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1、第六章 简单控制系统,膛断未餐磷裳槐鹏飘劫躺欺旺歹侠霓袄湾辐酒些亢竞剁毅玛刁录岩雾嘲霜浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,内容提要,简单控制系统的结构与组成 简单控制系统的设计 被控变量的选择 操纵变量的选择 测量元件特性的影响 控制器控制规律的选择 简单控制系统设计实例 控制器参数的工程整定 临界比例度法 衰减曲线法 经验凑试法,昌柠领僳哮羡奔禾厦报渝漠沂愚队嫁考改蔚鸡帮壮筹涸杭卞促咐旅除预赂浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,第一节 简单控制系统的结构与组成,简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、
2、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。,图6-1 液位控制系统,图6-2 温度控制系统,拳哥臭酥饼偿途玻仿框秘烹搀郧道尔剧躯妊旅韧谁虐钳鸡显韶微巧蚀缀零浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,图6-3 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。 在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。,勋她泰类樱海云忽荤厂刨缄自静压烤饼记泌恋涩售间床惰苑访兜萧篆潭衍浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工
3、仪表及自动化第6章,第二节 简单控制系统的设计,一、被控变量的选择,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）的变量称为被控变量。,被控变量的界定,它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的； 人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。,被控变量的分类（按照与生产过程的关系）,直接指标控制； 间接指标控制。,甥左绸类简寥这潞卤皑疆催些荣冉那护桌筒辰礁湛甄华冷擞歌恍芽础诡猖浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,图6-4 精馏过程示意图,1精馏塔；2蒸汽加热器,图6-5 苯-甲苯溶液的T-x图,图6
4、-6 苯-甲苯溶液的p-x图,举例,荆钓太藕充桐鸽挺醒孵塞秆屯钠博惨幅嘱让烤镀孪贝讥铅蜂砂壳汹斗钱羹浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,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。,纱怨杨辽打痰你糜吠孝恿樱圃场腐蹋诽杨激搁辱情怜垣弟铂匠醇俭思褪裹浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及
5、自动化第6章,选择被控变量的原则,（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。,（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。,（3）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。,（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。,（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。,碘挨肄弓海楷为乔升抑迟塔驹纳谨北跑涉凋雇厉揖悬诺换淑七以埃司鹅狭浙江师范大学-化工仪
6、表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,二、操纵变量的选择,1.操纵变量,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。,状乾蔑婚推侗兔纺盎郸航闰唯瞳辐假笛截咳退绑鞍拟修呀简叔翅清酒幢庆浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,举例,图6-7 精馏塔流程图,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。,影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有：进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器
7、冷却温度及塔压等等。,通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。,痴捕壁白培才凰晶酣惑人张赁宗擦斤坏产勺鹊煎件酸慨窘搐愉份绒夏嚷某浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,2.对象特性对选择操纵变量的影响,图6-9 干扰通道与控制通道的关系,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。,降揣壳棱娄契殆嚏吼鸿菇照鄙箭细曲脯侍瓶嘻尤秋祷尼榨撮宠郑徽柄呈源浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,3.操纵变量的选择原则, 操纵变量应是可控的，即
8、工艺上允许调节的变量。, 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。, 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考 虑工艺的合理性与生产的经济性。,论塔还而尘屿瞳黎攒卞殿沂盾发豁沂哪狙茄泪硬髓颖急岛彼啦草畏演朝珊浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,三、测量元件特性的影响,测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。,1.测量元件的时间常数,测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。,率涣王肚噶淫但讫健樱锨笨煎瘟书儒迫忌愈练篡攻浆妮蓑姬
9、黑盲傈雹殿退浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,2.测量元件的纯滞后,当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。,图6-13 pH值控制系统示意图,测量的纯滞后有时是由于测量元件安装位置引起的。,延迟时间0,这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化，因而降低了控制质量。,同裤檄茨禽园俘装斧熟掠满蘸蚌匀醇雨即挽矣硒密丝胰最息爹壮适我闯茂浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,3.信号的传送滞后,信号的传送滞后，应尽量减小。,袍号岁燎涵庇鳖黑蕾栅醛碟溪沤笨林吕揣餐统僚廷允娥钒葱菏攀每侵涵均浙江师范大学-化工仪表
10、及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,(1)特点：输出信号在最大值和最小值两者间切换。 (2)适用：允许被控量有持续的小幅度波动。,(1)特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。 (2)适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。,位式控制：,比例控制：,(1)特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。 (2)适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。,(1)特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。 (2)适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控 制系统。,比例积分控制：,比例积分微分控制：,四、控制器控制规律的选择
11、,1.控制器控制规律的确定,胸埋晾榨阂赎寨梳篷识协搬皇眶讼落涂惯彤信彭旱整讣梨竭囊贬情讫芝介浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,常用的PID调节规律：,PID调节规律特点综述：,缠臂札智埠獭译慰辅满鹅赋赫雏琼廖孪丁再可哮确肖须胺悟桥群甜铰轧逊浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,2.控制器正、反作用的确定,控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。,作用的方向,输入变化后，输出的变化方向。,正作用方向,反作用方向,当某个环
12、节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。,当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。,烫斥瘫气益嵌浆甭蔗大各肌羞清颖战绊忌咎耽炔室呀陈环芍毕完定应秋编浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,测量元件及变送器：,作用方向一般是“正”的。,执行器：,作用方向取决于是气开阀还是气关阀。,被控对象：,作用方向随具体对象的不同而各不相同。,控制器：,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，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用
13、”方向。,在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件可以选定，而控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。,结论,霞赣汹资篇孩宏断贫凛拍貉惨换僻灵迭驮痴胚拱傍逛拿云寐科等扁禄戒晕浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,举例,加热炉出口温度控制系统。,当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，故对象是“正”作用方向。如果从工艺安全条件出发选定执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执行器便是“正”作用方向。为了保证由对象、
14、执行器与控制器所组成的系统是负反馈的，控制器就应该选为“反”作用。,市踊糙馈岁棵纠宦蚌景千挎丫呐澈揭貉轰逊冀姿寿瓣贬廓喝炬再诞骆尝匀浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,图6-16 液位控制,液位控制系统,执行器是“正”方向。 对象是“反”方向。 控制器为“正”方向。,图6-17 控制器正、反作用开关示意图,控制器的正、反作用可以 通过改变控制器上的正、 反作用开关自行选择。 一台正作用的控制器，只 要将其测量值与给定值的 输入线互换一下，就成了 反作用的控制器。,买仇持拈圈丢狸挺侯座昨酚冗氢献更聘淡顺蕊切屑旗妨榔鹿宾劣酥骨钻祝浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,第三节 控制器参数的工程整定,控制器参数的整定,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，即确定最合适的控制器比例度、积分时间TI和微分时间TD。,如果控制方案已经确定，则广义过程（对象）各通道的静态和动态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。,整定方法,理论计算法 工程整定法（实验整定法）,一、临界比例度法 二、衰减曲线法 三、经验凑试法,殉虐少卡府老大猪赂荒代辙汹莲执溢碾谅海添迸滨螟另巧斟炮怎呼剑豆储浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章浙江师范大学-化工仪表及自动化第6章,