第七章 简单控制系统-1

14
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
② 控制通道纯滞后τ0的影响 控制通道的物料输送或能量传 递都需要一定的时间。这样造成 的纯滞后 τO 对控制质量是有影响 的。图 7-10 所示为纯滞后对控制 质量影响的示意图。 在选择操纵变量构成控制 系统时，应使对象控制通道的 纯滞后时间τ0尽量小。
仪表自动化
第七章 简单控制系统
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
仪表自动化
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
1
第一节 简单控制系统的结构与组成
仪表自动化
8
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
（ 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。
9
第二节 简单控制系统的设计（续）
二、操纵变量的选择
1.操纵变量
仪表自动化
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。 操作变量 通过工艺分析
确定
系统的干扰
对工艺进行分析，找出有哪些因素会影响被控变量发生变化的。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，作为操纵变 量，而其他未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。 10
第二节 简单控制系统的设计（续）
举例
仪表自动化
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。
26
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
特点
微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速 度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在 比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上 积分作用可以消除余差。所以，适当调整δ、TI、TD 参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。
适用于
容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高 的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。
仪表自动化
图7-3 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。
3
第二节 简单控制系统的设计
一、被控变量的选择
13
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
（1）对象静态特性的影响
一般希望控制通道的放大系数 KO要大些，对象干扰通 道的放大系数Kf小些。 （2）对象动态特性的影响 ① 控制通道时间常数的影响
控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的 校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通 道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。
仪表自动化
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。
4
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
被控变量的分类（按照与生产过程的关系）
第二节 简单控制系统的设计（续）
四、控制器控制规律的选择
1.控制器控制规律的确定
（1）比例控制器 比例控制器是具有比 例控制规律的控制器。
仪表自动化
p KPe
对于单元组合仪表
1 100% KP
图7-14 简单控制系统简 化方块图
适用于
控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出 无差要求的系统。
24
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
特点
由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作 用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控 制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。
积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同 时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变， 但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也 加长。
工艺合理性的理解：不宜选择生产负荷作为操纵变量，因为生产负荷 直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。 生产的经济性的理解：应尽可能降低物料与能量的消耗。
17
第二节 简单控制系统的设计（续）
三、测量元件特性的影响
仪表自动化
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。
直接指标控制； 间接指标控制。
5
第二节 简单控制系统的设计（续）
举例
仪表自动化
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图7-5 苯-甲苯溶液的 T-x图
图7-6 苯-甲苯溶液的px图
6
第二节 简单控制系统的设计（续）
从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。 原因
仪表自动化
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。
“反作用”方向。
29
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
测量元件及变送器 执行器 被控对象 控制器
作用方向一般是“正”的。
作用方向取决于是气开阀还是气关阀。 作用方向随具体对象的不同而各不相同。
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”方向。
比如孔板的安装，热电偶使用一段时间后的表面结 晶和结焦使时间常数大大增加 19
第二节 简单控制系统的设计（续）
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。
仪表自动化
有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。 延迟时间τ0
l1 l2 0 v1 v2
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。
信号传送滞后对控制系统的影响基本上与对象控制通道的滞后相同，应尽量减小。所以， 一般气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动继动器 增大输出功率，以减小传送滞后。在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电 信号传递，必要时可用气-电转换器将气信号转换为电信号，以减小传送滞后。 21
16
仪表自动化
图7-11 干扰通道纯滞 后τ制系统的设计（续）
3.操纵变量的选择原则 ① 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 ② 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 ③ 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。
图7-7 精馏塔流程图
11
第二节 简单控制系统的设计（续）
仪表自动化
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）、冷凝器冷却温度及塔压等等。
图7-8 影响提馏段温度的各种 因素示意图
22
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
特点
控制器的输出与偏差成比例。
当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、 控制及时、过渡时间短。
在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制 规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。 纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。 负荷变化越大，余差就越大。
23
27
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
注意！
目前生产的模拟式控制器一般都同时具有 比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微 分时间TD置于０，就成了比例积分控制器，如 果同时将积分时间TI置于无穷大，便成了比例 控制器。
28
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
2.控制器正、反作用的确定
图7-12 测量元件时间常数的影响
18
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
结论
测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈 加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太 大，最好选用惰性小的快速测量元件。 当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数 的1／10时，对系统的控制质量影响不大。 测量元件安装是否正确，维护是否得当，也 会影响测量与控制。
7
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
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。
30
仪表自动化
第二节 简单控制系统的设计（续）
结论
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。