《简单控制系统》PPT课件

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1、1 第 3篇 过程控制系统 第 6章 简单控制系统 第 7章 复杂控制系统 第 8章 先进控制系统 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 操 纵 变 量 自动化 仪表 “ 化工仪表自动化 ” 2 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 PID如 何选择？ 气开、气 关如何选 择？ 第 6章 简单控制系统 须解决的几个问题： 操纵 变量 如何选 择？ 如何选 择？ 如何构 成负反 馈？ 测量仪 表如何 选择？ 3 第 6章 简单控制系统 什么是简单控制系统？ 简单控制系统 ，又称为单回路反馈控制

2、系统，是 指由 一个测量变送器 、 一个控制器 、 一个执行器 和 一个被控对象 组成的 单回路闭环负反馈控制系统 。 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 4 例： 5 例： 6 小结 简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行 工作的。 简单控制系统 组成自动化装置各环节的设备数量 均为一个，它们与被控对象有机地构成一个闭环系 统。 简单控制系统特点 具有结构简单、工作可靠、所需自动化工具少、 投资成本低、便于操作和维护等优点，是目前应用 最多也是最为成熟的过程控制系统。 7 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表

3、被 控 变 量 设 定 值 PID如 何选择？ 气开、气 关如何选 择？ 操纵 变量 如何选 择？ 如何选 择？ 如何构 成负反 馈？ 问题一： 被控变量的选择问题 测量仪 表如何 选择？ 8 被控变量的选择可以遵循下面几个原则： 1、 能直接反映生产 过程 产量和质量的工艺参数作为被 控变量 。 9 例： 苯、甲苯二元精馏系统示意图 无浓度 传感器 苯 甲苯 被控变量的选择可以遵循下面几个原则： 2、当不能用直接参数作为被控变量时，选择与直接参数 有单值对应关系的间接参数作为被控变量。 10 在二元精馏系统中，塔顶易挥发物组分的浓度 XD， 塔顶温 度 TD和压力 P三者之间有一定关系 。

4、当压力恒定时，组分 XD和温度 TD之间存在单值对应关 系。当温度 TD 恒定时，组分 XD和压力 P之间也存在单值对 应关系。 塔压固定有利于生产，所以：选择塔板温度作为间 接被控变量。 11 被控变量的选择可以遵循下面几个原则： 3、选择间接参数作为被控变量时，应该具有足够大灵敏度， 以便能反映直接指标参数的变化。 4、注意控制系统间的关联问题，选择的被控变量应该是独立 可调的。解决办法： 解耦控制系统 12 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 PID参 数如何 选择？ 气开、气 关如何选 择？ 操纵 变量 如何选 择？ 如何选 择？

5、如何构 成负反 馈？ 问题二：操纵变量的选择问题 测量仪 表如何 选择？ 13 选择操纵变量的原则： 1操纵变量必须是可控的。 14 选择操纵变量的原则： 2操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和生 产的经济性。 3操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响 更加灵敏。（要求调节通道：放大系数 K较大，时 间常数 T较小，纯滞后时间 越小越好 ） 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 操纵变量 干扰变量 15 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 PID如 何选择？ 气开、气 关如何选 择？

6、操纵 变量 如何选 择？ 如何选 择？ 如何构 成负反 馈？ 问题三：测量仪表如何选择？ 测量仪 表如何 选择？ 16 一、测量变送问题对控制质量的影响 关键问题： 测量变送中的纯滞后问题 测量纯滞后是指：被控变量受干扰后，测量环节不能立 即检测，而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。 造成测量纯滞后的原因有： （ 1） 测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏 变化区； （ 2）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在 理想的测量点； （ 3）成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后； （ 4）测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后； （ 5）测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。 17 二、

7、克服测量变送问题的措施 1选择快速测量元件 某化工厂有一反应器，如 图 6-8 所示。 工艺要求反 应温度在给定值的 3 以 内，产品质量符合要求。 用时间常数 100 秒传感 器测温，反应温度在 2 之内，产品总不合格，说明 实际温度波动已超出工艺范 围。 改用时间常数为 5 秒热电偶测温，反应温度波动仍 在 2 之内，但产品质量符合要求。 18 2选好检测点位置 检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有 代表性的位置。 3正确使用微分单元 若测量滞后大，可串接微分单元。 4正确选择、安装和使用测量装置 正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小 到最低限度，有利于提高控制精度和质量。 1

