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1、第七章第七章 简单控制系统简单控制系统华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系7.1 系统组成及分析系统组成及分析7.4 简单控制系统设计案例简单控制系统设计案例本章内容：本章内容：7.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计7.3 简单控制系统的投运与参数整定简单控制系统的投运与参数整定 7.5 简单控制系统习题解答简单控制系统习题解答图图7-1 锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水省煤器省煤器被控变量：被控变量：过程（被控对象）：过程（被控对象）：操纵变量：操纵变量：主要扰动：主要扰动：汽包液位汽包液位锅炉汽包锅炉汽包进水流量进水流量蒸汽量的变化
2、蒸汽量的变化7.1 系统组成及分析系统组成及分析7.1.1 系统组成系统组成图图7-2 锅炉汽包水位控制系统的方块图锅炉汽包水位控制系统的方块图给水阀给水阀锅炉汽包锅炉汽包7.1.2 控制过程分析控制过程分析(1)平衡状态：平衡状态：当给水量和蒸汽量均不变当给水量和蒸汽量均不变的情况下，控制系统处于的情况下，控制系统处于平衡状态，并将保持这个平衡状态，并将保持这个状态，直到有新的扰动产状态，直到有新的扰动产生。生。蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水省煤器省煤器(2)扰动分析：扰动分析：锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统(3)控制过程：控制过程：一般先选择控制阀的气开、气关特性一般先选择控制阀的气开
3、、气关特性然后确定控制器的正、反作用然后确定控制器的正、反作用分析控制系统的控制过程分析控制系统的控制过程蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水控制器正、反作用控制器正、反作用控制器应选正作用控制器应选正作用控制器过程分析控制器过程分析正作用正作用控制器控制器气关阀气关阀根据安全原则，供气中断时给水根据安全原则，供气中断时给水阀应全开，所以应选气关阀阀应全开，所以应选气关阀基本要求：基本要求： 第一：第一：控制系统设计人员要掌握较为控制系统设计人员要掌握较为全面的全面的自动化自动化专业知识，专业知识，熟悉熟悉所要控制的工艺装置对象；所要控制的工艺装置对象；第二：第二：要求自动化专业技术人员与工艺
4、专业技术人要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行员进行充分沟通充分沟通，共同确定自动化方案；，共同确定自动化方案；第三：第三：自动化技术人员不能自动化技术人员不能盲目追求盲目追求控制系统的先控制系统的先进性和所用仪表及装置的进性和所用仪表及装置的先进性先进性。第四：第四：设计一定要遵守有关的设计一定要遵守有关的标准标准行规行规，按科学，按科学合理的程序进行合理的程序进行。7.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计7.2.1 控制系统设计概述控制系统设计概述确定控制方案确定控制方案基本内容基本内容 仪表及装置的选型仪表及装置的选型相关工程内容的设计相关工程内容的设计确定控制方案确定控制方
5、案首先要确定整个系统的自动化水平。首先要确定整个系统的自动化水平。 控控制制系系统统的的方方案案设设计计是是整整个个设设计计的的核核心心，是是关关键键的的第第一一步步。要要通通过过广广泛泛的的调调研研和和反反复复的的论论证证来来确确定控制方案，定控制方案，它包括它包括 被控变量的选择与确认；被控变量的选择与确认； 操纵变量的选择与确认；操纵变量的选择与确认； 检测点的初步选择；检测点的初步选择； 绘制出带控制点的工艺流程图；绘制出带控制点的工艺流程图； 编写初步控制方案设计说明书；等等。编写初步控制方案设计说明书；等等。 仪表及装置的选型仪表及装置的选型根据已经确定的控制方案进行选型，根据已经
