第五章简单控制系统 教学要求:掌握简单控制系统的组成 掌握被控变量的选择方法及原则 掌握操纵变量的选择方法及原则,学会分析对象静态、动态特性对控制质量的 影响 了解系统设计中的测量变送问题 掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择 了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法 通过单回路控制系统的设计实例讲解,掌握单回路控制系统的设计 重点:被控变量、操纵变量的选择 控制器正反作用选择 难点:操纵变量的选择 控制器正反作用选择 §51简单控制系统设计原则 简单控制系统(单回路控制系统)是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器 和一个执行机构(控制阀)所组成的闭环控制系统。 干扰 给定值偏差 对象控变量 测量变送装置 被控变量的选择 被控变量选择方法 方法一:选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变 量,称为直接参数法。 方法二:选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量 的参数作为被控变量,称为间接参数法 选择被控变量的原则 1.选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可 直接测量的工艺参数为被控变量。 2.当不能用直接参数作为被控变量时,可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足 如下条件的间接参数为被控变量 (1)满足工艺的合理性
第五章 简单控制系统 教学要求：掌握简单控制系统的组成 掌握被控变量的选择方法及原则 掌握操纵变量的选择方法及原则，学会分析对象静态、动态特性对控制质量的 影响。 了解系统设计中的测量变送问题 掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择 了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法 通过单回路控制系统的设计实例讲解，掌握单回路控制系统的设计 重 点： 被控变量、操纵变量的选择 控制器正反作用选择 难 点： 操纵变量的选择 控制器正反作用选择 §5.1 简单控制系统设计原则 简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器 和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。 一、 被控变量的选择 被控变量选择方法 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变 量，称为直接参数法。 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量 的参数作为被控变量，称为间接参数法。 选择被控变量的原则 1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可 直接测量的工艺参数为被控变量。 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足 如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴ 满足工艺的合理性 控制器 执行器 对象 测量变送装置 干扰 给定值 偏差 被控变量
(2)具有尽可能大的灵敏度且线形好 (3)测量变送装置的滞后小 、操纵变量的选择 选择操纵变量,就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而 且可控性良好的输入参数,作为操纵变量,而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰 1.对象静态特性对控制质量的影响 K应适当大些 扰动通道放大倍数K越小越好。K小表示扰动对被控变量的影响小,系统可控性好 小结:选择操纵变量构成控制系统时,从静态角度考虑,在工艺合理性的前提下,扰动 通道的放大倍数K越小越好,控制通道放大倍数K。希望适当大些,以使控制通道灵敏些 2.对象动态特性的影响 对象的动态特性一般可由时间常数T和纯滞后τ来描述。 设扰动通道时间常数为T,纯滞后为τr;控制通道的时间常数为T,纯滞后为τo 下面我们分别进行讨论 (1)对扰动通道特性的影响 Tr对控制质量的影响 纯滞后τr对控制质量的影响 2)对控制通道的影响 在选择操纵变量构成控制系统时,应使对象控制通道中τo适当小些,设法减小τρ 3.操纵变量的选择原则 (1)要构成的控制系统,其控制通道特性应具有足够大的放大系数,出较小的时间常数 及尽可能小的纯滞后时间。 (2)系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。 (3)考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量,就不宜选为操纵变量。 例:乳化物干燥塔操纵变量的选择 三、系统设计中的测量变送问题 1.纯滞后 2.测量滞后 3.传送滞后 传送滞后-信号传送过程中引起的滞后。主要指的是气信号的传送,对于电信号这种 传送滞后可以忽略不计 四、控制器对控制规律及正反作用的选择 1.控制器对控制规律的选择 复习基本控制规律对过渡过程的影响 控制规律选择的原则是: 1.对于一些对象控制通道滞后较小,负荷变化不大,工艺要求又不太高的控制系统 可选用比例控制器。象贮罐的液面,以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。 2.对象控制通道滞后较小,负荷变化不大,但不允许有余差的情况,可选用比例积分 控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用PⅠ控制器
⑵ 具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶ 测量变送装置的滞后小。 二、操纵变量的选择 选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而 且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。 1. 对象静态特性对控制质量的影响 ＫＯ应适当大些。 扰动通道放大倍数 Kf越小越好。Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。 小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动 通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。 2. 对象动态特性的影响 对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。 设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。 下面我们分别进行讨论。 ⑴ 对扰动通道特性的影响 Ｔf 对控制质量的影响 纯滞后τf对控制质量的影响 ⑵ 对控制通道的影响 在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道中τ0 适当小些，设法减小τ0。 3. 操纵变量的选择原则 ⑴ 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数，比较小的时间常数 及尽可能小的纯滞后时间。 ⑵ 系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。 ⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。 例：乳化物干燥塔操纵变量的选择 三、 系统设计中的测量变送问题 1. 纯滞后 2. 测量滞后 3. 传送滞后 传送滞后------信号传送过程中引起的滞后。主要指的是气信号的传送，对于电信号这种 传送滞后可以忽略不计。 四、 控制器对控制规律及正反作用的选择 1. 控制器对控制规律的选择 复习基本控制规律对过渡过程的影响。 控制规律选择的原则是： 1. 对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统， 可选用比例控制器。象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。 2. 对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分 控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器
3.当对象滞后较大,如温度、PH值等控制系统则需引入微分作用。一般在对象滞后 较大,负荷变化也较大,控制质量又要求较高时,可选用比例(P)积分(Ⅰ)微分(D)控 制器 当对象控制通道的滞后很小,采用反微分作用可以收到良好的效果。 5.当对象滞后很大,负荷又变化很大时,PID作用控制器也不能解决问题,往往要设 计某些复杂控制系统。 2.控制器正反作用的选择 控制器正反作用的确定有两种方法 逻辑推理方法 方块图法(符号法):利用控制系统方块图中各环节的符号来确定控制器正、 反作用 定义环节正、负符号的定义: 凡是输入增大导致输出也增大的为“+”,反之为“一 测量变送环节:当被控变量增加时其输出量也是增加的,作用方向一般都是“+”, 控制阀环节:气开式,输入增大输出也增大,定义为“+” 气关阀定义为“-”。 受控对象环节:只需考虑控制通道输岀与输入信号的关系。当操纵变量增加时,被 控变量也增加的对象定义为“+”;反之,被控变量减小的定义为“-”。 控制器环节:将其看成仅以测量值为输入(设定值不变)的环节,即输入(测量信号) 增大,输出也增大为“+”(正作用),反之,输入增大输出减小为“一”(反 作用),。这里讲的输入输出关系是指环节的静态关系。 