《简单系统学生》PPT课件.ppt

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1、简单控制系统的结构,四个环节组成,被控变量的选择,控制变量的选择,控制参数的整定,简单控制系统的设计,闭环负反馈,控制规律的选择,第6章 简单控制系统的设计与参数整定,6.1简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、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。,第6章 简单控制系统的设计与参数整定,仪表符号标准,控制系统原理方框图,控制系统工艺流程图,6.2简单控制系统设计1.过程控制系统方案设计的基本要求(了解）安全性、稳定性和经济性三个方面。2.过程控制系统设计的主要内容（了解）过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。

2、,3.过程控制系统设计的步骤（了解）1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型3）确定控制方案 包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。4）控制设备选型5）实验（或仿真）验证,被控参数与控制变量的选择被控参数（变量）的选择,被控变量生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。,被控变量的选择依据：1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量,例1 储槽液位控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。,例2 换热器出口温度控制系统工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被

3、控变量。,2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。,例3 化工的精馏物纯度控制系统,该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的选择原则1，塔顶（或塔底）馏出物的组分应作为被控变量。-难在线检测，则不能直接作为被控变量。,间接参数塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。,选哪一个作为被控变量？,间接控制参数的确定经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。,3、被控变量必须有足够大的灵敏度,4、选择被控变量时，必须考虑工艺

4、合理性,控制变量选择把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量或操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。,控制变量的确定在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。,对象特性对控制品质影响的分析：1过程（通道）静态特性对控制品质的影响单回路控制系统的等效框图。,Gc(s)控制器的传递函数；Go(s)广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s)扰动通道的传递函数。,控制变量,被控参数y(t)受到设定信号x(t)和干扰信号f(t)的共同影响：,代入系统偏差公

5、式中：,将,将Gc(s)、Go(s)，Gf(s)代入得：,分析给定值x(t)和干扰f(t)对系统稳态偏差得影响。,（1）当f(t)0，x(t)作单位阶跃变化时：,（2）当x(t)0，f(t)作单位阶跃变化时：,过程（通道）静态特性对控制品质的影响K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。选择控制变量时，应使控制通道得静态放大系数Ko越大越好；使干扰通道得静态放大系数Kf越小越好。,2过程（通道）动态特性对控制品质的影响（1）干扰通道动态特性对控制品质的影响,干扰通道的容积或惯性环节越多，Tf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，干扰引起的最大动态偏差越小，系统的

6、控制品质越好。,1）干扰通道时间常数Tf对控制质量得影响,2)干扰通道纯滞后f对控制质量的影响？,结论：干扰通道纯滞后f不影响控制质量.,例：某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个位置进入系统。试分析：f1、f2、f3对被控变量的影响越慢。,3)扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响,单独f3对y的影响,单独f2对y的影响,单独f1对y的影响,结论：扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰通道的容量滞后有所增加，系统动态偏差越小，干扰对被控参数影响越小。,（2）控制通道动态特性对控制品质的影响即控制通道时间常数，滞后时间对控制质量的影响,t,控制通道G0的时间常数T0增大，使控制速度

7、变慢，最大偏差增大，系统过渡过程时间长,1）控制通道时间常数对控制质量的影响,控制通道的纯滞后，使控制作用滞后0到达，造成控制偏差增大，系统稳定性下降。控制通道的容量滞后也会造成控制质量下降，影响比纯滞后缓和。,2)控制通道的纯滞后对控制质量的影响,t,y,yk(t),控制变量的选择原则：1.控制变量必须是工艺上可调节的。2.控制变量一般应比其他干扰量对被控参数的影响灵敏。应使控制通道放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。3.为使干扰对被控参数影响小。应使干扰通道放大系数小，时间常数尽可能大。扰动进入控制通道的未知要远离被控参数，尽可能靠近控制阀。4.控制通道存在多个时间常数时，应尽可能使时