6、确定的控制方案进行选型，要考虑到供货方的信誉要考虑到供货方的信誉产品的质量产品的质量价格价格可靠性可靠性精度精度供货方便程度供货方便程度技术支持技术支持维护等因素。维护等因素。包包括括控控制制室室设设计计供供电电和和供供气气系系统统设设计计仪仪表表配配管管和和配配线线设设计计和和联联锁锁保保护护系系统统设设计计等等等等，提供相关的图表。提供相关的图表。 相关工程内容的设计相关工程内容的设计 基本步骤基本步骤 初步设计初步设计初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。施工图设计施工图设计是是在在项项目目和和方方案案获获批批后后，为为工工程程施施工
7、工提提供供有有关关内内容容详详细细的的设计资料。设计资料。设计文件和责任签字设计文件和责任签字包包括括设设计计校校核核审审核核审审定定各各相相关关专专业业负负责责人人员员的的会会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。签等，以严格把关，明确责任，保持协调。参与施工和试车参与施工和试车设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。设计回访设计回访在在生生产产装装置置正正常常运运行行一一段段时时间间后后，应应去去现现场场了了解解情情况况，听听取意见，总结经验。取意见，总结经验。7.2.2 被控变量的选择被控变量的选择 在在过过程程工工业业装装置置中中，为
8、为了了实实现现预预期期的的工工艺艺目目标标，往往往往有有许许多多个个工工艺艺变变量量或或参参数数可可以以被被选选择择作作为为被被控控变变量。量。在多个变量中选择被控变量应遵循下列原则：在多个变量中选择被控变量应遵循下列原则：合合理理性性与与独独立立性性：尽尽量量选选择择能能直直接接反反映映产产品品质质量量的的变变量作为被控变量。量作为被控变量。直直接接指指标标与与间间接接指指标标：所所选选被被控控变变量量能能满满足足生生产产工工艺艺稳定稳定安全安全高效的高效的要求。要求。可测与可控：可测与可控：必须考虑自动化仪表及装置的现状。必须考虑自动化仪表及装置的现状。7.2.3 操纵变量的选择操纵变量的
9、选择操纵变量的选取应遵循下列原则：操纵变量的选取应遵循下列原则： 操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； 操操纵纵变变量量应应该该是是系系统统中中所所有有被被控控变变量量的的输输入入变变量量中中的的对对被被控控变变量量影影响响最最大大的的一一个个。控控制制通通道道的的放放大大系系数数要要尽尽量量大大一一些些，时时间间常常数数适适当当小小些些，滞滞后后时时间间尽尽量量小。小。 不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量。不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量。 工艺上的合理性和方便性工艺上的合理性和方便性7.2.4 被控变量的测量被控变量的测量被被控控变变量量选选择
10、择好好之之后后，被被控控变变量量如如何何测测量量仍仍然然有有诸诸多多因因素素需需要要考考虑虑，以以便便更更灵灵敏敏更更快快速速更更及及时时和和更更经经济济地地测测得得被被控控变量变量 灵敏性灵敏性 快速性快速性 控控制制系系统统设设置置控控制制器器是是通通过过它它改改变变整整个个控控制制系系统统的的动动态态特特性性，以以达达到到控控制制的的目目的的。主主要要可可以以改变参数的就是控制器。改变参数的就是控制器。7.2.5 控制器及控制规律的选择控制器及控制规律的选择(1) 位式控制位式控制控制规律的选择控制规律的选择 (2) 比比例控制例控制(3) 积分控制积分控制(4) 微分控制微分控制基本控
11、制规律：基本控制规律： (1)位式控制位式控制控制规律的选择控制规律的选择 (2)比比例控制例控制(3)比例积分控制比例积分控制(4)比例微分控制比例微分控制(5)比例积分微分控制比例积分微分控制选择控制规律时注意：选择控制规律时注意：(1)微微分分作作用用对对过过程程的的容容量量滞滞后后有有效效，而而对对过过程程控控制制通道存在纯滞后无效。通道存在纯滞后无效。(2)积分控制可以消除余差，但会带来积分饱和。积分控制可以消除余差，但会带来积分饱和。 (3)当当广广义义过过程程控控制制通通道道的的时时间间常常数数或或时时滞滞很很大大，而而负负荷荷变变化化又又很很大大时时，简简单单控控制制系系统统无
12、无法法满满足足要要求求，可以设计复杂控制系统来提高控制质量。可以设计复杂控制系统来提高控制质量。 控制器作用方向的选择控制器作用方向的选择略控制阀结构类型及材质的选择控制阀结构类型及材质的选择气动薄膜控制阀有直通单座、直通双座、角形、气动薄膜控制阀有直通单座、直通双座、角形、隔膜、蝶阀和三通阀等不同结构形式，要根据隔膜、蝶阀和三通阀等不同结构形式，要根据操操纵介质的工艺条件纵介质的工艺条件(温度、压力、流量等温度、压力、流量等)及其及其特特性性(粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等)和控和控制系统的不同要求来选用。制系统的不同要求来选用。7.2.6 执行器执行器
