过程控制第6章单回路控制系统的设计课件

《过程控制第6章单回路控制系统的设计课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制第6章单回路控制系统的设计课件（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第6章 单回路控制系统设计,6.1 概述 6.2 单回路控制系统方案设计 6.3 单回路控制系统调节器参数的整定 6.4 单回路控制系统的投运 6.5 单回路控制系统设计举例,对于过程控制系统：,控制方案的选择,调节器参数整定,如果控制方案设计的不合理，仅凭调节参数的整定无法获得良好的控制质量；,控制方案很好，但是调节参数整定得不合理，也不能使系统运行在最佳状态。,过程控制系统结构形式：,简单（单回路）控制系统和复杂控制系统,6.1 概述,6.2 单回路控制系统设计,一、概述,单回路控制系统方案设计,系统的性能指标、被控参数和控制参数，控制规律、执行器的选择、被控参数的测量与变送。,控制方案设

2、计所包含的内容：,6.2.1 被控参数的选择,对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用，能较好反映工艺生产状态变化的参数作为被控参数。,以工艺控制指标作为被控参数（直接参数法或直接控制）,以质量指标进行操作时，采用间接参数法,注意：间接指标与质量指标要有单值函数关系， 时延小、反应快。,液面、压力、流量、温度,根据工艺操作的特点，选择被控参数一般有两个途径：,1.精馏原理,2.精馏塔对自控的要求, 与XD有关的参数,XD=f(TD P),p= 常数,XD = f（TD）,XD TD XD TD,测出温度可以知道浓度。,XD = f（p）,XD p XD p,测出压力可以

3、知道浓度。,TD = 常数,结论：固定压力，选择温度作为被控参数,考虑工艺的合理性,考虑所选被控参数的灵敏度,考虑所选被控参数的独立性,2.原则：,直接指标作为被控参数最直接最有效。,若不能直接用质量指标，应选一个与质量指标有单 值函数关系的间接参数作为被控参数，这个参数应 能最好的反映工艺状态。,被控参数应有足够的变化灵敏度。,工艺合理性和国内、外仪表的状况。,被控参数应是独立可调的。,6.2.2 控制参数的选择,扰动作用对被控参数的影响是使其偏离给定值。,控制作用则是要克服扰动对被控参数的影响。,控制参数是执行器所控制的参数，实现控制作用。,最常见的控制参数是流量，也有电压、转速等。,1.

4、过程静态特性的分析,结论： Kf Y（） 余差,Kf Y（） 余差,K0 Y（） 余差,K0 Y（） 余差,Kf越大、对被控参数的影响越大， 希望Kf尽可能小。,希望K0值大一些好，K0越大，表示控制作用强，抑制扰动的能力越强。但K0太大会破坏系统的稳定性。,2.过程动态特性的分析, 过程扰动通道动态特性的影响,时间常数Tf的影响,但由于过渡过程将乘上一个,超调量随着Tf的增大而减小，抑制扰动对被控参数的影响。,扰动通道的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好。,Tf，曲线hf(t)越平坦，扰动对被控参数的影响越小。,Tf，曲线hf(t)越接近阶跃，扰动对被控

5、参数的影响越大。,Tf越大越好,扰动通道的容积越多越大，对被控参数的影响越小。,时延时间tf的影响,不影响控制质量,扰动作用点位置,结论：扰动越远离被控参数（即越靠近调节阀时）， 对被控参数的影响越小，则控制质量越高。, 控制通道动态特性的影响,可控性指标,K和：即K愈大，则余差愈小； 愈大，则过渡过程进行愈快。,可控性指标：系统的最大增益Kmax和临界频率c,Kmax，可选放大系数K，从而系统稳态误差越小； c可选系统工作频率，过渡过程越快。,在纯比例作用时，系统处于稳定边界下的增益和振荡频率。,控制通道中时间常数大、阶数高、有纯时延环节都将使过程的Kmax和c值变小，从而使控制性能变差。,