8、间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常数。5.要考虑工艺的合理性与生产的经济性。,例：液位控制系统控制变量的选择。影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和液体流出量。这两个变量影响力相当，若由工艺决定液体流出量可控。则选液体流出量作为控制变量。,h,Qi,Qo,例.热交换器出口温度控制变量的选择。影响出口温度的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量等。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量作为控制变量。,热物料,载热介质,冷物料,热交换器,Qr,Qi,Ti,Tr,例.提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。此控制系统控

9、制变量的选择。影响灵敏板温度T灵的因素主要有：,进料的流量（Q入）、进料的成分（x入）、进料的温度（T入），回流的流量（Q回）、回流的温度（T回），加热蒸汽流量（Q蒸）、,这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素,TT,在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。,检测环节、执行器及调节器正负作用选择 传感器、变送器选择（了解）,1按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。,测量环节时间常数对测量信号的影响,3合理选择检测点，避免测量造成对象

10、纯滞后0,图6.15 pH值控制系统图,LT,LC,中和槽,贮酸槽,4测量信号的处理 测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。,执行器的选择 1调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。3调节阀的气开、气关作用方式选择,（1）按控制信号中断时，保证生产设备，人身安全的原则确定（2）保证产品质量原则（3）减少原料，能耗原则（4）基于介质特点的工艺设备安全原则,调节器正反作用的选择负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值

11、回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。,给定值,测量变送器,控制器,执行器,对象,操作量,被控变量,干扰,为了说明选择方法，对各环节先定义一个表示其性质的正（“”），负（“”）符号。变送器：输出信号随被测变量增加而增加，为“”；反之为“”。变送器一般都为“”执行器：气开阀为“”，气关阀为“”被控对象：若控制变量增加，被控参数随之增加，为“”，反之为“”。控制器：正作用控制器：当给定值不变时，随测量值增加，控制器输出增加。或者测量值不变时，给定值减小时，控制器输出增加。取为“”反作用控制器：当给定值不变时，随测量值增加，控制器输出减小。或者测量值不变时，给定值减小时，控制器

12、输出减小。取为“”,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：闭合回路中各环节符号之积为“”。,例：储槽液位控制系统,LT,LC,M,正,气开,出料,要求：出现故障或气源断开时，不允许物料全部流走。试确定调节器的正，反作用方式。,LT,LC,M,反,气关,出料,例：另一工艺的储槽液位控制系统,要求：出现故障或气源断开时，物料不能溢出储槽。试确定调节器正反作用方式。,练习：如图所示加热炉温度控制系统,指出系统被控对象，被控参数，调节参数,作出系统方框图,选择调节阀气开，气关形式,选择调节器正反作用方式,TT,TC,燃料,出料,练习：储槽液位控制系统如图。工艺要求：出现故障或气

13、源断开时，不允许物料全部流走。,指出系统被控对象，被控参数，调节参数,作出系统方框图,选择调节阀气开，气关形式,选择调节器正反作用方式并进行验证。,6.3调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节器的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。,P=f(e),调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。,调节规律对控制品质影响的分析（复习）,比例（P）调节对系统控制品质的影响,比例带的物理意义：比例带P是放大倍数KC的倒数，其大小决定比例控制作用的强弱。P越小，控制作用越强、静差越小，系统调节越快、系统稳定性降低。P越大，静差越大。,比例

14、带P对控制过程的影响,比例控制的特点控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。,控制结果存在余差，随比例度增大而增大。实现定值控制的有差跟踪。,振荡逐渐加剧,P,P,P,P,P,P越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。,P越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。,出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度Pmin，振荡频率称为临界振荡频率M,积分（I）调节与比例积分（PI）调节对系统控制质量的影响1 积分控制（I）输出变化量p与输入偏差e的积分成正比,当输入偏差e是幅值为e 的阶跃时：,TI 积分时间 SI积分速度,积分控制可以消除余差。,积

