简单控制系统
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第七章 简单控制系统
操纵变量的选择 操纵变量的选择
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
16
第三节 操纵变量的选择
举例
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。
图7-7 精馏塔流程图
31
举例
加热炉出口温度控制系统 为了在控制阀气源突然 断气时,炉温不继续升高, 断气时,炉温不继续升高,采 停气时关闭) 用了气开阀 (停气时关闭) , 方向。 是“正”方向。炉温是随燃 料的增多而升高的, 料的增多而升高的,以炉子也 方向作用的。 是“正”方向作用的。变送 器是随炉温升高,输出增大, 器是随炉温升高,输出增大, 也是“ 方向。 也是“正”方向。所以控制 器必须为“反方向” 器必须为“反方向”,才能当 炉温升高时,使阀门关小, 炉温升高时,使阀门关小,炉 温下降。 温下降。
19
图7-9 干扰通道与控制通道示 意图
对象静态特性的影响-放大系数K 对象静态特性的影响-放大系数K
控制通道的放大系数控制通道的放大系数-适当范围 干扰通道的放大系数，越小越好 干扰通道的放大系数，
20
对象动态特性的影响
时间常数
控制通道： 控制通道：不能太大 干扰通道：大些有利于控制 干扰通道：
11
举例
被控变量的选择 被控变量的选择
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 p-x图
12
从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。 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。 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， 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。 离纯度，保证塔的效率和经济性。 在塔压固定的情况下， 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， 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。 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。 所选变量有足够的灵敏度。
简单控制系统
用于滞后大、负荷变化大、无余差对象，不适于滞后小噪声大的系统。
第十四章 简单控制系统
过程控制系统
• 简单控制系统：（又称为基本控制系统）。 • 各由一个变送器、一个调节器、一个执行器及一个对象组成 的单回路反馈控制系统。H
LC 101 Q0
Q0
调节阀 干扰D 偏差 给定值+ Sv － Dv
薄膜式
活塞式
过程控制系统
执行机构
电气阀门定位器
阀体
过程控制系统
反作用
过程控制系统
(2) 调节阀气开与气关的选择
气动调节阀有气开与气关两种型式。有压力信号时阀 关、无信号压力时阀开的为气关式。反之 , 为气开。
气关 气开 气开 气关
正装：阀杆下移时，流通截面积减小的 正作用：气压信号增加，推杆下移的
过程控制系统
第四章 简 单 控 制 系 统
一、简单控制系统组成
二、气动调节阀的选择
三、调节器的选择
过程控制系统
被控对象 一、简单控制系统组成
测量变送装置
控制器 执行器
过程控制系统
二、气动调节阀的选择
气动调节阀的组成
（气开气关特性）
执行机构（正反作用）
调节机构（正反装）
(1) 执行机构
气动执行机构类型
比例积分(PI)
比例积分微分(PID) 比例微分(PD)
正作用
正反作用 反作用
过程控制系统
调节器正反作用的选择
正作用:测量值增加,调节器的输出增加;测量值减小,调节
器的输出减小.
反作用:测量值增加,调节器的输出减小;测量值减小,调节
器的输出增加.
液位↑
测量值↑
反作用 控制器 输出↓
第十四章 简单控制系统
过程控制系统
• 简单控制系统：（又称为基本控制系统）。 • 各由一个变送器、一个调节器、一个执行器及一个对象组成 的单回路反馈控制系统。H
LC 101 Q0
Q0
调节阀 干扰D 偏差 给定值+ Sv － Dv
薄膜式
活塞式
过程控制系统
执行机构
电气阀门定位器
阀体
过程控制系统
反作用
过程控制系统
(2) 调节阀气开与气关的选择
气动调节阀有气开与气关两种型式。有压力信号时阀 关、无信号压力时阀开的为气关式。反之 , 为气开。
气关 气开 气开 气关
正装：阀杆下移时，流通截面积减小的 正作用：气压信号增加，推杆下移的
过程控制系统
第四章 简 单 控 制 系 统
一、简单控制系统组成
二、气动调节阀的选择
三、调节器的选择
过程控制系统
被控对象 一、简单控制系统组成
测量变送装置
控制器 执行器
过程控制系统
二、气动调节阀的选择
气动调节阀的组成
（气开气关特性）
执行机构（正反作用）
调节机构（正反装）
(1) 执行机构
气动执行机构类型
比例积分(PI)
比例积分微分(PID) 比例微分(PD)
正作用
正反作用 反作用
过程控制系统
调节器正反作用的选择
正作用:测量值增加,调节器的输出增加;测量值减小,调节
器的输出减小.