确定控制器正、反作用次序一般为:首先根据生产工艺安全等原则确定控制阀的作用方 式,以确定Kv的符号。最后根据上述三个环节构成的开环系统各环节静态放大系数极性(符 号)相乘必须为负的原则来确定控制器的正、反作用方式。下面通过一个例子加以说明。 §52简单控制系统的投运及控制器参数的工程整定 简单控制系统的投运 经过控制系统设计、仪表调校、安装,接下去的工作是控制系统投运。也就是将工艺生 产从手操状态切入自动控制状态 控制系统投运前应作好如下的准备工作: 1.详细了解工艺,对投运中可能出现的问题有所估计。 2.吃透控制系统的设计意图。 3.在现场,通过简单的操作对有关仪表(包括控制阀)的功能作出是否可靠且性能是 否基本良好的判断 4.设置好控制器正反作用和P、I、D参数 5.按无扰动切换(指手、自动切换时阀上信号基本不变)的要求将控制器切入自动。 、控制器参数的工程整定 控制器参数整定的任务,是对已定的控制系统求取保证控制过程质量为最好的参数。 目前整定参数的方法有两大类。 类是理论计算整定的方法,如频率特性法、根轨迹法等,这些方法都是要获取对 象的动态特性,而且比较费时,因而在工程上多不采用。 类是工程整定的方法,如经验法、临界比例度法和衰减曲线法等,它们都不需要
3. 当对象滞后较大，如温度、ＰＨ值等控制系统则需引入微分作用。一般在对象滞后 较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控 制器。 4. 当对象控制通道的滞后很小，采用反微分作用可以收到良好的效果。 5. 当对象滞后很大，负荷又变化很大时，PID 作用控制器也不能解决问题，往往要设 计某些复杂控制系统。 2. 控制器正反作用的选择 控制器正反作用的确定有两种方法： 逻辑推理方法： 方块图法（符号法）：利用控制系统方块图中各环节的符号来确定控制器正、 反作用 定义环节正、负符号的定义： 凡是输入增大导致输出也增大的为“＋”，反之为“－”。 测量变送环节：当被控变量增加时其输出量也是增加的，作用方向一般都是“＋”， 控制阀环节：气开式，输入增大输出也增大，定义为“＋”； 气关阀定义为“－”。 受控对象环节：只需考虑控制通道输出与输入信号的关系。当操纵变量增加时，被 控变量也增加的对象定义为“＋”；反之，被控变量减小的定义为“－”。 控制器环节：将其看成仅以测量值为输入（设定值不变）的环节，即输入（测量信号） 增大，输出也增大为“＋”（正作用），反之，输入增大输出减小为“－”（反 作用），。这里讲的输入输出关系是指环节的静态关系。 确定控制器正、反作用次序一般为：首先根据生产工艺安全等原则确定控制阀的作用方 式，以确定ＫＶ的符号。最后根据上述三个环节构成的开环系统各环节静态放大系数极性（符 号）相乘必须为负的原则来确定控制器的正、反作用方式。下面通过一个例子加以说明。 §5.2 简单控制系统的投运及控制器参数的工程整定 一、简单控制系统的投运 经过控制系统设计、仪表调校、安装，接下去的工作是控制系统投运。也就是将工艺生 产从手操状态切入自动控制状态。 控制系统投运前应作好如下的准备工作： 1. 详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。 2. 吃透控制系统的设计意图。 3. 在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的功能作出是否可靠且性能是 否基本良好的判断。 4. 设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。 5. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动。 二、控制器参数的工程整定 控制器参数整定的任务，是对已定的控制系统求取保证控制过程质量为最好的参数。 目前整定参数的方法有两大类。 一类是理论计算整定的方法，如频率特性法、根轨迹法等，这些方法都是要获取对 象的动态特性，而且比较费时，因而在工程上多不采用。 一类是工程整定的方法，如经验法、临界比例度法和衰减曲线法等，它们都不需要
获得对象的动态特性,而直接在闭合的控制回路中进行整定,因而简单、方便,适合在工程 上实际应用 1.经验法 它是根据经验先将控制器参数放在某些数值上,直接在闭合的控制系统中通过改变给定 值以施加干扰,看输出曲线的形状,以δ%、T、TD,对控制过程的规律为指导,调整相应 的参数进行凑试,直到合适为止。 2.临界比例度法 将控制器的积分作用和微分作用除去,按比例度由大到小的变化规律,对应于某-δ% 值作小幅度的设定值阶跃干扰,以获得临界情况下的临界振荡。这时候的比例度叫做临界比 例度k,振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期Tk。然后可按表中所列经验算式, 求取控制器参数的最初设定值。观察系统的响应过程,若曲线不符合要求,再适当调整整定 参数值 3.衰减曲线法 这种方法是以得到具有通常所希望的衰减比(41)的过渡过程为整定要求 其方法是:在纯比例作用下,由大到小调整比例度以得到具有衰减比的过渡过程,记下 此时的比例度δs及振荡周期Ts,根据经验公式表,求出相应的积分时间T和微分时间TD 4.