《简单控制系统》PPT课件.ppt

第七章 简单控制系统,第一节 简单控制系统的结构与组成第二节 简单控制系统的设计第三节 控制器参数的工程整定,第一节 简单控制系统的设计,简单控制系统：由一个被控对象、测量变送器、控制器和执 行器所组成的单回路负反馈控制系统。,液位控制系统,确定合理的控制系统方案,根据工艺的要求：,设计内容(本节讲述主要内容）,一、被控变量选择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件特性的影响；,四、控制器的选择;,五、控制器参数的工程整定。,操纵变量的选择；,控制器的选择；,一、被控变量的选择,从生产过程对控制系统的要求出发，找出对产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。,1.采用直接指标控制,直接指标：指的是生产过程中的压力、流量、物位、温度 等参数的测量控制。,直接指标控制最直接，最有效。,2.采用间接指标控制,以蒸馏塔控制为例,1）精馏原理,2）精馏塔对自控的要求,要求苯、甲苯达到一定的纯度，因此，馏出物的浓度XD应作为被控变量。,苯,甲苯,XD为被控变量，获取测量信号尚有困难时，可以找出与XD有关的参数作为被控变量，进行间接指标控制。,3）找出与XD有关的参数,XD=f（TD，P）,（浓度与温度和压力有关）,当压力恒定时，即P=常数,XD=f（TD）,如图所示 XD温度越低 TD XD温度越高 TD,测出温度可以知道浓度。,当温度恒定时，即TD=常数,XD=f（P）,如图所示 XD压力越高 P XD压力越低 P,测出压力可以知道浓度。,4）考虑工艺的合理性,结论：固定压力，选择温度为被控变量。,5）考虑被控变量的 灵敏度。,6）考虑被控变量的 独立性。,例如造纸过程中的硫酸盐法蒸煮过程中，质量指标是浆料的硬度和强度，是间接指标。,选择被控变量的原则,1.能代表工艺的操作指标，能反映工艺操作状态。,2.被控变量在操作过程中经常受到干扰影响，需 要频繁控制的。,3.直接指标无法获得时，应选与直接指标有单值 对应关系的间接指标作为被控变量。,4.间接参数能够被测出，并有足够的灵敏度。,5.考虑工艺过程的合理性及仪表的现状。,6.间接参数应是独立的。,二、操纵变量的选择,干扰作用对被控变量的影响是使其偏离给定值。,操纵变量则是要克服干扰对被控变量的影响。,液位控制系统,实现控制作用的操纵变量。即执行器所控制的参数。,最常见的操纵变量是流量，也有电压、转速等。,（）,（）,2.对象特性对选择操纵变量的影响,1）对象静态特性的影响,放大系数，是对象的静态参数。,：希望 值大一些好,越大,表示控制作用 灵敏,抑制干扰的能力越强。但 太大会破 坏系统的稳定性。,：无论对系统的静态还是动态对控制质量 都有害，尽可能小。,2）对象动态特性的影响,（1）控制通道时间常数T0 的影响,T0太大或太小都不利于提高控制质量。,控制通道如果是一阶环节，T0小，控制就灵敏。但太小，控制作用过于灵敏易引起控制过程震荡，而不稳定。,反应器温度控制系统,控制通道如果是二阶环节，T0大，控制作用就反应迟钝,过渡时间长，控制作用就弱。,希望T0适当小，有利于克服干扰缩短过渡过程的时间。,（2）Tf 对控制质量的影响,希望Tf越大，对被控变量影响越小。,（3）对控制质量的影响,控制通道滞后时间 的影响,如果控制通道 大，那么T0也大。因此，对象较难控制。,控制通道 小为好,如图 并不起作用。被控变量只是推迟 时间变化。,在干扰通道对控制质量的影响,小结：,3.越小越好,对被控变量无影响。,2.适当小，越大越好；,1.适当大，越小越好；,操纵变量的选择原则,1.工艺上要合理，除物料平衡调节外，一般避免 用主物料流量（生产负荷）作为操纵变量。,2.操纵变量应有克服干扰影响的校正能力，控制 通道K0（放大倍数）较大。