反作用:测量值增加,调节器的输出减小;测量值减小,调节
器的输出增加.
液位↑
测量值↑
反作用 控制器 输出↓
17 简单控制系统
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6-10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。
图6-10 纯滞后τ0
对控制质量的影响
华北电力大学 能源工程及自动化教研室
20
Click to edit Master title style 第六章简单控制系统
例3 化工的精馏物纯度控制系 统 精馏工艺是利用被分离物中各组 分的挥发温度不同，将各组分分 离。 如图将苯—甲苯混合液进行分离。
图6-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
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10
Click to edit Master title style 第六章简单控制系统
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、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
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图6-2 温度控制系统
3
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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
控制器的参数整定(已讲)
控制系统的投运及操作中的常见问题
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2
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它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。
的纯滞后τO对控制质量是有影响
的。图6-10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。
图6-10 纯滞后τ0
对控制质量的影响
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20
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例3 化工的精馏物纯度控制系 统 精馏工艺是利用被分离物中各组 分的挥发温度不同，将各组分分 离。 如图将苯—甲苯混合液进行分离。
图6-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
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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、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
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图6-2 温度控制系统
3
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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
控制器的参数整定(已讲)
控制系统的投运及操作中的常见问题
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2
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它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。
简单控制系统
Ｏ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。
简单控制系统的设计原则
对象动态特性对控制质量的影响（一）
对扰动通道特性的影响 设: 扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf 时间常数Ｔf小，干扰的作用快，对象受干扰的影响强， 一般希望时间常数大些 纯滞后时间τf使干扰对被控变量的作用推迟了一段时间，由于干扰作用的 推迟，有利于及时对干扰的影响进行补偿，提高控制质量。
差，但系统的振荡加剧。
相比之下，曲线２就比较 理想。
积分饱和：积分饱和指的是一种积分过量现象。
在间歇式反应釜温度控 制系统中，进料的温度 较低，离设定值较远， 所以在初始阶段偏差较 大，控制器输出会达到 积分极限，把加热蒸汽 阀开足。当釜内温度达 到和开始超出设定值后， 蒸汽阀仍不能及时关小， 结果使温度大大超出设 定值，使动态偏差加大， 控制质量变差。
PID控制规律对控制过程的影响
比 例 度 对 控 制 过 程 的 影 响
比例度的选择原则: 若对象的滞后较小， 时间常数较大以及放 大倍数较小，那么可 以选择小的比例度来 提高系统的灵敏度， 从而使过渡过程曲线 的形状较好。反之， 为保证系统的稳定性， 就要选择大的比例度 来保证稳定。
PID控制规律对控制过程的影响
积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用 的输出所经历的时间。
积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。
PID控制规律对控制过程的影响
积 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响
左图表示在同样比例度下
积分时间对过渡过程的影 响。由图中曲线３可以看 出，TI过大时积分作用不 明显，余差消除地也慢， 从图中曲线１、２可以看 出，TI较小时易于消除余
理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。
第12章_简单控制系统
p TD TH 冷却水
XD%
TD /℃
进料
回流F
塔顶产品
P/ MPa
苯－二甲苯的T-x图
Q入，X入，T
入
QZ 蒸汽 塔底产品
XD%
精馏过程示意图
苯－二甲苯的P-x图
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。
12
12.2.2 被控变量的选择 2、被控变量选择的一般原则
答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控制。
K大一些，T小一些，τ最好为0。 测量仪表的选用和安装 执行器的选用和安装
4
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”
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：（1）系统的输入输出关系
（2）分为对象静态性质和对象动态性质
（3）考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量
16
12.2.3 操纵变量的选择
3、对象稳态性质对控制质量的影响
Y 绝对放大系数 X
器，与图 2 相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用
灵敏度次之。