8、9 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 PID如 何选择？ 气开、气 关如何选 择？ 操纵 变量 如何选 择？ 如何选 择？ 如何构 成负反 馈？ 问题四：执行器如何选择？ 测量仪 表如何 选择？ 20 一、 阀流量特性的选择 21 执行器：为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧 坏，选用 气开式 。 二、执行器开、闭形式的选择 气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统 中，选用气开式还是气关式，主要由具体的生产工艺来 决定。 例：如图所示 加热炉，为保 证加热炉的安 全，防止加热 炉中加热管烧 坏。 22 从锅炉安全考虑，防止因给水

9、中断导致锅炉烧坏， 应选择 若考虑锅炉后续透平设备的安全，防止蒸汽带液， 应选 例： 透平设备 气关式 气开式 23 执行器：为保护储罐内物料的安全，防止储罐物料全 部流走，采用 : 练习题： 气开式 24 执行器选择几条原则 : 1、首先要考虑生产的安全。 2、有利于保证产品的质量。 3、有利于降低原料成本和节能。 选择时还需注意两点： 1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾 的结果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。 2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不 同的选择结果。 25 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 PI

10、D如 何选择？ 气开、气 关如何选 择？ 操纵 变量 如何选 择？ 如何选 择？ 如何构 成负反 馈？ 问题五：控制器 PID如何选择？ 测量仪 表如何 选择？ 26 一、控制规律的选择 1比例控制规律 (P) 具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。 u是输出变化量， e是输入变化量 , Kc为比例放大 系数。 比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大， 控制要求不高，被控变量允许在一定范围内有余差的 场合。 CueK 27 2比例积分控制规律 (PI) 具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制 器。 1() C i u e e d tK T 式中 Ti为积分时间。 比例积分控制规

11、律是一种应用最为广泛的控制规律。 适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又 不允许有余差的场合。 28 3比例积分微分控制规律（ PID） 具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为 PID 控制器，又称三作用控制器。 式中 Td 为微分时间。 适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、 对控制质量要求较高的场合。 1() dC i deu e e d t T dtK T 29 控 制 仪 表 测 量 仪 表 被 控 对 象执 行 仪 表 被 控 变 量 设 定 值 PID如 何选择？ 气开、气 关如何选 择？ 操纵 变量 如何选 择？ 如何选 择？ 如何构 成负反 馈？ 问题六：如

12、何构成负反馈控制系统？ 测量仪 表如何 选择？ 30 控制器正反作用的选择 判别准则：系统中各环节规定符号的乘积为 负，则该系统为负反馈系统。 满足判别式： （控制器）（执行器）（被控对象） （变送器） =（） 31 一、各环节正负的定义： 执行器： 阀门开度随控制器输出信号的增加而增大 （气开式）为“ +”，开度随控制器输出信号的增加 而减小（气关式）为“”； 对象： 被控变量随操纵变量的增加而增加为 “ +” ， 随操纵变量的增加而减小为 “ ” ； 变送器 ：变送器输出随被控变量的增加而增加为 “ +” ，随被控变量的增加而减小为“”。通常情 况下变送器环节取“ +”； 32 二、控制器

13、正、反作用的确定 工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工 作方式。 控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不 同被控对象实现闭环负反馈控制的需要。 控制器： 控制器的输出信号随着被控变量的增大 而增加时，控制器工作于正作用方式为 “ +” ；控 制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控 制器工作于反作用方式为 “ ” 。 33 执行器 为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号 为 “ +” 。 对象 出口温度随燃料的增加而升高，符号为 “ +” 。 变送器 输出信号随温度的升高增加，符号为 “ +” 。 为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为 “ ” ，所以应该选择反作用控制器。 例

14、1： 1，从加热炉安 全考虑，防止炉 内管线烧裂，选 择气开，气关阀？ 2，选择控制器 +-，构成负反馈。 34 执行器 为了防止在供气中断时物料全部流走，采用了 气开式，故符号为 “ +” 。 对象 当流出量增加，液位是下降的，符号取为 “ ” 。 变送器 输出信号随液位的升高增加， 符号为 “ +” 。 控制器必须选择正作用 “ +”，才能构成负反馈控制系 统。 例 2： 1，从储罐安全考虑， 为了防止在供气中断 时物料全部流走，选 择气开，气关阀？ 2，选择控制器 +-， 构成负反馈。 35 执行器 从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧干，应选择 气关式， “ -”。 对象 当流入量增加

