第六章简单控制系统总结ppt课件.ppt

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1、实验安排,实验时间：第11周 周日（5月15日）实验地点：机电楼C座218周日1,2节，应化14-1周日3,4节，应化14-2周日5,6 节，应化14-3,实验名称：实验四 温度传感器及温度控制实验(AD590)实验预习报告：（做实验时必须带预习报告）一、实验目的 二、实验原理 三、实验仪器及所用单元,第六章 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 简单控制系统的结构与组成,简单控制系统：由一个测量元件、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，因此也称为单回路控制系统。,图6-1 液位控制系统,该系统

2、中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的,第六章 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,这一章主要回答三个问题 1.控制什么？2.拿什么来控制？3.通过什么方式控制？,第二节 简单控制系统的设计,简单控制系统的方框图,一、被控变量的选择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件特性的影响；,四、控制器控制规律的选择;,液位控制系统,常见的两种简单控制系统：,所谓“关键”变量：是指对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的变量；或者

3、人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。,1.采用直接指标控制,直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标（压力、流量、物位、温度等）,直接指标控制最直接，最有效。,一、被控变量的选择,被控变量：希望保持恒定值（或按一定规律变化）的变量,2.采用间接指标控制,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，馏出物的组分浓度xD应作为被控变量。,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。,选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量作为间接控制指标,利用被分离物各组分的挥发度不同，把混

4、合物中的各组分进行分离,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）考虑被控变量间的独立性。,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).尽量采用

5、直接指标作为被控变量。当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).被控变量应能被测量出来，并有足够大的灵敏度。,(5).考虑工艺过程的合理性及仪表的现状。,(6).被控变量应是独立可控的。,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。,简单控制系统的方框图,1.操纵变量,图6-1 液位控制系统,操纵变量是执行器所控制的参数。实现控制作用。,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,干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；操纵变量由控

6、制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。,(1)对象静态特性的影响,放大系数 K0，Kf，是对象的静态参数。,控制通道的放大系数 K0：希望 K0值大一些好,K0越大,表示控制作用灵敏,抑制干扰的能力越强。但K0太大会破坏系统的稳定性。,干扰通道的放大系数 Kf：Kf无论大、小对被控变量 的质量都有害，希望 Kf尽可能小。,（2）对象动态特性的影响,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。,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

7、，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。,干扰通道时间常数 Tf 对控制质量的影响,Tf越大，对被控变量影响越小。,如果控制通道0大，那么T0也大。因此，对象较难控制.纯滞后时间0应尽量小。,控制通道 小为好,控制通道滞后时间 0的影响,如图 并不起作用。被控变量只是推迟 时间变化。,干扰通道滞后时间f对控制质量的影响,小结：,(3).0越小越好,f对被控变量无影响。,(2).T0适当小，Tf越大越好；,(1).K0适当大，Kf 越小越好；,3.操纵变量的选择原则,(1).操纵变量是可控的，即工艺上允许调节的变量。,(2).操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响

8、更加灵敏。,(3).考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般避免用生产负荷作为操纵变量。,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。,冷气流量,分析一下影响干燥塔温度的因素。,1.乳化物流量Q1的改变将影响干燥塔温度。,2.冷风量Q2的变化影响干燥塔温度。,3.蒸汽流量Q3的变化,影响干燥塔温度。,Q1,Q2,Q3,蒸汽压力的变化将引起干燥塔温度。,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

9、，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。,方块图,Q1,Q3,设计出以干燥器温度为被控变量，冷空气流量为操纵变量，温度控制系统。,简单控制系统的方框图,第二节 简单控制系统的设计,一、被控变量的选择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件特性的影响；,四、控制器控制规律的选择;,1.测量元件的时间常数,测量元件本身时间常数Tm所造成的测量滞后。（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）测量元件之后引

10、入微分作用。,三、测量元件特性的影响,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,2.测量元件的纯滞后,测量的纯滞后有时是由测量元件安装位置引起的。,1)合理选择测量元件的安装地点，尽可能缩短纯滞后 时间。2）采用复杂控制系统。,解决方法：,延迟时间0:,图6-13,3.信号的传递滞后,1)测量信号传送产生的滞后:指由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。,2)控制信号传送产生的滞后:指由控制室内

11、控制器的输出信号传送到现场执行器所引起的滞后。,解决方法：,1）气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动继动器增大输出功率；2）现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递，必要时可用气电转换器。,第二节 简单控制系统的设计,一、被控变量的选择；,二、操纵变量的选择；,三、测量元件特性的影响；,四、控制器控制规律的选择;,四、控制器控制规律的选择,1.控制器控制规律的确定,对于单元组合仪表：,特点：控制器的输出与偏差成比例，克服干扰能力强，过渡过程时间短，过程终了存在余差。,(1)、比例控制器,适用范围：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许余差存在。,(2)、比例积

