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1、第三章 單回路控制系統(tǒng) 2 問題思考 第八章 單回路控制系統(tǒng) 控制器的參數(shù)整定 控制器的選型 系統(tǒng)概述 單回路控制系統(tǒng)方案設計 3 第一節(jié) 概述 單回路控制系統(tǒng)又稱為簡單控制系統(tǒng)。雖然簡單，但應用 較廣；過程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章 內(nèi)容無疑是重點之一。 一、系統(tǒng)的基本結(jié)構 1、典型例子： 見下圖 4 液位變送器 液位控制器 執(zhí)行器 第一節(jié) 概述 5 2、系統(tǒng)方框圖 第一節(jié) 概述 6 3、特點 最簡單、最基本；應用最廣泛、最成熟。 是各種復雜控制系統(tǒng)設計和參數(shù)整定的基礎。 適用于被控對象滯后時間較小，負載和干擾
2、不大，控制質(zhì)量要 求不很高的場合。 二、 過程控制系統(tǒng)的設計步驟 1、建立被控過程的數(shù)學模型 2、選擇控制方案 3、選擇控制設備型號規(guī)格 4、實驗（與仿真） 第一節(jié) 概述 7 例 儲槽液位控制 第一節(jié) 概述 8 三、控制系統(tǒng)的工程考慮 包括儀表（微機）選型、控制室和儀表盤設計、供水供電供氣設計、 信號系統(tǒng)設計、安全防暴設計等。 (2)、對象信息的獲取和變送 (3)、執(zhí)行器的選擇 (4)、控制器的選擇 3、工程安裝 4、儀表調(diào)試 5、參數(shù)整定 2、工程設計 1、方案設計 是整個控制工程設計中最重要的一步，應注意： (1)、合理選擇被控量
3、 (被控參數(shù) )和操縱量 (控制參數(shù) ) 第一節(jié) 概述 9 確定被控變量 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 10 被控參數(shù)的確定 例：噴霧干燥系統(tǒng) 系統(tǒng)被調(diào)參數(shù)：干燥器出口溫度 y。 備選調(diào)節(jié)參數(shù)： 原料流量 x1； 空氣旁路流量 x2 熱蒸氣流量 x3 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 11 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 一、被控參數(shù) (即被控量 )的選擇 1.選擇的意義 是控制系統(tǒng)方案設計的一個至關重要的問題。 恰當?shù)倪x擇對于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、改善勞動條件有很 大的作用。 若選擇不當，則不論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選擇多么先進的過程檢
4、 測控制儀表，都不能達到良好的控制效果。 12 影響正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。只有根據(jù)工藝 要求，深入分析工藝過程，才能選擇出合適、可測的工藝參數(shù)。 2. 選擇方法 (1).選直接參數(shù) 即能直接發(fā)映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運行的參數(shù)。 (如鍋爐鍋筒的水位控制。 ) (2).選間接參數(shù) 當選直接參數(shù)有困難時采用。 (如用反應室的溫度控制間接實現(xiàn)化學反應的質(zhì)量控制。 ) 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 13 直接指標控制：選擇工藝指標要求的 量作為系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)。 例：飽和蒸氣鍋爐液位系統(tǒng) 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方
5、案設計 14 直接指標控制：選擇產(chǎn)品輕組份（苯）濃度作為被調(diào)參 數(shù)。 缺點： 在線分析儀表：反應慢，可 靠性差。 成分作為被調(diào)參數(shù)：對象特 性慣性大。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 15 間接指標控制：對于不便直接調(diào)節(jié)的工 藝直接指標，可以選擇一個與直接指標 相關的量進行調(diào)節(jié)，間接完成控制任務。 例：精餾塔生產(chǎn)過程， 質(zhì)量指標：塔頂餾出物組份，即以塔頂 產(chǎn)品純度為控制指標 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 16 間接指標控制：塔內(nèi)溫度、壓力均與產(chǎn)品苯含量有單值關系。 但工藝上一般要求塔壓最好固定不變。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 17 間接指標控制：一般在塔內(nèi)
6、選擇一塊對溫度反應最靈敏的塔 板作為系統(tǒng)主回路的被調(diào)參數(shù)。 例如提餾段的一塊塔板（稱為 靈敏板），即采用靈敏板溫度 T 靈作為間接控制指標。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 18 3. 選間接參數(shù)的原則 必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀表的現(xiàn)狀 。 間接參數(shù)應與直接參數(shù)有某種單值函數(shù)關系。 間接參數(shù)要有足夠的靈敏度且測量。 必須具有被控量間的獨立性。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 19 間接指標控制 （二元） 精餾控制例 主回路若干輔助回路 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 20 多變量控制：一個工藝設備可能