13、(气动薄膜控制阀气动薄膜控制阀)的选择的选择控制阀气开、气关形式的选择控制阀气开、气关形式的选择对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关节失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全的位置安全, 要由具体的生产工艺来决定，一般来说要由具体的生产工艺来决定，一般来说要根据以下几条原则进行选择：要根据以下几条原则进行选择：从生产安全出发从生产安全出发 从保证产品质量出发从保证产品质量出发 从降低原料、成品
14、、动力损耗来考虑从降低原料、成品、动力损耗来考虑 从介质的特点考虑从介质的特点考虑 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择制造厂提供的调节阀流量特性是制造厂提供的调节阀流量特性是理想流量特性理想流量特性,而在实际使用时而在实际使用时, 控制阀总是安装在工艺管路系统中控制阀总是安装在工艺管路系统中, 控制阀前后的压差是随着管路系统的阻力而变化的控制阀前后的压差是随着管路系统的阻力而变化的. 因此因此, 选择控制阀的流量特性时选择控制阀的流量特性时,不但要依据过程特不但要依据过程特性性,还应结合系统的配管情况来考虑。还应结合系统的配管情况来考虑。 控制阀口径大小的选择控制阀口径大小的选择确定控制
15、阀口径大小也是选用控制阀的一个重要确定控制阀口径大小也是选用控制阀的一个重要内容内容,其其主要依据阀的流通能力主要依据阀的流通能力。7.3.1 投运步骤投运步骤 投运前的准备投运前的准备(1)检查所有仪表及连接管线、电源、气源等等；检查所有仪表及连接管线、电源、气源等等； (2)现场校验所有的仪表；现场校验所有的仪表；(3)根据经验、根据经验、(仿真仿真)或估算，设置或估算，设置Kp、TI和和TD，；(4)确认控制阀的气开、气关特性；确认控制阀的气开、气关特性；(5)确认控制器的正、反作用；确认控制器的正、反作用；(6) 人为假设一干扰，看控制系统能否克服干扰的影人为假设一干扰，看控制系统能否
16、克服干扰的影响。响。 7.3 简单控制系统的投运与参数整定简单控制系统的投运与参数整定 具体投运操作具体投运操作（1）控控制制阀阀安安装装如如下下图图，将将控控制制阀阀前前后后的的阀阀门门1和和2关关闭闭，打打开开阀阀门门3，观观察察测测量量仪仪表表能能否否正正常常工工作作，待待工工况稳定。况稳定。（2）手动遥控）手动遥控用手动定值器或手操器调整作用于控制阀上的信用手动定值器或手操器调整作用于控制阀上的信号号p至一个适当数值，然后，打开上游阀门至一个适当数值，然后，打开上游阀门2，再逐，再逐步打开下游阀门步打开下游阀门1，过渡到遥控，待工况稳定。，过渡到遥控，待工况稳定。（3）投入自动）投入自
17、动手动遥控使被控变量接近或等于设定值，观察仪手动遥控使被控变量接近或等于设定值，观察仪表测量值，待工况稳定后，控制器切换到表测量值，待工况稳定后，控制器切换到“自动自动”状态。状态。7.3.2 控制器参数整定控制器参数整定 衰减曲线法衰减曲线法临界比例度法临界比例度法经验法经验法工程整定法有三种：工程整定法有三种：先先将将控控制制器器设设置置为为纯纯比比例例作作用用，比比例例度度放放在在较较大大位位置置，将将系系统统投投入入闭闭环环控控制制，然然后后逐逐步步减减小小比比例例度度并并施施加加干干扰扰作作用用，直直至至控控制制系系统统出出现现等等幅幅振振荡荡的的过过渡渡过过程程，如如图图7-9所所
18、示示。求求得得临临界界比比例例度度k，临临界界振振荡荡周周期期Tk。根根据据k和和Tk从从表表7-2中中查查找找控控制制器器应应该该采采用用的的参参数数值。值。 图7-9临界比例度法临界比例度法临界比例度法应采用的控制规律（%）TI（min）TD（min）P2kPI2.2k0.85 TkPID1.7k0.5 Tk0.125 Tk临界比例度法不适用的场合：临界比例度法不适用的场合： (1) 工艺上不允许有等幅振荡的，不能使用工艺上不允许有等幅振荡的，不能使用;(2) 如果如果k很小，不适用。很小，不适用。表表7-2 7-2 临界比例度法控制器参数表临界比例度法控制器参数表将控制器先设置为纯比例作
