第 7 章简单控制系统

第7章简单控制系统 • 简单控制系统的结构与组成 • 控制的目的、被控变量的选择 • 对象特性、控制变量的选择 • 测量滞后、测量信号处理 • 负荷变化、调节阀选择 • 控制规律的选择 • 控制系统的投运与参数整定这一章主要回答三个问题 1.控制什么？ 2.拿什么来控制？ 3.通过什么方式控制？

第一节概述 概述选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀干扰被控变量偏差设定值被控对象控制器执行器选择控制规律＋－系统投运参数整定测量变送环节四个基本环节： • 测量变送环节 • 控制器 • 执行器 • 被控对象

温度控制系统 载热体冷流体换热器干扰被控变量（液位或温度）偏差设定值被控对象（液位储槽或换热器）控制器 (LC或TC) 执行器（控制阀）＋－测量、变送环节（LT或TT）广义对象简单控制系统方块图常见的两种简单控制系统：液位控制系统

概述选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定第二节被控变量的选择选择被控变量使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）明确控制目的 “关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量分析生产工艺两种控制类型：直接指标控制和间接指标控制当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标。确定被控变量

TD ℃ TH 冷却水 XD% 苯－二甲苯的T-x图进料塔顶产品回流F Q入，X入，T入 P MPa QZ 蒸汽塔底产品 XD% 苯－二甲苯的P-x图精馏过程示意图 p TD 精馏塔系统的被控变量选择塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之间的关系为： XD= f (TD，P)，两个独立变量。

被控变量选择的一般原则 • 要有代表性。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，一般都是工艺过程中比较重要的变量。 • 应该独立可控。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合)关系。 • 滞后要小。采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，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。 • 灵敏度要高。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。 • 成本要低。选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。

概述选择被控变量选择操纵变量 Q入 T入被控对象 X入被控变量TD 处理测量信号 QZ F 选择调节阀 TH 影响塔顶温度的各种输入示意图选择控制规律系统投运参数整定第三节操纵变量的选择操纵变量与干扰变量原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。

精馏塔系统的操纵变量选择 TH 冷却水进料塔顶产品回流F Q入，X入，T入 QZ 蒸汽塔底产品精馏过程示意图 p TD O P

对象特性对控制质量的影响 被控对象干扰变量干扰通道被控变量控制变量控制通道干扰作用与控制作用之间的关系控制质量系统的过渡过程形式——超调量、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期对象特性系统的输入输出关系分为对象静态性质和对象动态性质考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量

对象稳态性质对控制质量的影响 放大系数绝对放大系数 Y/(YMAX-YMIN) X/(XMAX-XMIN) 相对放大系数 Y X O P 控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征从控制有效性考虑，K0应适当的大一些干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征希望Kf小一些，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。

对象动态性质对控制质量的影响 A: 无纯滞后时的校正作用 B: 有纯滞后时的校正作用 C: 不受控下的输出曲线 D: 无纯滞后时的输出曲线 E: 有纯滞后时的输出曲线控制通道时间常数 T0 T0小一点好，不能过大，否则会使控制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长控制通道滞后时间τ0 在选择操纵变量构成控制回路时，应尽量避免控制通道纯滞后τ0的存在，无法避免时应使之尽可能小。

无纯滞后 有纯滞后干扰通道纯滞后τf的影响干扰通道时间常数 Tf Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量干扰通道滞后时间τf 干扰通道的纯滞后τf不会影响控制质量

操纵变量的选择原则 • 操纵变量应是可控的，即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。为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小(但不宜过小，否则易引起振荡)、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。 • 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。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。

根据稳态性质选择操纵变量 液氨储罐热物料薄板冷却器气氨 TT FT LC PT 气氨冷物料氨直冷式薄板冷却系统示意图液氨液氨被控变量：物料出口温度待选的操纵变量：热物料温度热物料的流量液氨的流量气氨的回气压力 O P O P 热物料流量F对冷物料出口温度T的放大系数为： O 气氨回气压力P对冷却器物料出口温度T的放大系数为： P

第四节控制器控制规律的选择 概述选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定常用的几种控制规律 • 位式控制适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。 • 比例控制优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。缺点：在过渡过程终了时存在余差适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。

比例积分控制 优点：系统在过渡过程结束时无余差缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。 • 比例微分控制优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善担制质量。缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。 • 比例积分微分控制比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。

控制器正、反作用的选择 何谓“正”、“反”作用？所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。控制器正反作用选择的基本原则保证整个控制系统形成负反馈。在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。

干扰被控变量偏差设定值被控对象控制器执行器＋－测量变送环节广义对象控制器正反作用选择的步骤 1、判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定； 2、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全； 3、确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向； 4、确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。

燃料气 加热炉出口温度控制 TC 控制器正反作用选择的实例液位控制

第五节控制系统的投运与参数整定 概述选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定控制系统的投运（1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故障时能及时确定故障原因；（2）根据经验或估算比例度δ 、积分时间TI和微分时间TD的数值，或将控制器放在纯比例作用，比例度放在较大位置；（3）确认控制阀的气开、气关作用；确认控制器的正、反作用；（4）手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定比例度δ 、积分时间TI和微分时间TD三个参数。

y t 4:1 10:1 y t 控制器参数的工程整定什么是“参数整定”？就是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δ、积分时间TI和微分时间TD，使控制质量能满足工艺生产的要求。对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈4:1至10:1的衰减振荡过程。参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）

y Tk f t t 临界振荡过程 1、临界比例度法先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度δK，周期称为临界振荡周期Tk。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。注意：当不存在临界比例度、临界比例度过小、不允许等幅振荡时，该方法不适用。临界比例度法参数计算公式

f y Ts 4:1 t t 2、衰减曲线法将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现4：1衰减比为止，这时的比例度称为衰减比例度δS，周期称为衰减周期Ts。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。 4:1衰减法参数计算公式表

f 10:1 T升 y t t 10:1衰减法参数计算公式表采用衰减曲线法必须注意以下几点： (1) 加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的5％左右; (2) 必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的δS、、Ts、T升。 (3) 对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4：1衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到4：1衰减过程了。

3、经验凑试法 “看曲线，调参数”

被控变量 被控变量比例度、积分时间过大比较图三种振荡曲线比较图比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，都会产生周期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期较长；比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大引起的振荡周期最短比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢，一般来说，比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则地、较大幅度地偏离给定值，形状像波浪般起伏变化，如图曲线a所示。如果曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复到给定值，这说明积分时间过大，如图曲线b所示。

第一个问题：控制什么？ 答：控工艺要求的指标具体分为两种情况： 1.工艺要求的指标可以直接在线测量直接控制这个指标就可以了（直接指标控制） 2.工艺要求的指标不可以直接在线测量寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据P173中的分析，最终可以确定：固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的

第二个问题：拿什么控制？ 答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。 K大一些，T小一些，τ最好为0 测量仪表的选用和安装：量程、材质、精度等满足工艺要求测量仪表本身要反应快应选择有代表性位置进行安装仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后(至少要满足要求) 执行器的选用和安装：口径（流通能力）、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求本身反应快（气信号不要进行远距离传输、必要时可以采用电气转换器、阀门定位器）阀门安装位置应尽可能靠近被控设备（二者中间不能有很长的工艺管路，否则会人为增大广义对象的纯滞后）

第三个问题：以什么方式控制？ 答：没有标准答案（选择合适的调节规律）最常用的调节规律：位式控制、P、PI、PD、PID （需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）后续问题：如何整定PID参数？答：临界比例度法＋经验衰减曲线法＋经验经验凑试法最好的方法就是“经验”

第 7 章简单控制系统