15、分控制的特点,积分输出信号是随时间逐渐增强的，控制作用缓慢，稳定性比P控制差。故一般积分作用不单独使用。,2 比例积分控制（PI）,若偏差是幅值为e 的阶跃干扰,积分时间的物理意义：,若偏差是幅值为e的阶跃:,当 t=TI 时:,积分时间TI对控制过程的影响,TI越大，Si越小，积分作用越弱，TI=，Si0，积分作用为零。TI减小，Si增大，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。如果T1适当，系统能很快消除余差。,积分时间TI 或积分速度Si对过渡过程的影响,比例微分（PD）调节对系统控制品质的影响,式中：TD 微分时间,偏差变化速度,理想微分,1 微分控制（D）,微分控制能在偏差出现或变化

16、的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。提前动作,当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，对静态偏差毫无抑制能力。不能单独使用。,微分控制的特点,2 比例微分控制（PD）理想的比例微分控制,PD调节是有差调节。PD具有提高系统稳定性，抑制最大动态偏差的作用。PD调节有利与提高系统的响应速度，减小稳态误差。若Td太大，微分作用太强，易造成系统振荡。,将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。,6.3.1.4（PID）调节对系统控制品质的影响,对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程

17、比较,调节规律的选择,0/T00.2，用P或PI 0.20/T01.0，用PD或PID 0/T01.0，用简单控制系统效果不好。,若广义对象传递函数可用 描述,6.4调节器参数的工程整定方法控制器参数的整定就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。,理论计算的方法是根据已知的各环节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，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。,稳定边界法（临界比例度法）属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度P

18、m和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。（1）置调节器Ti，Td=0，比例度P 较大值，将系统投入运行。,（2）逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。,（3）根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值。,方法：（1）把调节器设成比例作用（Ti=，Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。,记下此时的比例度Ps及周期Ts。n=10:1时，记Ps及Ts,衰减曲线法 也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡

19、状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。,（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各种调节规律时的整定参数。,表6.2 衰减比为4:1时，整定参数计算表,表6.3 衰减比为10:1时，整定参数计算表,响应曲线法属于开环整定方法。以广义对象的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作广义对象的阶跃响应曲线。,给定值,控制器,被控变量,测量变送器,执行器,对象,根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数K0、T0、0，用表6-4的经验公式求整定参数。,经验法 凭经验凑试。其关键是“看曲线，调参数”。,控制器参数对控制过程的影响：,6.4.5

20、几种整定方法的比较,注意：同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。不同的PID参数组合，有时会得到极为相近的控制结果。例如某初馏塔塔顶温度控制系统，控制器采用以下两组参数时：P 15 TI 7.5min P 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。,例：一蒸汽加热的热交换温度控制系统，要求热水温度稳定在65。当调解阀输入信号增加1.6mADC（调节阀门输入电流范围为420mADC）时，热水温度上升为67.8，并达到新的稳定状态。温度变送器量程和调节器刻度范围为3080。从温度动态曲线上可以测出。如果采用PI或PID调节规律，计算调节器的整定参数。,解：由题

21、意：,代入表64计算即可。,6.5 简单控制系统设计实例 如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。6.5.1 生产过程概述,6.5.2 控制方案设计6.5.2.1 被控参数选择,直接参数选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。,间接参数奶粉含水量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在1502，则奶粉含水量符合2%2.5%。因此选干燥器出口流体温度为被控变量。,6.5.2.2 控制变量选择影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控因素有：,乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化 f2 加热蒸汽流量变化 f3 若分别以这三个变量为控制变量，

22、可以得到三个不同的控制方案。,调节方案：方案1：取乳液流量为控制变量（调节阀1）,方案2：取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,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）,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。,选择方案2比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。,检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择温度传感器及变送器选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥器出口附近。调节阀选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。调节器可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求（偏差2），采用PI或PID调节规律；根据构成控制系统负反馈的原则，采用正作用方式。,绘制控制系统图,本章小结,简单控制系统的结构,四个环节组成,被控变量的选择,控制变量的选择,控制参数的整定,简单控制系统的设计,闭环负反馈,控制规律的选择,