15、，液位是增加的，符号取为 “ +”。 变送器 输出信号随液位的升高增加，符号为 “ +” 。 控制器 必须选择正作用 “ +”，才能构成负反馈控制系统。 练习题 1： 1，从锅炉安 全考虑，防止 因断水导致锅 炉烧干，选择 气开，气关阀？ 2，选择控制 器 +-，构成负 反馈。 36 闭环负反馈系统 分析： 例 1：画如图控 制系统的方块图？ 并分析：当被加 热的物料量突然 增加，控制系统 如何克服扰动。 温 度 控 制 器 温 度 变 送 器 加 热 炉阀 物 料 温 度 设 定 值 燃 料 气 流 量 37 执行器 为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号 为 “ +” 。 对象 出口温度随

16、燃料的增加而升高，符号为 “ +” 。 变送器 输出信号随温度的升高增加，符号为 “ +” 。 为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为 “ ” ，所以应该选择反作用控制器。 闭环负反馈系统 分析： 例 1：画如图控 制系统的方块图？ 并分析：当被加 热的物料量突然 增加，控制系统 如何克服扰动。 38 温 度 控 制 器 温 度 变 送 器 加 热 炉气 开 阀 物 料 温 度 设 定 值 燃 料 气 流 量 分析： 物料量突然 物料温度 温度变送器输出信号 偏差信号 控制器输出信号 气开阀开度 燃料气 对象：物料温度 闭环负反馈系统 分析： 例 1：画如图控 制系统的方块图？ 并分析：

17、当被加 热的物料量突然 增加，控制系统 如何克服扰动。 + + + - 39 在控制系统的设计、安装或检修之后，下步工作是 如何将控制系统投运。为了保证控制系统能顺利地一 次投运成功，通常涉及到以下几个步骤： 1 作好准备工作； 2 线路和管路的核查； 3 各种自动化仪表的检查； 4 测量仪表和执行器的投运； 5 手动控制与自动控制的切换。 控制器由手动切换到自动后，控制系统便进入自动 控制状态。为使控制系统获得最佳效果，需对 PID控 制器参数进行整定。 过程控制系统的投运 40 PID控制器参数整定 可分为两大类： 1. 理论计算整定法 基于被控对象的数学模型计算控制器参数，理论 复杂，计

18、算繁冗，所得结果的可靠性依赖于模型 精度。 2. 工程整定法 直接在控制回路的实际运行中对控制器参数进行 整定，具有简捷、实用和易于掌握的特点。工程 整定方法在实际中得到了广泛的应用。 41 工程整定法 1： 临界比例度法 （ l） 将积分时间 Ti置到最大值（ Ti ） ， 微分时间 TD 置为零（ TD=0 ）， 比例度 置于适当大的值，使系统 在纯比例作用下投入运行。 (2)系统稳定后，将比例 度 逐渐减小，直到出现 图 6-14所示的等幅振荡， 即临界振荡过程。 记录此 时的临界比例度 k和临 界振荡周期 TK（ 即两个波 峰间的时间间隔）。 42 ( 3)根据得到的 k和 TK值，采

19、用表 6-2 中给出的经验公 式计算出控制器的整定参数 、 Ti和 TD。 ( 4)按照先比例（ P）、 后积分（ I）、 再微分（ D） 的 操作顺序将控制器的参数逐一调整到整定值上。然 后观察其运行曲线，若还不够满意，可再作进一步 微调。 43 工程整定法 2： 衰减曲线法 （ 1）置积分时间 Ti = ， 微分时间 Td=0 ， 比例度 取一较大值，并将系统 投入运行 。 （ 2）待系统稳定后，给定 值作阶跃变化，并观察系 统的响应。若系统响应衰 减太快，则减小比例度； 反之，则加大比例度。如 此反复，直到出现如图所 示的 4 衰减振荡过程。 记录此时比例度 s和振荡 周期 s。 44

20、（ 3）利用 s和 s值，按表 6-3给出的经验公 式，求出控制器的整定参数 ， Ti 和 Td 。 45 工程整定法 3： 经验凑试法 经验凑试法是先将控制器的参数设置在某一经验值上（可参 考表 6-4） ，然后观察系统在扰动作用下的闭环响应曲线。若 曲线不够理想，则以控制器参数对过渡过程的影响为理论依据， 对各参数逐一进行调整，直到获得满意的控制质量为止。 46 课程小结 简单控制系统： 理解简单控制系统的组成； 掌握被控变量 、 操纵变量的选择原则； 能依据过程安全原则 ， 确定执行器的气开 、 气 关形式； 能依据过程负反馈要求 ， 确定控制器的正 、 反 作用； 了解控制系统的投运和控制器的参数整定 。 47 电信学院自动化系先进控制技术研究所