工業過程控制-第5章

第五章簡單控制系統設計本章主要內容5.1簡單控制系統設計概述5.2控制方案的確定5.3調節器的參數整定5.4單回路控制系統設計實例5.1簡單控制系統設計概述

簡單控制系統通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構成的單閉環控制系統。過程（又稱對象）–被控制的裝置或設備c(t)(或y(t))–被控參數（系統輸出）：過熱蒸汽的溫度f(t)–擾動作用，作用與被控過程引起被控參數變化的各種因素q(t)–控制參數（操縱變量）u(t)–控制作用，控制器的輸出值r(t)–給定值（設定值）測量變送器–將c(t)成比例地轉換為測量信號z(t)(反饋值)4控制系統的開發步驟1、熟悉控制系統的技術要求或性能指標2、建立控制系統的數學模型3、確定控制方案4、根據系統的動態和靜態性能進行分析和綜合5、系統仿真和實驗研究6、工程設計7、工程安裝8、控制器的參數整定55.2控制方案的確定被控變量的選取生產過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規律變化）的變量稱為被控變量。被控變量選取的一般性原則

它們對產品的產量、質量以及安全具有決定性的作用；能直接測量或間接計算得到的工藝變量作為被控參數；采用間接參數時，該參數對產品質量應具有足夠高的控制靈敏度；考慮工藝上的合理性以及所采用儀表的性能、價格等因素例如：直接測量蒸汽鍋爐水位控制，水位過高過低會造成嚴重生產事故，直接與鍋爐安全運行有關；容器的液位；加熱器中的蒸汽溫度。間接測量精餾塔利用混合物各成分揮發度不同，將混合物分離成較純組分產品和中間產品的設備。圖2精餾過程示意圖1—精餾塔；2—蒸汽加熱器圖3苯-甲苯溶液的T-x圖2.控制變量（操縱量）的選取被控量選定后，下一步選擇操縱變量，克服擾動對被控變量的影響。有些生產過程，控制變量是唯一確定的，如鍋爐水位控制系統：

控制參數只能選給水量。但當工藝有多種操縱量可供選擇時，要根據過程控制通道和擾動通道特性對控制質量的影響來合理選擇操縱量。例：牛奶干燥工藝幾個概念控制通道：操縱量對被控量作用的通道。擾動通道：擾動量對被控量作用的通道。圖4干擾通道與控制通道示意圖

干擾變量由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對象上，使被控變量回復到給定值，起著校正作用?？刂仆ǖ婪糯笙禂礙o：被控變量的變化量與操縱變量的變化量在時間趨于無窮大時之比。擾動通道放大系數Kf：過程受到階躍擾動，過程從原有穩定值達到新的穩態時，被控量的變化量與擾動幅度之比。過程靜態特性對控制質量的影響1.干擾通道特性對控制質量的影響被控量對擾動量的傳遞函數：簡化形式設：小結c過程動態特性對控制質量的影響1.擾動通道動態參數的影響（干擾點位置）（1）時間常數Tf的影響Tf越大，濾波能力越強，擾動對被控量影響越小，控制質量好。（2）滯后時間的影響當擾動有純滯后時，（3）擾動點位置的影響三只水箱均為一階慣性環節；擾動位置離被控參數越近（離調節閥越遠），對被控量影響越大；擾動位置離被控參數越遠（離調節閥越近），擾動對被控量影響越小；原因：濾波作用（通過慣性作用）。2.控制通道動態特性對控制質量的影響（1）時間常數To的影響To大：被控參數變化緩慢，控制不及時，過渡過程時間長，控制質量下降。To?。嚎朔_動的影響太快，易引起系統振蕩，系統穩定性下降，所以要適當小。系統設計時，要求控制通道時間常數To適當小，使其校正及時，又能獲得較好的控制質量。（2）控制通道滯后時間對系統的影響動態偏差增大，超調量增加，控制質量下降；增加系統開環頻率特性的相角滯后，導致系統穩定性降低。（3）時間常數分配的影響結論：時間常數相差越大，臨界穩定的增益K則越大，對系統穩定性越有利；保持穩定性相同情況下，時間常數錯開越多，系統開環增益就可以增大越多，對系統控制質量越有利。小結：1.控制通道放大系數Ko---適當大一些；時間常數To---適當小一些；純滯后---越小越好，有純滯后時，與To之比應小一些（小于0.3），若比值過大，則難于控制。2.擾動通道放大系統Kf---盡可能??；時間常數Tf---要大；擾動引入系統的位置---要靠近調節閥（遠離被控參數）3.時間常數分配設法把幾個時間常數錯開，通?？刂破鳌⒄{節閥和測量變送器的時間常數應遠小于被控過程的時間常數。3.選擇檢測、變送器（1）檢測變送都有一定的時間常數，盡可能選擇快速響應的測量元件與變送設備。一般選時間常數為控制通道時間常數的1/10一下為宜。（2）采用微分超前補償3.選擇檢測、變送器（3）合理選擇測量，安裝點位置對純滯后要盡可能進行補償。（p151）蒸汽直接加熱器注意：安裝成分分析儀器時，取樣管線太長，取樣點安裝離設備太遠，都會引起較大的純滯后時間，工作中要盡量避免。4.執行器的選擇四方面考慮：執行器選型；調節閥尺寸選擇；流量特性；氣開氣關；（1）執行器選型了解介質工藝條件：溫度，壓力，流量等了解介質特性：黏度，腐蝕性，毒性，液態，氣態等直通單座調節閥—前后壓差小，允許泄漏量小。直通雙座調節閥—前后壓差大，允許泄漏量大。隔膜閥—被控介質為強堿、強酸、強腐蝕性流體。角型調節閥—被控介質含有固體懸浮物、黏度較高。（2）調節閥尺寸選擇正常工況下要求調節閥開度處于15%-85%之間；調節閥口徑選的小，系統受到較大擾動時，調節閥可能運行在全開或接近全開的非線性飽和工作狀態，是系統暫時失控；調節閥口徑選的大，系統運行中閥門會經常處于小開度工作狀態，調節不靈敏，易振蕩，甚至導致調節失靈。（3）流量特性調節閥的傳遞函數：氣動閥：閥與管道作為一個整體—一階特性小型調節閥—比例特性電動閥：比例環節調節閥工作流量特性的選擇原則廣義對象為線性時，調節閥也為線性；廣義對象為非線性時，調節閥也為非線性。（4）氣動執行器的氣開、氣關選擇調節閥開、關形式的選擇主要考慮在不同工藝條件下安全生產的需要。例：鍋爐供水調節閥氣關式加熱爐的燃料油的調節閥氣開式5.調節器的選擇（1）選擇控制器的控制規律根據系統特性選擇a.比例控制規律（P）特點：反應快，有余差適用：控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數允許在一定范圍內有余差的場合。例：水箱液位控制5.調節器的選擇b.比例積分控制規律（PI）特點：消除余差適用：控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控|