7、需 要多個調(diào)節(jié)系統(tǒng)共同完成控制任務 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 21 二、控制參數(shù) (即控制量 )的選擇 當生產(chǎn)過程中有多個因素能影響被控參數(shù) (量 )變化時，應分析過程擾動 通道特性與控制通道特性對控制質(zhì)量的影響，正確地選擇可控性良好的變量作 為操縱 (控制 )量。 一般希望控制通道克服擾動的能力要強，動態(tài)響應應比擾動通道快。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 22 (一 )、過程靜態(tài)參數(shù)對控制質(zhì)量的影響 (1).基本形式：如圖 3-3所示 選擇控制參數(shù)的一般原則如下： 1.系統(tǒng)的簡化方框圖 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 23 (2).突出干
8、擾作用 : 框圖如下圖所示 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 24 2.傳遞函數(shù) 則在定值控制下輸出對干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 設傳遞函數(shù)分別為 cc K)s(W 1sT K)s(W o o o 1sT K)s(W f f f )1sT(KK)1sT)(1sT( )1sT(K ......... )s(W)s(W1 )s(W )s(F )s(Y focfo of oc f 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 25 3.穩(wěn)態(tài)余差 由于系統(tǒng)本質(zhì)是穩(wěn)定的，則在單位階躍擾動下的余差為 過程穩(wěn)態(tài)特性對控制質(zhì)量有很大影響，這是選擇操縱參數(shù)的一個重要依據(jù)。 應
9、使 Kf越小越好，以減弱擾動對控制參數(shù)的影響。 最佳控制過程中， KcK0應為一常數(shù)， K0大小可通過 Kc來調(diào)節(jié)。 在控制系統(tǒng)設計時，控制通道的 Kc擬適當選大一些。 4. 討論 )t(ylim)(y t )1sT(KK)1sT)(1sT(s )1sT(Kslim focfo of 0s K1 K KK1 K f oc f 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 26 1.時間常數(shù)的影響 系統(tǒng)的超調(diào)量隨 Tf的增大而減少，控制質(zhì)量得到提高。 Tf變大或個數(shù)增多，均對干擾起到了一種濾波作用。 (二 ).干擾通道動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響 fT
10、a 1 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 27 2. 滯后時間的影響 干擾通道的純滯后時間僅使被控參數(shù)對其反應在時間上平移了一段時間 理論上無影響。 干擾通道的容量滯后會使干擾信號變得緩和一些，對克服干擾有利。 3.干擾作用位置的影響 (1).分析： 如以下兩圖。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 28 (2).結(jié)論 在系統(tǒng)設計時，應使擾動作用點位置遠離被控量。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 29 (三 ).控制通道動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響 (1).T太大 特點：使控制作用變?nèi)?，控制質(zhì)量變壞。 措施：合理選擇執(zhí)行器位置；采用前饋或復
11、雜控制 . 1.時間常數(shù)的影響 (2).T過小 特點：控制作用增強，但系統(tǒng)容易振蕩。 措施：選擇快速監(jiān)測、控制、執(zhí)行器件；設法降低控制通道的靈敏 度；改革工藝以使 T增大。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 30 (1).純滯后 0的影響較大 , 如圖所示。 應從 工藝著手改善。 (2).容量滯后 c比較緩和，引入微分作用可 有效克服。 3.時間常數(shù)匹配對控制質(zhì)量影響 2.滯后時間的影響 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 31 (四 ).選擇控制參數(shù)的一般原則 1.控制量應具有可控性，工藝操作的合理性和經(jīng)濟性 2.控制通道 的
12、放大系數(shù) K0要適當選大一些；時間常數(shù) T0要適當小一 些；純滯后時間 0越小越好， 0與 T0之比應小于 1. 2.擾動通道 的放大系數(shù) Kf應盡可能??；時間常數(shù) Tf要大；擾動引入 系統(tǒng)的位置要遠離控制過程 (即靠近調(diào)節(jié)閥 )；容量滯后愈大， 愈有利于控制。 3.如果有 N個干擾同時作用于控制系統(tǒng) ,由于由檢測元件處進入干 擾時被控制量的影響最嚴重 ,因此在選擇時 ,應盡力使干擾遠離 被控量而諏執(zhí)行器近些。 4.如果廣義對象由幾個時間常數(shù)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，選擇控制量時應 盡可能避免幾個 T相等或相近的狀況，越錯開越好。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 32
13、 (五 ).實例討論 例：噴霧式乳粉干燥設備的控制。 1.工藝流程： 參見圖 2.控制要求： 干燥后的產(chǎn)品含水 量波動要小。 3.被控參數(shù)選擇 ： 干燥器里的 溫度 4.控制 參數(shù) 的選擇 (三種方案如圖所示 ) 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 33 34 討論后知，以風量作控制參數(shù)為最佳選擇。 第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計 35 第三節(jié) 控制器的選型 積分控制作用能消除余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 TI愈小，穩(wěn)定性愈差。 信號通道在被控參數(shù)和控制參數(shù)確定之后就定下來了。 根據(jù)對象特性和控制質(zhì)量要求 選擇控制器的