6、结论：应选择时间常数小，纯时延小的通道作为 控制通道。,控制通道的影响,a.时间常数T0的影响,T0适当小,纯时延t0的影响,设:,b.时延的影响,（t0=0）,若,可见，纯时延t0的存在将降低系统的稳定性。,相角滞后增加t0弧度,C被控参数在扰动作用下的变化曲线,A、B分别表示无纯时延和 有纯时延控制作用对 被控参数的校正作用,D、E分别表示无纯时延和 有纯时延情况下被控 参数的实际变化曲线,纯时延使超调量增加，造成过渡过程 的振荡加剧，以致恢复时间拉长。,选择控制参数时，要设法使控制通道纯时延尽量小。,容量时延tc的影响,容量时延tc同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降。 若引入微分作

7、用，对克服tc对控制质量影响有显著的效果。,时间常数分配的影响,T1=10s，T2=5s，T3=2s,使几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。,选择控制通道：,3.根据过程特性选择控制参数的一般原则, K0要适当大一些；T0要适当小一些；t0愈小愈好。, Kf应尽可能小；Tf要大；扰动引入系统的位置要靠 近调节阀；容量时延愈大，则有利于控制。, 应尽量设法把几个时间常数错开。, 工艺操作的合理性、经济性。,举例：,举例：, 乳化物流量的变化将会影响温度 蒸汽压力的变化将会影响温度 鼓风机风量的大小还会影响温度,根据控制参数选择

8、原则进行分析：,第一种方案： 乳化物流量为控制参数,控制通道滞后小，对于干燥温度的校正作用最灵敏，而且干燥位置最靠近调节阀；扰动通道对象为多容量。,考虑工艺的合理性。乳化物流量是生产负荷， 需要稳定，不易作控制参数。,第二种方案： 空气流量为控制参数,较第一方案控制通道时延时间稍大, 灵敏度次之。,第三种方案： 蒸汽流量为控制参数,控制通道很长，纯时延、容量时延大，灵敏度差。 T0、t0大，不易作控制参数。,第二种方案较好最合适,6.2.3 测量变送问题,1.纯时延问题,2.测量时延问题,解决的办法：, 选择惰性小的快速测量元件，以减少时间常数。, 选择合适的测量点位置，以减少纯时延。, 使用

9、微分单元，以克服测量环节的容量时延。,微分单元置于变送器之后时，有,微分单元置于调节器之后时，有,微分单元置于变送器之后时，有,微分单元置于调节器之后时，有,使系统对给定值变化的响应起着加强的作用，能使系统较快的跟踪。,6.2.4 信号传送时延问题,测量信号传送产生的时延 指测量变送器的输出信号传输到室内调节器， 所引起的时延。,控制信号传送产生的时延 指调节器的输出信号传输到现场的执行器， 所引起的时延。,解决方法：,保证信号远距离传输时采用电信号传输。即将 电气转换器放在室外。或采用电气阀门定位器。,6.2.5 执行器的选择,根据生产过程的特点、被控介质的情况等，选用气动执行器或电动执行器

10、。,1.气动执行器或电动执行器的选择,2.结构形式的选择,根据控制参数的工艺条件（如温度、压力、流量）及流体的性质（粘度、腐蚀性、毒性、含悬浮物或含纤维等），再按各种调节阀的结构特点加以确定。,3.流量特性的选择,根据被控过程的特性、负荷变化的情况以及调节阀在管道中的安装方式等，选择适当的流量特性。,2.气开、气关形式的选择,按生产安全原则，选取气开或气关。,若对生产安全影响不大时，可根据产品质量、节约 能源等方面考虑。,5.口径的选择,6.2.6 调节器控制规律的选择,根据流体的体积或重量的数值、流体的种类、阀前后压差选择合适的计算公式，首先计算出流通能力，根据计算出的流通能力，在所选的产品