19、将控制器先设置为纯比例作用，并将比例度用，并将比例度放在较大的放在较大的位置上。将系统投入闭环控位置上。将系统投入闭环控制，在系统稳定后，逐步减制，在系统稳定后，逐步减小比例度，改变设定值以加小比例度，改变设定值以加入阶跃干扰，观察过渡过程入阶跃干扰，观察过渡过程的曲线，直至的曲线，直至衰减比衰减比n为为4:1，见图见图7-10。这时的比例度为这时的比例度为s，衰减周期为衰减周期为TS，最后，由最后，由表表7-3查出控制器应该采用的查出控制器应该采用的参数值。参数值。 图图7-10 7-10 衰减曲线法衰减曲线法（4 4：1 1） 衰减曲线法衰减曲线法应采用的控制规律（%）TI（min）TD（
20、min）PsPI1.2s0.5 TsPID0.8s0.3 Ts0.1 Ts表表7-3 7-3 衰减曲线法控制器参数表（衰减曲线法控制器参数表（4 4：1 1）在在工工业业生生产产中中，有有时时，要要求求过过渡渡过过程程更更稳稳定定些些，希希望望衰衰减减比比n大大于于4:1。这这时时仍仍先先按按上上述述方方法法找找s，只只是是衰衰减减比比n取取10, 见见图图7-11。但但此此时时，TS不不容容易易测测准准，改改为为测测上上升升时时间间TT，查查表表7-4 得得到到控控制制器器应应该该采采用用的的参参数数值。值。 图7-11 衰减曲线法（10：1）应采用的控制规律（%）TI（min）TD（min
21、）PsPI1.2s0.2 TTPID0.8s1.2 TT0.4 TT表表7-4 7-4 衰减曲线法控制器参数表（衰减曲线法控制器参数表（1010：1 1）衰减曲线法在应用中要注意：衰减曲线法在应用中要注意：(1) 加加干干扰扰前前，控控制制系系统统必必须须处处于于稳稳定定的的状状态态，否否则则不能得到准确的不能得到准确的s、TS和和TT值；值；(2) 阶阶跃跃干干扰扰的的幅幅值值不不能能大大，一一般般为为设设定定值值的的5%左左右右，必须与工艺人员共同商定；必须与工艺人员共同商定；(3) 如如果果过过渡渡过过程程波波动动频频繁繁，难难于于记记录录下下准准确确的的比比例例度、衰减周期或上升时间，
22、则改用其他方法。度、衰减周期或上升时间，则改用其他方法。 经经验验方方法法是是根根据据实实际际经经验验，先先将将控控制制器器参参数数、TI和和TD预预先先设设置置为为一一定定的的数数值值，控控制制系系统统投投入入自自动动后后，改改变变设设定定值值施施加加阶阶跃跃干干扰扰，即即观观察察记记录录仪仪曲曲线线，过过渡渡过过程程在在满满意意的的范范围围即即可可。如如不不满满意意，依依据据、TI、TD对对过渡过程的作用方向，调整这些参数，直至满意。过渡过程的作用方向，调整这些参数，直至满意。 经经验验法法整整定定控控制制器器参参数数的的关关键键是是“看看曲曲线线，调调参参数数”。因因此此，必必须须依依据
23、据曲曲线线正正确确判判断断，正正确确调调整整。经经验验法法能能适适用用于于各各种种控控制制系系统统，但但经经验验不不足足者者会会花花费费很很长长的的时时间间。另另外外，同同一一系系统统，出出现现不不同同组组参参数数的的可可能能性增大。性增大。 经验法经验法（%）TI（min）TD（min） P2080PI流量对象401000.31压力对象30700.43 PID20603100.53表表7-5 7-5 经验法控制器参数表经验法控制器参数表(1)比例度比例度 比比例例度度越越大大，过过渡渡过过程程越越平平缓缓，余余差差越越大大； 比比例例度度越越小小，过过渡渡过过程程振振荡荡越越激激烈烈，余余差
24、差越越小小，过过小小，甚至成为发散振荡的不稳定系统。甚至成为发散振荡的不稳定系统。、TI、TD对过渡过程曲线的影响对过渡过程曲线的影响 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响(2) 积分时间积分时间TI 积积分分时时间间越越大大（积积分分作作用用越越弱弱），过过渡渡过过程程越越平平缓缓，消消除除余余差差越越慢慢； 积积分分时时间间越越小小（积积分分作作用用越越强强），过过渡渡过过程程振振荡荡越越激激烈，消除余差快。烈，消除余差快。阶跃偏差下的开环输出特性阶跃偏差下的开环输出特性(3)微分时间微分时间TD 微微分分时时间间增增大大（微微分分作作用用越越强强），过过渡渡过过程程趋趋于于稳稳定
