,控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：,被控变量,t,无控制作用,P,PD,PID,PI,2020/9/6,4,2020/9/6,5,简单控制系统设计,2020/9/6,6,5.2.4 执行器的选择,执行器是过程控制系统的重要组成部分，其特性好坏直接影响系统的控制质量,1. 执行器的选型,在过程控制中，使用最多
2、的是气动执行器，其次是电动执行器。应根据生产过 程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加 以选择并且确定。,2. 气动执行器气开、气关的选择,气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零 时使生产处于安全状态的原则确定；其次，在保证安全的前提下，还应根据是 否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。,2020/9/6,7,3. 调节阀尺寸的选择,调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它的选择对系统的正常运行影响很大,在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间，具体应根据实际需要 的流通能力的大小进行选择。,4. 调节阀流量特性
3、的选择,通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统 总的放大倍数近似线性的目的,2020/9/6,8,5.2.5 调节器正反作用的选择,控制系统中，各个环节的作用方向组合不当的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，反而会破坏生产过程的稳定。,因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。,2020/9/6,9,按此定义：,当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”；反之，称为“反作用” 。,控制器作用方向以输入与输出的关系定义,被控对象有的正作用，有的反作用,气开阀是正作用，气关阀是反作用,变送器都是正作用,
4、“正反作用” 定义,2020/9/6,10,构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正,各类增益符号的选择：,正,负,正,正,2020/9/6,11,调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈,简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。,2020/9/6,12,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,调节器正反作用类型的确定方法：,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。,2020/9/6,13,例1：加热炉出口温
5、度控制系统,设某时刻燃料压力,出料温度,炉温,阀关小,TC输出,TC输入,负反馈验证：,出料温度,炉温,燃料流量,2020/9/6,14,5.3 调节器的参数整定,调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度,、积分时间,以及微分时间,的大小。,衰减比,衰减率,n 4:110:1 0.750.9,保证系统具有一定的稳定裕量,2020/9/6,15,参数整定的方法,理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频 率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参 数的数值。 这种方法只有理论指导意义。,工程整定法主要是依靠工程经验，直
6、接在过程控制系统的实际运行中进行。,自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统,进行自 动整定控制回路中的PID参数。,理论计算整定法 工程整定法 自整定法,2020/9/6,16,5.3.2 调节器参数的整定,1临界比例度法,具体步骤：,1）首先将调节器的TI ， TD=0 ，置为较大的数值,2）等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小,直到出现,等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度,和等幅振荡周期,2020/9/6,17,3）按下表的经验公式计算出调节器的,2020/9/6,18,2衰减曲线法,衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰
7、减比。,当衰减比为4:1的振荡过程，或10:1的振荡过程，记录下此时的,以及输出响应的上升时间,、,衰减振荡周期,2020/9/6,19,该方法的最大缺点是较难准确确定4:1（或10:1）的衰减程度。尤其对于一些干扰比较频繁、过程变化较快的控制系统，如管道动、流量等控制系统不宜采用此法。,衰减曲线法对多数过程都适用。,然后对比下表经验公式计算：,2020/9/6,20,3反应曲线法（动态特性参数法）,反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。,先使系统处于开环状态，在输入端施加一个阶跃信号，记录下测量变送环节的输出响应曲线,2020/9/6,21,对于有自衡能力的广义被控
