第七章 简单控制系统

从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。 原因 在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操 作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证 塔的效率和经济性。 在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基 本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就 有一定的单值对应关系。 所选变量有足够的灵敏度。
图7-3 简单控制系统的方块图
从图中可知
简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、 测量变送装置、控制器和执行器。
7.2 简单控制系统的设计
被控变量的选择(自动控制保持恒定值或按一定规律变化）
“关键”变量：对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用。
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。例如
测量变送问题----纯滞后
酸槽
τ =
中 和 槽
LC
l1
l1 l 2 v1 v2
为主管道，分管道的长度
l、 1 l2
l2 电极
AC
v 1 v2
为主管道，分管道流体的流速
测量元件的安装位置
简单控制系统的设计原则
测量变送问题----测量元件的时间常数
被控变量选择好之后，被控变量如何测量仍然有诸多因素需要考虑，以便 更灵敏﹑更快速﹑更及时和更经济地测得被控变量．
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-----对已定的控制系统求取保证控制过程 质量为最好的控制器参数（比例度δ%、 积分时间TI、微分时间TD ） 控制器的参数整定方法 理论计算参数整定法——已知广义对象的数学模型，然后根据 系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应 的PID参数。 现场工程整定法——条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。 1）经验法 2）衰减曲线法 3）临界比例度法 4）响应曲线法
简单控制系统的设计原则
对象动态特性对控制质量的影响（一） 设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间
为τo
时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有 利于克服干扰的影响 时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使 被控变量的超调量加大，过渡时间增长 纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作
用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，
给水
L z e L 阀开度 Q p
或
锅炉汽包水位控制系统 正作用控 制器
P 阀开度 L Z e u L y
例1：如图所示的液位控制系统，假设工艺要求 供气中断时液体不得外溢，请选择阀的气开、气 关特性，并选择控制器的正、反作用。
对象特性对选择操纵变量的影响
对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)
由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道 控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道 干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道
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。
时间常数
测量滞后
简单控制系统的设计原则
测量变送问题----传递滞后
克服传递滞后采取以下措施： ⑴ 尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过 300m，管径应大于６mm。或在气路60m距离间加气动继动 器，提高气信号传输功率，减小传输时间。 ⑵ 采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。
第七章 简单控制系统
本章内容：
7.1 系统组成及分析 7.2 简单控制系统的设计 7.3 控制系统参数的工程整定
7.1 简单控制系统
简单控制系统（单回路控制系统）组成 由一个被控对象、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。

图7-1 液位控制系统
图7-2 温度控制系统
控制器：
其作用方向是这样规定的：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器 的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时， 控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加（或给定 值减小）时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。
•控制器的正、反作用确定原则：保证控制系统为负反馈闭环系统。
安全要求：加热锅炉不能损害
控制器“正”、“反”作用选择分析： 安全要求：防止物料全部流光
图 7-16 液位控制
•分析控制系统的控制过程
根据安全原则，供气中断时给水阀应全开，所 以应选气关阀，即“反”作用。 控制器正、反作用 根据负反馈闭环系统分析 控制器应选正作用
省煤器 汽包 蒸汽
LT
LC
控制过程分析
信号传递过程中引起的滞后
简单控制系统的设计原则
控制器控制规律的选择原则
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。
K
TI (min)
TD (min)
K
Tk/1.2
• 操纵变量应该是系统中所有干扰变量中的对被控变量影响最大的一个。控 制通道的放大系数Ｋ要尽量大一些，时间常数Ｔ适当小些，滞后时间尽量小。
• 不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。 • 工艺上的合理性和方便性
扰动变量（输入量） 被控变量（输出量） 操纵变量（输入量）
简单控制系统的设计原则
图7-9 干扰通道与控制通道示 意图
基本概念：对象特性参数
典型的微分方程
dh T h K qi dt
典型的阶跃响应曲线
水槽对象
K――放大系数，在阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳定值
液位的变化曲线
时，输出变化量与输入变化量之比，也称静态增益。K越 大，表示输入量对输出量的影响越大。 T――时间常数，在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态变 化量的 63.2 ％所需要的时间，时间常数 T 是反映响应变化 快慢或响应滞后的重要参数。用T 表示的响应滞后称阻容 滞后（容量滞后）。
T y Z e
P T 阀门开度 u
反作用控 制器
控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系 统成为负反馈闭环系统的重要一环。
正作用？ 反作用？
图7-17 控制器正、反作用开关示意图
简单控制系统的投运
控制系统投运-----通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地 转到自动工作状态。 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。
控制器参数的工程整定
方法一：临界比例度法 •该方法是先将控制器设置为纯比例作用且比例度 δ放在较大位置，将系统 投入闭环控制，然后逐步减小比例度δ并施加干扰作用，直至控制系统出现 等幅振荡的过渡过程，如图7-9所示。这时的比例度就叫做临界比例度 δk， 振荡周期就叫做临界振荡周期 Tk。根据δk和Tk从表7-2中查找控制器应该采 用的参数值。 临界振荡整定计算公式 控制器参数 控制规律 P PI δ (%) 2δ 2.2δ
⑤ 选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。
⑥ 被控变量应是独立可控的。
简单控制系统的设计原则
在自动控制系统中，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操纵变量。 最常见的操纵变量是介质的流量。 操纵变量 通过工艺分析
确定
系统的干扰
举例
如果根据工艺要求，选择提馏段某块 塔板（一般为灵敏板）的温度作为被 控变量。
温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参
数。 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。例如组分（某物质含量）、转化 率等。
举例
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图7-5 苯-甲苯溶液的 T-x图
图7-6 苯-甲苯溶液的px图
•控制器的正、反作用确定
控制器“正”、“反”作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制 阀的气开、气关情况来决定。
确定原则：保证控制系统为负反馈闭环系统。
被控对象：
其作用方向则随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也 增加的对象属于“正作用”的。反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对 象属于“反作用”的。
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。
简单控制系统的设计原则
不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过 程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。
简单控制系统的设计原则
对象动态特性对控制质量的影响（二） 对扰动通道特性的影响
设: 扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf
f
Ｔf
yf
0
τf
t
T (1) f1
0
(2)
Tf2
t
简单控制系统的设计原则
操纵变量的选择 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操纵变量 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；