11、型式的标准系列中就可确定阀的口径。,比例控制规律,特点：克服干扰能力强，过渡过程时间短， 过程终了存在余差。,适用范围：控制通道滞后较小，负荷变化不大， 允许余差存在。,比例积分控制规律,适用范围：控制通道滞后较小，负荷变化不大， 不允许余差存在。,比例积分微分规律,适用范围：容量滞后较大的系统，负荷变化大的系统。,P,PI,PI,PI,P,PID,液位 压力 流量 温度,6.2.7 调节器正、反作用的选择,输入增加时，输出也增加，则放大系数为正。“+”,输入增加时，输出减少的，则放大系数为负。“-”,调节器正反作用的选择，使自动控制系统具有负反 馈的闭环控制系统。因此与各环节的工作方向有关。

12、,定义各环节的作用方向：,作用方向：指各环节输入变化后，输出的变化方向。,执行器：气开式调节阀 Kv0,气关式调节阀 Kv0,被控过程：控制参数增加时，被控参数增加，K0 0,控制参数增加时，被控参数减少，K0 0,测量变送器：Km 0,调节器：测量值增加，输出增加，称正作用，则Kc 0,测量值增加，输出减少，称反作用，则Kc0,原则：必须保证整个控制系统是负反馈的闭环系统。,方法：使控制回路中各环节总的放大系数相乘必须为负。,T,u出,阀关小,（X- Z）,T,h,u出,阀开大,（X- Z）,h,试确定两个系统中执行器的气开、气关形式及 调节器的正、反作用,要求物料温度不能过高， 否则容易分

13、解。,要求物料温度不能太低， 否则容易结晶。,气开,反作用,气开,正作用,6.3 单回路控制系统调节器参数的整定,TI,TD,4:110:1,d,调节器参数的整定的方法: 理论整定法、工程整定法、计算机仿真寻优整定法 。,根据已知的广义对象特性及控制质量的要求,通过理论计算出调节器的最佳参数。,在已经投运的实际控制系统中,通过实验和探索,来确定控制器的最佳参数。,理论计算整定法：,工程整定法：,计算机仿真寻优整定法,方法繁琐、计算麻烦,方法简单、计算方便、容易掌握,利用误差积分最优准则，通过计算机仿真以求调节器的参数整定达到最优，该整定方法的应用越来越广泛。,6.3.1 工程整定法,1.反应曲

14、线法, 将TI:，TD=0，把d放在合适的值，系统投入 自动运行，在扰动作用下，调整d使过程产生等 幅振荡记下此时的dK，由过程曲线求取TK。, 根据dK、TK，按表66计算 调节器参数值，d、TI、TD, 将d放在比计算值略大些的刻 度上, 然后由大到小的将TI 加入，最后由小到大将TD 加入。,2.临界比例度法,优点：简单易掌握、易判断整定质量、应用广泛、 多数系统可使用。,缺点：不适用于dK小的系统。, 将d调到计算值，观测运行，如曲线不够理想， 可对d、TI、TD 再作适当调整。,3.衰减曲线法, 系统按纯比例作用投入自动运行。, 根据经验选一d放好，观测 过程曲线，若不为4:1或10

15、:1 曲线,再改变d值，重复上述 动作，直到取得满意的4:1或 10:1衰减过程为止。, 记下此时的ds、Ts或ds T升， 按表67或表68计算各参数 值d、TI、TD。,将d放在比计算值略大些的刻度上，然后把 TI、TD加入，最后把d调到计算值。,优点：整定质量较高、较准确可靠、安全、 应用较广泛。,缺点：不适用于扰动频繁、记录曲线不规 则的控制系统。,4.经验凑试法, 将TI:，TD=0，根据经验数据，选出一个合适 的d作为初始值，将系统投入自动运行。, 按纯比例系统整定d，求得较好的过程曲线。, 将积分时间引入，并整定d、TI， 直至得到满意的过程曲线。, 若需引入微分作用，在此基础上引入TD，观察曲线， 进行凑试，寻求最佳过程。,优点：简单方便、应用广泛、 对于扰动频繁的系统更为合适。,缺点：质量不一定高，花时间多。,6.3.2 计算机仿真寻优整定法,6.4 单回路控制系统的投运,1.准备工作,2.系统投运,五、单回路控制系统设计举例,1.生产工艺概况,2.控制方案的设计,3.调节器参数整定,被控参数,控制参数,检测控制仪表,