14、控制作用 確定控制器 的類型。 隨著控制器放大系數(shù) Kc的增大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。 (與自控 理論的分析一致。 ) 隨著 Kc的增大，余差將減少，但不能消除。 二、積分控制作用對控制質(zhì)量的影響 一、比例控制作用對控制質(zhì)量的影響 36 三、微分控制作用對控制質(zhì)量的影響 (1)、特點：抗干擾能力強，過渡過程時間短，但有余差。 (2)、適用：控制通道滯后較小，負荷變化不大，允許被控量 在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。 引入微分控制作用后，控制質(zhì)量將全面提高。 微分作用太強，會引起控制閥時而全開、時而全關。 四、控制器的選型
15、 應由對象的特性和工藝要求確定 1、 P控制器的選擇 第三節(jié) 控制器的選型 37 2、 PI控制器的選擇 (1)、特點：對克服對象的容量滯后有顯著的效果。 (2)、適用：負荷變化大，容量滯后大，控制質(zhì)量要求很高的系統(tǒng)。 (1)、特點：過渡過程結(jié)束時無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。 (2)、適用：滯后較小，負荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng) 。 負荷變化大，純滯后大，采用 PID達不到要求時采用 。 4、復雜控制系統(tǒng) 3、 PID控制器的選擇 第三節(jié) 控制器的選型 38 五、控制器正、反作用的選擇 原則 ： 使整個單回路構成負反饋系統(tǒng) -
16、--乘積為負。 1、控制閥：氣開式為 “ ” ，氣關式為 “ -” ； 2、控制器：正作用為 “ ” ，反作用為 “ -” ； 3、被控對象：物料或能量增加時，被控參數(shù)隨之增加為 “ ” ， 隨之減少為 “ -” ； 4、變送器：一般為 “ ” ； 控制器正、反作用選擇的判別式： (控制器 “ ” )(控制閥 “ ” )(對象 “ ” )=“ -” 第三節(jié) 控制器的選型 39 第四節(jié) 控制器的參數(shù)整定 概述 如果控制方案已經(jīng)確定，則過程各通道的靜態(tài)和動態(tài)特性就已確 定，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就取決于控制器各個
17、參數(shù)值的設置。 控制器的參數(shù)整定，就是確定最佳過渡過程中控制器的比例度 、 積分時間 TI、微分時間 TD的具體數(shù)值。 所謂最佳過渡過程，就是在某種質(zhì)量指標下，系統(tǒng)達到最佳調(diào)整狀態(tài)。 4： 1遞減比為最佳參數(shù)整定的常用依據(jù)。 4:1 40 參數(shù)整定方法： （ 1）理論整定法：對數(shù)頻率特性法、根軌跡法等。 （ 2）工程整定法：經(jīng)驗湊試法、衰減曲線法、臨界比例度法、 響應曲線法等。 %100)x xe e( m a xm a x .x ;x ;e ;e m a x m a x 輸出變化量 圍控制器輸出的變化全范 輸入變化量 控制器
18、輸入的測量范圍式中 對于單元組合儀表： %.100K1 c 比例度的概念：對于比例作用大小，工業(yè)控制器常用 表示，其義為： 第四節(jié) 控制器的參數(shù)整定 41 例 某溫度控制系統(tǒng)，采用 4： 1衰減曲線法整定控制器參數(shù)，得 S=20%， TS=10分，當控制器分別為比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時， 試求其整定參數(shù)值。 解 ： 應用表 3-8中的經(jīng)驗公式，可得 (1)、比例控制器 =S=20% (2)、 比例積分控制器 =1.2S=1.220%=24% TI=0.5TS=0.510=5min (3
19、)、比例積分微分控制器 =0.8S=0.820%=16% TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min 第四節(jié) 控制器的參數(shù)整定 42 例 在某一蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)中，當電動單元組合控制 器的輸出從 6mA改變到 7mA時，溫度記錄儀的指針從 85 升 到 87.8 ，從原來的穩(wěn)定狀態(tài)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。儀表的 刻度為 50100 ，并測出 O=1.2min,TO=2.5min。如采用 PI和 PID控制規(guī)律，試確定出整定參數(shù)。 第四節(jié) 控制器的參數(shù)整定 43 解：本例中， X=7-6=1mA
20、 Xmax-Xmin=10-0=10mA y=87.8-85.0=2.8 ymax-ymin=100-50=50 所以 27.0 5.2 2.1 56.0 T K 56.0 101 508.2 K o oo o 第四節(jié) 控制器的參數(shù)整定 44 因此，在 PI控制器時： =1.127%=30% TI=3.31.2=4min 在 PID控制器時： =0.8527%=23% TI=21.2=2.4min TD=0.51.2=0.6min 解畢。 第四節(jié) 控制器的參數(shù)整定 45 1、試說明單回路控制系統(tǒng)的構成、主要特點及其應用場合。并說明系統(tǒng) 設計的主要內(nèi)容。 2、過程控制系統(tǒng)方案設計應包含哪些主要內(nèi)容？ 3、選擇被控參數(shù)時應遵循哪些基本原則？ 4、在選擇控制參數(shù)時，為什么取過程控制通道的靜態(tài)放大系數(shù) K0應適當 大一些，而時間常數(shù) T0應適當小一些？ 5、在設計過程控制系統(tǒng)時，怎樣選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律？ 怎樣確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式和調(diào)節(jié)閥氣開、氣關形式？ 思 考
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