25、定，最最大大偏偏差差越越小小，但但微微分分时时间间太太大大（微微分分作作用用太太强强），又又会增加过渡过程的波动。会增加过渡过程的波动。 阶跃偏差作用下实际比阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性例微分开环输出特性看曲线调参数看曲线调参数 (1)如如过过渡渡过过程程曲曲线线过过度度振振荡，可能的原因有：荡，可能的原因有：比例度过小、比例度过小、积分时间过小积分时间过小微分时间过大微分时间过大（2）如如果果过过渡渡过过程程变变化化较缓慢，可能原因有：较缓慢，可能原因有： 比例度过大比例度过大 积分时间过大积分时间过大7.4 简单控制系统设计案例简单控制系统设计案例贮槽液位控制系统设计贮槽液位控制
26、系统设计 （见书）（见书）喷雾式干燥设备控制系统设计（见书）喷雾式干燥设备控制系统设计（见书） 直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例（1）工艺概况）工艺概况工艺要求热物料的温度稳定在某个设定值左右。并工艺要求热物料的温度稳定在某个设定值左右。并且要求加热器内温度不得过高。且要求加热器内温度不得过高。直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例（2）控制方案设计）控制方案设计 a)确定被控变量：确定被控变量： b)确定操纵变量：确定操纵变量：热物料温度热物料温度蒸汽流量蒸汽流量直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例（3）仪表选择）仪表
27、选择a）选择温度检测元件（热电阻）选择温度检测元件（热电阻）b）采用气动薄膜控制阀，须选）采用气动薄膜控制阀，须选择阀门的择阀门的气开、气关气开、气关特性特性原则：安全原则原则：安全原则因为：在供气中断时，应使蒸汽因为：在供气中断时，应使蒸汽阀门全关，切断蒸汽供应，不致阀门全关，切断蒸汽供应，不致使温度过高。使温度过高。所以：应选气开阀所以：应选气开阀直接蒸汽加热器控制系统设计案例直接蒸汽加热器控制系统设计案例c）选择控制器）选择控制器控制规律控制规律及控制及控制器的器的正、反作用正、反作用控制规律选择控制规律选择PID。因为：因为：所以：应选反作用控制器所以：应选反作用控制器d）控制器的参数
28、整定）控制器的参数整定1、某台、某台DDZ-型比例积分控制器，该控制器为正型比例积分控制器，该控制器为正作用，其比例度为作用，其比例度为200%，积分时间为，积分时间为2分。稳态时，分。稳态时，输出为输出为7mA。某一瞬间输入突然增加了。某一瞬间输入突然增加了0.3mA,试问试问经过经过4分钟后输出将由分钟后输出将由7mA变化到多少？变化到多少？ 2、如果某反应器最大压力为、如果某反应器最大压力为0.6MPa，允许最大，允许最大绝对误差为绝对误差为0.02MPa。（1）现用一台测量范围是）现用一台测量范围是01.5 MPa，精度为，精度为1.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的级的压力表
29、来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？误差要求？（2）若采用一台测量范围是）若采用一台测量范围是01.0 MPa，精度，精度为为1.5级的压力表来进行测量，问能符合误差要求级的压力表来进行测量，问能符合误差要求吗？试说明其理由。吗？试说明其理由。 3、某蒸汽加热器通过调整蒸汽量的大小来保证出某蒸汽加热器通过调整蒸汽量的大小来保证出口热物料的温度稳定在口热物料的温度稳定在4040处，如图处，如图a a所示。蒸汽所示。蒸汽量不得过量，否则将损坏加热器。量不得过量，否则将损坏加热器。 （1 1）如果冷物料进料量在）如果冷物料进料量在t=0t=0时产生一个阶跃信时产生一个阶跃信号，加热器的出口温度变
30、化情况如图号，加热器的出口温度变化情况如图b b，近似为一，近似为一阶滞后环节。试采用阶跃扰动法估算阶滞后环节。试采用阶跃扰动法估算K K、T T、，并写出数学方程式。并写出数学方程式。（2 2）请画出该换热器温度控制系统的带检测控制）请画出该换热器温度控制系统的带检测控制点的流程图以及方块图。点的流程图以及方块图。（3 3）选择何种测温元件比较合适？）选择何种测温元件比较合适？（4 4）针对图）针对图b b情况情况, ,系统将如何克服扰动影响？系统将如何克服扰动影响？（5 5）在在某某个个阶阶跃跃扰扰动动下下的的过过渡渡过过程程曲曲线线如如图图c c，试求出最大偏差、余差、衰减比、回复时间。试求出最大偏差、余差、衰减比、回复时间。（6 6）针对图）针对图c c，如果要求将衰减比整定为，如果要求将衰减比整定为4:14:1，且要求消除余差，请说出你选用的控，且要求消除余差，请说出你选用的控制规律以及整定方法。制规律以及整定方法。