,3.控制通道的动态响应要较干扰通道的动态响应 为快，滞后时间尽量小。,4.所选的操纵变量应尽量是干扰点，远离被控变 量而靠近控制阀。,举例,将浓缩乳液干燥成乳粉，生产上采用喷雾式干燥设备。在一定的干燥温度下获得合格产品。,分析一下影响干燥器温度的因素。,1.乳化物流量Q1的改变将影响干燥筒温度。,2.鼓风机风量Q2的变化也将影响干燥筒温度。,3.蒸汽压力的变化将引起蒸汽流量Q3的变化将影 响干燥筒温度。,Q1,Q2,Q3,第一种方案：乳化物流量Q1为操纵变量,考虑工艺的合理性。乳化物流量是生产负荷，需要稳定，不易作操纵变量。,根据操纵变量选择原则进行分析：,第二种方案：空气流量Q2为操纵变量,空气量与热风混合通过风管进入干燥器，较第一方案控制通道滞后时间稍大,灵敏度次之。,第三种方案：蒸汽流量Q3为操纵变量,控制通道很长，纯滞后、容量滞后大，灵敏度差。T0、0大，不易作操纵变量。,设计出以干燥器温度为被控变量，空气流量为操纵变量，温度控制系统。,方块图,Q1,Q3,三、测量变送环节对控制系统的影响,1.测量元件安装引起的纯滞后,电极只能安装在流速较小的支管道上，因此，由测量元件安装位置所引入的纯滞后。,合理选择测量元件的安装地点，尽可能缩短纯滞后时间。,解决方法：,2.测量元件本身的测量滞后,测量元件本身时间常数Tm所引起的动态误差。（如测温元件）,解决方法：,1）选择快速测量元件（一般Tm1/10TC为宜）；,TC：对象时间常数,2）正确选择安装位置；,3）正确使用微分单元。,(a),(b),(c),我们分析加入微分单元后的情况：,在测量元件之后引入微分单元,用拉氏变换式描述各环节,Km测量元件和变送器的放大倍数；,Tm、TD测量元件时间常数、微分时间。,如果我们使Tm=TD,可以看出变送器的输出与被控变量的变化成正比关系。,则,3.测量信号的处理,1)测量信号都要进行“滤波”处理：测量元件本身的随机波动特性或测量环境中的 电磁干扰所致不可避免地掺杂一些随机干扰,对 测量信号一般都要进 行“滤波”处理.,2)测量信号传送产生的滞后:指测量变送器的输出信号传输到室内控制器，所 引起的滞后。,3)控制信号传送产生的滞后:指控制器的输出信号传输到现场的执行器，所 引起的滞后。,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内。或采用电气阀门定位器。,四、气动执行器的选择,1.流量特性及结构形式的选择（略）,2.气开、气关形式的选择,从安全要求出发。当气压信号中断时，视调节阀处 在全开或全关哪一位置对生产造成的危害最小而定。,若对生产安全影响不大时，可根据产品质量、节约 能源物料性质等方面考虑。,五、控制器的设计,1.控制器正反作用的选择,控制器正反作用的选择，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。,定义各环节的作用方向：,测量变送器：当输入增加时输出也增加。为正作用方向。用“+”号表示。,被控对象：当控制阀开大时，被控变量为增大变化时，为 正作用方向。用“+”号表示。反之用“-”号表示。,作用方向：指各环节输入变化后，输出的变化方向。,控制阀：气开阀：信号增大时阀开大,为正作用方向,用“+”号表示。气关阀：信号增大时阀关小,为反作用方向,用“-”号表示。,控制器：正作用控制器：输入偏差e增大时,输出P增大,为正作用方向。用“+”号表示。反作用控制器：输入偏差e增大时，输出P减少,为反作用方向。用“-”号表示。,例：加热炉出口温度控制，确定控制器的正、反作用。,1.确定阀的气开、气关：因炉温不允许过高。所以一但信号中断时阀应 关死（信号=0）。所以选气开阀。为“+”表示。,2.变送器：为“+”表示。,3.对象：当阀开大时被控变 量增大，作用方向 为“+”。