12、分控制器,根据对象的特性和工艺要求来决定选择P、PI、PID。,特点：过程结束时无余差，超调量和振动周期较大，过渡过程时间较长。,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。,(3)、比例积分微分控制器,特点：微分作用能克服对象的滞后。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性、再加上积分作用能消除余差。,适用范围：容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。,2.控制器正反作用的确定,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。即：被控变量值偏高，则控制作用应使之降低；被控变量偏低，则控制作用应使之升高。,通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的的闭环

13、系统。,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。,输入增加时，输出增加，则称为“正作用”；+输入增加时，输出减少的，则称为“反作用”；-,测量变送器：当被控变量增加时，其输出也增加。因此，测量变送器一般都是正作用方向，”+”,被控对象：当操纵变量增加时，被控变量增加，则对象为“正作用”。”+”当操纵变量增加时，被控变量降低，则对象为“反作用”。”-”,执行器：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：控制器的输出取决于于被控变量的测量值与给定值之差（e=z-x）。,正作用控制器：输

14、入偏差e增大时,控制器输出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，控制器输出p减少,为反作用方向。用“-”号表示。,如果四项相乘为负值时，系统为负反馈。,例1：加热炉出口温度控制，确定控制器的正、反作用。,1.对象：当阀开大时,被控变量增大，作用方向为正作用，“+”。,3.变送器：选正作用，“+”。,2.确定执行器的气开、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。“+”,6-15,4.控制器：选反作用的，”-”。,例2：液位控制，确定控制器的正、反作用。,1.确定执行器的气开、气关：因塔釜液位不允许过低。所以一但信号中断时阀

15、应关死（信号=0）,所以选气开阀。为“+”表示。,2.变送器：选正作用，“+”。,4.控制器：选正作用的,”+”。,3.对象：当阀开大时,被控变量减少,作用方向为反作用，“-”。,6-16,第六章 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,第三节 控制器参数的工程整定,工程整定的方法有两种:理论计算法和工程整定法。,理论计算法: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

16、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。,2.在干扰作用下，从大到小逐 渐改变控制器比例度，直至系统产生等幅振荡（即临界振荡）这时的比例度是临界比例度k，周期为临界周期Tk。,（Ti=，TD=0位置上）。,3.记下k、Tk，然后按表6-1中公式计算出控制器的各参数整定数值。,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振荡的系统，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振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。并将比例度放在较大的数

17、值上；,2.系统稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，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s,衰减周期Ts。,6-21,3.根据表6-2中经验公式，计算出控制器的整定值。,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s和最大偏差上升时间T升。根据表6-3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。,6-21,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%。,对于反应快的系统，难以得到4:1曲线时,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

18、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或S、T升值。,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。,表6-4 控制器参数的经验数据表,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.改变给定值，观察被控变量记录曲线形状。如曲线不是要求的过渡过程，改变比例度，取的较好的过程曲线。,3.将积分作用引入，整定、TI直到满意曲线为止。,4.如是PID控制器，则在已调整好和TI的基础上再引入微分作用。微分

19、时间也要在表6-4给出的范围内凑试。,控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系：观察到曲线振荡很频繁，须把比例度增大以减少振荡；当曲线最大偏差大且趋于非周期过程时，需把比例度减小。当曲线波动很大时，应增大积分时间；而在曲线偏离给定值后，长时间回不来，则需减小积分时间，以加快消除余差的过程。如果曲线振荡得很厉害，需把微分时间减到最小，或者暂时不加微分作用，以免更加剧振荡；在曲线最大偏差大而衰减缓慢时，需增加微分时间。,看曲线，调参数。,TI小,TD大,TI大,大,小,积分时间过小引起的振荡，周期较长;比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大引起的 振荡周期最短。,比例度过大，曲线波动剧烈、不规

20、则地较大地偏离给定值，而且，形状像波浪般起伏变化，如621曲线a。,曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复到给定值，这说明积分时间过大。如图621曲线b。,第二种方法：,先按表6-4中给出的范围把TI定下来，需要加微分作用时，可取TD=(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同，凑到满意的过渡过程为止。调整各参数，直到得到满意曲线为止。,经验凑试法的优点：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。,第一个问题：控制什么？,答：控工艺要求的指标,具体分为两种情况：1.工艺要求的指标可以直接在线测量 直接控制这个指标就可以了（直接指标控制

21、）2.工艺要求的指标不可以直接在线测量 寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）,例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据的分析，最终可以确定：固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的,第二个问题：拿什么控制？,答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。K大一些，T小一些，最好为0,测量仪表的选用和安装：量程、材质、精度等满足工艺要求 测量仪表本身要反应快 应选择有代表性位置进行安装 仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后(至少要满足要求),执行器的选用和安装：口径（流通能力）、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求 本身反应快（气信号不要进行远距离传输、必要时可以采用电气转换器、阀门定位器）阀门安装位置应尽可能靠近被控设备（二者中间不能有很长的工艺管路，否则会人为增大广义对象的纯滞后）,第三个问题：以什么方式控制？,答：没有标准答案（选择合适的调节规律）,最常用的调节规律：位式控制、P、PI、PD、PID（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）,后续问题：如何整定PID参数？,答：临界比例度法经验 衰减曲线法经验 经验凑试法,最好的方法就是“经验”,