參數不允許有余差的場合。c.比例微分控制規律（PD）特點：具有超前作用，對容量滯后過程可以改善

系統動態性能指標。適用：對于控制通道的時間常數或容量滯后較大的場合，提高系統的穩定性，減小動態偏差。不適用：純滯后較大，測量信號有噪聲或周期性擾動的系統。例：溫度控制5.調節器的選擇d.比例積分控制規律（PID）特點：消除余差，提高系統穩定性。適用：控制通道的時間常數或容量滯后較大的場合，控制要求較高的場合。例：溫度控制，成分控制5.調節器的選擇（1）選擇控制器的控制規律根據的比值選擇控制規律5.調節器的選擇（2）選擇控制器的正反作用控制器有正作用和反作用兩種方式，確定原則是：使整個單回路構成負反饋系統。因而，調節器正、反作用的選擇同被控過程的特性及調節閥的開、關形式有關。方法：（1）根據生產工藝安全等原則確定調節閥的開關形式氣開式：Kv+氣關式：Kv-（2）按被控過程特性，確定其正、反作用正作用：Ko+當輸入（通過調節閥的物料或能量）增加（或減?。r，輸出（被控參數）亦增加（或減?。７醋饔茫篕o-當輸入（通過調節閥的物料或能量）增加（或減小）時，輸出（被控參數）減小（或增加）。例：判斷下列被控過程的正反作用流量上升，液位上升；

Ko+蒸汽增加，溫度增加；

Ko+冷水增加，溫度下降；

Ko-（3）控制器（調節器）的正、反作用正作用調節器，Kc-當系統的測量值增加時，調節器的輸出亦增加，其靜態放大系數Kc取負；反作用調節器，Kc+當系統的測量值增加時，調節器的輸出減小，其靜態放大系數Kc取正；（4）反饋系數Km+測量變送環節的靜態增益規定為正值。（5）根據負反饋系統原理Km×Kc×Kv×Ko=（+）例：a.蒸汽加熱系統Kv（+）氣開Ko（+）Kc（+）反作用調節器Km（+）b.水冷卻系統Kv（+）氣開Ko（-）Kc（-）正作用調節器Km（+）例題分析1.下圖鍋爐的壓力和液位控制系統的示意圖,試確定系統中控制閥的氣開、氣關型式及控制器的正反作用。鍋爐控制解：在液位控制系統中,如果從安全角度出發,主要是要保證鍋爐水位不能太低,則控制閥應選擇氣關型,以便當氣源中斷時,能保證繼續供水,防止鍋爐燒壞。如果要保證蒸汽的質量,汽中不能帶液,那么就要選擇氣開閥,以便氣源中斷時,不再供水,以免水位太高。例題分析本題我們假定是屬于前者的情況，控制閥應選擇氣關型，為“-”方向；當供水流量增加時，液位是升高的，故對象為“+”方向；測量變送器一般都是“+”方向，故在這種情況下，液位控制器LC應為正作用方向。在蒸汽壓力控制系統中，為了保證氣源中斷時，能停止燃料供給，以防止燒壞鍋爐，故控制閥應選擇氣開型，為“+”方向；當燃料量增加時，蒸汽壓力是增加的，故對象為“+”方向；測量變送器為“+”方向，故壓力控制器PC應為反作用方向。例題分析：2.下列圖中，調節器應該選用正作用方式，還是反作用方式？為什么？a.正作用b.正作用c.反作用

d.正作用e.反作用

5.4單回路控制系統設計實例例：干燥過程的控制系統設計工藝過程：乳液—奶粉質量要求：水分含量一定溫度穩定：±2℃f3換熱蒸汽1.選擇被控量y(t):影響產品質量的直接參數是水分含量，不宜測量（不準確），故選溫度間接測量。2.選擇控制量（操縱量）影響干燥器溫度的因素：f1乳液流量；f2旁路空氣；f3換熱蒸汽所以有三種控制方案：f1，f2，f3中選一個控制量+一個調節閥+一個被控量（溫度）+一個溫度檢測變送+一個控制器---單回路控制系統（1）乳液流量f1為控制量優點：乳液直接進入干燥器，控制通道滯后量小，校正靈敏，f2，f3作為擾動量，擾動通道滯后大。缺點：f1