,4.控制器：选反作用的。,如果四项相乘为负值时，系统为 负反馈。,“正”,“正”,“正”,“反”,例：塔釜液位控制，确定控制器的正、反作用。,1.确定阀的气开、气关：因塔釜液位不允许过低。所以一但信号中断时阀 应关死（信号=0）,所以选气开阀。为“+”表示。,2.变送器：为“+”表示。,3.对象：当阀开大时被控变 量减少,作用方向为“-”。,4.控制器：选正作用的。,“正”,“正”,“正”,“反”,（二）控制规律的选择,根据对象的特性和工艺要求来决定选择P、PI、PID。,1.比例控制器,适用于控制通道滞后较小,负荷变化不大,没有 提出无差要求的系统。,2.比例积分控制器,适用于调节通道滞后较小,负荷变化不大,不允许有余差的控制系统。,3.比例积分微分控制器,适用于容量滞后较大,负荷变化大,调节质量要求 高的系统。,第三节 控制器参数的工程整定,工程整定的方法有两种:理论整定法和工程整定法。,理论整定法:根据已知的广义对象特性及控制质量的 要求,通过理论计算出控制器的最佳参数。,工程整定法: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。,控制器参数整定:确定最合适的TI和TD,使控制 质量为最佳。,控制器参数整定:确定最合适的、TI和TD，使控 制质量为最佳。,一、临界比例度法,1.在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用（Ti=，TD=0位置上）。,2.在干扰作用下，从大到小逐 渐改变比例度，直至系统产 生等幅震荡（即临界振荡）这时的比例度是临界比例度，周期 为临界周期Tk。,3.记下PB、Tk 然后按表中公式计算,4.将计算的参数投入到仪表中。然后看调节曲线，调参数,注意：对于工艺上不允许有等幅震荡的系统，不能使用。,对于临界比例度小的系统，不能使用。,二、衰减曲线法,通过使系统产生衰减震荡来整定控制器参数值。具体作法：,1.在闭环控制系统中，先将控制器变为 纯比例作用（Ti=，TD=0位置上）。并将比例度放在（100%）,3.根据表中经验公式，计算出控制器的整定值。,2.系统稳定后，改变给定值，加入干扰，观察被控变 量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度直 至出现4:1衰减为止，记下此时比例度，衰减周 期TS。,3.根据表中经验公式，计算出控制器的整定值。,4:1衰减曲线,4.如果是10:1衰减曲线方法同上，得到10:1衰减 曲线时，记下此时比例度 和最大偏差上升 时间Tr。根据表中经验公式计算出、Ti、TD。,5.将计算的参数投入到仪表中。然后看调节曲线，调参数。,干扰幅值施加的不能太大，要根据生产要求来定，一般为额定值的5%。,对于反映快的系统如难以得到4:1曲线，以被控变 量来回波动两次达到稳定，就近似认为4:1衰减曲 线。,优点：整定质量较高，较准确可靠安全应用广泛。,缺点：不适用于干扰频繁，记录曲线不规则的系统。,注意：,必须在工艺参数稳定时，才能施加干扰，否则得 不到正确的 S、TS、Tr值。,三、经验凑试法,经验凑试法是工人师傅在长期的生产实践中总结出来的整定方法。有两种方法。,第一种方法：,1.将Ti=，TD=0。根据经验参数选出合适的比例度，系统自动运行。,2.改变比例度，取的较好的过程曲线。,0.5-3,3.将积分时间引入，整定、Ti直到满意曲线为止。,7-4,第二种方法：,先按表中给出的范围把Ti定下来，调整比例度大小，凑到满意的过渡过程为止。需要加微分作用时，可取TD=(1/31/4)Ti。调整各参数，直到得到满意曲线为止。,优点：简单方便，应用广泛对于干扰频繁的系统更 为合适。,缺点：质量不一定高，花费时间多。,看曲线，调参数。,Ti小,PB小,TD大,PB大,Ti大,