8、过程，传递函数可写为,根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据下表的经验公式计算调节器的参数。,2020/9/6,22,4三种工程整定方法的比较,三种工程整定方法都是通过试验获取某些特征参数，然后再按计算公式算出调节器的整定参数,反应曲线法通用性最强； 临界比例度法和衰减曲线法都无需掌握被控过程的数学模型； 从闭环试验对干扰有较好的抑制作用，开环试验对外界干扰的抑制能力很差的意义上说，衰减曲线法最好，临界比例度法次之，反应曲线法最差。,相同：,不同：,2020/9/6,23,综合性能指标,（1） 偏差绝对值积分：,（2）偏差平方值积分：,（3）偏差绝对值与时间乘积积分：,（4） 时间乘
9、偏差平方积分 :,衰减比 n 4:1 衰减率 0.75,最佳整定法,2020/9/6,24,5、 经验法,经验法的方法简单，但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。,在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据P、 TI 、 TD对过渡过程的影响为指导，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。,凭经验凑试。 其关键是“看曲线，调参数”。,2020/9/6,25,2020/9/6,26,注意： 同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。不同的
10、PID参数组合，有时会得到极为相近的控制结果。 例如某温度控制系统，控制器采用以下两组参数时： 15 TI 7.5min 35 TI 3 min 系统都得到10:1的衰减曲线，超调量和过渡时间基本相同。,2020/9/6,27,5.4 单回路控制系统设计实例,5.4.1 干燥过程的控制系统设计,5.4.1.1 工艺要求,由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法,由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。,奶粉含水量在2%-2.5%,2020/9/6,28,5.4.1.2 方案设计与参数整定,1. 被控参数与控制参数的选择,1）被
11、控参数的选择,根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应。,2）控制参数的选择,经过对装置的分析，可知影响干燥器温度的因素：,旁路空气流量,加热蒸汽流量,任选一个作控制参数， 均可构成温度控制系统。,乳液流量,出口温度稳定在1502,2020/9/6,29,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的作用通道又增加了两个100秒的双容滞后。,2020/9/6,30,调节方案： 方案1：取乳液流量为控制变量（调节阀1）,控制通道最短,2020/9/6,31,方案2：取
12、旁通冷风流量为控制变量（调节阀2）,由于有送风管路的传递滞后存在，较方案1多一个纯滞后环节=3s,2020/9/6,32,热交换器为双容特性，因而调节通道又多了两个容量滞后，时间常数都是T = 100秒。,方案3：取蒸汽流量为控制变量（调节阀3）,2020/9/6,33,控制方案的判别： 从控制效果考虑，方案1的调节通道最短，控制性能最佳；方案2次之，方案3最差。但从工艺合理性考虑，方案1并不合适。,因为乳液量应按该装置的最大生产能力控制，且在浓缩乳液管道上装调节阀，容易使调节阀堵塞而影响控制效果。因此，选择方案2比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。,2020/9/6,34,2仪表的选择
13、,1）测温元件及变送器的选择,选用热电阻温度计,2）调节阀的选择,选用气关式调节阀,3）调节器的选择,由于调节阀为气关式，故,为负；,当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故,测量变送器的,调节器的,应为正，故选用反作用调节器。,选用PI或PID控制规律,为负；,为正;,各环节静态放大系数的乘积为正,2020/9/6,35,3温度控制原理图及其系统框图,4. 调节器的参数整定,2020/9/6,36,5.4.2 贮槽液位过程控制系统的设计,5.4.2.1 工艺要求,生产工艺要求贮槽内的液位常常需要维持在某个 设定值上，或只允许在某一小范围内变化。同时 ，为确保生产过程的安全，还要绝
14、对保证液体不 产生溢出。,液体贮槽图：,5.4.2.2 方案设计与参数整定,1. 被控参数的选择,贮槽的液位为直接被控参数,2. 控制参数的选择,影响贮槽液位的参数有两个，一个是液体的流入量，一个是液体的流出量,这两个参数对被控参数的影响一样，但从保证液体不产生溢出的要求考虑 ，选择液体的流入量作为控制参数则更为合理。,2020/9/6,37,3.测控仪表的选择,1） 测量元件及变送器的选择,差压式传感器与变送器,2） 调节阀的选择,选用气开式调节阀,3） 调节器的选择,当液体流入量增加时，液位输出亦增加，故为正作用过程,因调节阀选为气开式，,测量变送环节,为反作用。,选用P或PI调节规律,也为正作用；,为正作用;,调节器,2020/9/6,38,液位贮槽控制系统原理图,4. 调节器参数整定,这是一个简单的单容过程，宜采用反应曲线法进行调节器的参数整定而不宜采用临界比例度法或衰减曲线法进行参数整定。,2020/9/6,39,2020/9/6,40,