响应曲线法 这是一种根据广义对象的时间特性来整定参数的方法。 53单回路控制系统工程设计实例 喷雾式干燥塔控制系统设计 1.被控变量与操纵变量的选择 (1)被控变量的选择 由于产品的湿度测量十分困难,所以不能取直接参数。根据生产工艺分析,产品的湿度 与塔出口的温度密切相关,若保证温度波动小于2~5℃,则符合质量要求。因而选干燥 塔出口温度为被控参数(间接参数) (2)操纵变量的选择 影响干燥塔出口温度的主要因素有:加压空气流量fi(t)、浆液流量f(t)、旁路空气流 量fft)、烟道气流量f(t),因而有4个变量可作为操纵变量,在图中用控制阀1、2、3、4, 分别控制这4个变量构成4种控制方案。 比较4种控制方案 最后干燥塔总体控制方案,加压空气单独设计一流量控制系统,以排除其对干燥塔温度 的影响,温度控制系统,取塔岀口温度为被控制变量,旁路空气为操纵变量 2.过程检测、控制设备的选用 根据生产工艺和用户要求,选用电动单元组合(DDZ)仪表 a.温度控制系统 (1)测温元件及变送器 被控温度在I00℃以下,选用热电阻温度计。为提高检测精度,应用三线制接法,并 配用温度变送器 (2)控制阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点,选气关形式。根据过程特点与控制要求选用对 数流量的控制阀。 (3)控制器
获得对象的动态特性，而直接在闭合的控制回路中进行整定，因而简单、方便，适合在工程 上实际应用。 1. 经验法 它是根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的控制系统中通过改变给定 值以施加干扰，看输出曲线的形状，以 %、TI、TD，对控制过程的规律为指导，调整相应 的参数进行凑试，直到合适为止。 2. 临界比例度法 将控制器的积分作用和微分作用除去，按比例度由大到小的变化规律，对应于某一 ％ 值作小幅度的设定值阶跃干扰，以获得临界情况下的临界振荡。这时候的比例度叫做临界比 例度 k，振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期 Tk。然后可按表中所列经验算式， 求取控制器参数的最初设定值。观察系统的响应过程，若曲线不符合要求，再适当调整整定 参数值。 3. 衰减曲线法 这种方法是以得到具有通常所希望的衰减比（4:1）的过渡过程为整定要求。 其方法是：在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比的过渡过程，记下 此时的比例度 S及振荡周期 TS，根据经验公式表，求出相应的积分时间 TI和微分时间 TD。 4. 响应曲线法 这是一种根据广义对象的时间特性来整定参数的方法。 5.3 单回路控制系统工程设计实例 喷雾式干燥塔控制系统设计。 1. 被控变量与操纵变量的选择 ⑴ 被控变量的选择 由于产品的湿度测量十分困难，所以不能取直接参数。根据生产工艺分析，产品的湿度 与塔出口的温度密切相关，若保证温度波动小于 2～5℃ ，则符合质量要求。因而选干燥 塔出口温度为被控参数（间接参数）。 ⑵ 操纵变量的选择 影响干燥塔出口温度的主要因素有：加压空气流量 f1(t)、浆液流量 f2(t) 、旁路空气流 量 f3(t) 、烟道气流量 f4(t)，因而有 4 个变量可作为操纵变量，在图中用控制阀 1、2、3、4， 分别控制这 4 个变量构成 4 种控制方案。 比较 4 种控制方案。 最后干燥塔总体控制方案，加压空气单独设计一流量控制系统，以排除其对干燥塔温度 的影响，温度控制系统，取塔出口温度为被控制变量，旁路空气为操纵变量。 2. 过程检测、控制设备的选用 根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合（DDZ）仪表。 a. 温度控制系统 ⑴ 测温元件及变送器 被控温度在 100℃ 以下，选用热电阻温度计。为提高检测精度，应用三线制接法，并 配用温度变送器。 ⑵ 控制阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气关形式。根据过程特点与控制要求选用对 数流量的控制阀。 ⑶ 控制器
根据过程特点与工艺要求,选用PD控制规律。根据构成系统负反馈的原则,确定控 制器正、反作用方向 b.流量控制系统 (1)检测仪表 根据被控介质的特点,选用电磁流量表 (2)控制阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点,选气开形式,根据过程特点与控制要求选用线 形流量特性的控制阀 (3)控制器 根据过程特点与工艺要求,选纯比例控制规律即可
根据过程特点与工艺要求，选用 PID 控制 规律。根据构成系统负反馈的原则，确定控 制器正、反作用方向。 b. 流量控制系统 ⑴ 检测仪表 根据被控介质的特点，选用电磁流量表。 ⑵ 控制阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气开形式，根据过程特点与控制要求选用线 形流量特性的控制阀。 ⑶ 控制器 根据过程特点与工艺要求，选纯比例控制规律即可