方案Ⅲ ：蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空
气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。 综合考虑应选择方案II，以旁路空气量为操纵变量。
25
12.2.4 控制器控制规律的选择
XD%
TD /℃
进料
回流F
塔顶产品
P/ MPa
苯－二甲苯的T-x图
Q入，X入，T
入
QZ 蒸汽 塔底产品
XD%
精馏过程示意图
苯－二甲苯的P-x图
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。
12
12.2.2 被控变量的选择 2、被控变量选择的一般原则
答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控制。
K大一些，T小一些，τ最好为0。 测量仪表的选用和安装 执行器的选用和安装
4
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”
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：（1）系统的输入输出关系
（2）分为对象静态性质和对象动态性质
（3）考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量
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12.2.3 操纵变量的选择
3、对象稳态性质对控制质量的影响
Y 绝对放大系数 X
器，与图 2 相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用
灵敏度次之。
方案Ⅲ ：蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空
气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。 综合考虑应选择方案II，以旁路空气量为操纵变量。
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12.2.4 控制器控制规律的选择
过程控制系统 第4章 简单控制系统
设定值 偏差
Gf(s)
R(s) E(s)
Gc(s)
Ym(s)
U(s)
Gv(s) Gm(s)
(b)
Q(s)
Gp(s)
Go(s)
Y(s)
图 4-2 简单控制系统的框图
4.2 简单控制系统的设计
4.2.1控制系统设计概述
首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专 业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装臵对象； 其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要 的交流，共同讨论确定自动化方案； 第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所 用仪表及装臵的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术 的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意 倾听自动化专业技术人员的建议； 第四，设计一定要遵守有关的标准﹑行规，按科学合理的程序 进行。
⑵ 对检测变送信号的处理
检测变送信号的数据处理包括信号补偿、线性化、
信号滤波、数学运算、信号报警和数学变换等。
① 信号补偿
热电偶检测温度时，由于产生的热电势不仅与热端温度有关， 也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿； 热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，所用连接导线的类型 和规格不同，线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿； 气体流量检测时，若检测点温度、压力与设计值不一致，因此 需要进行温度和压力的补偿； 精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持 恒定，可直接用温度进行控制，当塔压变化时，需要用塔压对 温度进行补偿等。
② 从保证产品质量出发，当发生控制阀处于 无能源状态而回复到初始位臵时，不应降低产 品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关 式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于 全回流状态,防止不合格产品的蒸出，从而保 证塔顶产品的质量。
第5章简单控制系统
G p ( s) Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
图5-6 由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统
12
5.2 简单控制系统的设计
过程控制系统设计是过程工艺、仪表或计算 机和控制理论等多学科的综合。
13
在简单控制系统设计中的主要任务是： ——被控变量和操作（或控制）变量的选择 ——建立被控对象的数学模型 ——控制器的设计 ——测量变送装置的选型 ——执行器的选型
水位过低：则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生 事故； 水位过高：生产的蒸汽含水量高， 会影响蒸汽质量。 锅炉汽包液位是一个 重要的工艺参数。
4
为了保持液位为定值，手动控制时主要有三步： ① 观察被控变量的数值——汽包的液位； ② 把观察到的被控变量的值与设定值加以比较，根 据两者的偏差大小或随时间变化的情况，做出判断； ③ 操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Gd ( s ) Y ( s) R( s ) D( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Y (s) R( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
42
●控制器的正反作用的确定
（实际控制器）×（执行器）×（被控对象）× （测量变送单元）=（-）
简化为：
(实际控制器)×(执行器)×(被控对象)=（-）
43
逻辑推理法和判别式法
(1) 逻辑推理法
44
45
控制信号u↑→蒸汽调节阀的开度↑→介质出 口温度 y↑ 如果介质出口温度 y升高了， 自动控制器就应减小其输出信号u 才能正确地起负反馈控制作用。 控制器应置于反作用方式下。
简单控制系统
根据被控变量与生产过程的关系，可将其分为两种类型的控 制型式：直接参数控制与间接参数控制。
1．选择直接参数作为被控变量 能直接反映生产过程中产品的产量和质量，以及安全运行的 参数的称为直接参数。 大多数情况下，被控变量的选择往往是显而易见的。对于以 温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，很明显被控变 量就是温度、压力、流量、液位。这是很容易理解的，也无需多 加讨论。如前面章节中所介绍过的锅炉汽包水位控制系统和换热 器出口温度控制系统，其被控量的选择即属于这一类型。
1．平衡状态
当流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量使被加热物料的出口温度T维 持在所要求的温度值时，设蒸汽的流量及品质保持不变，冷流体的流量 及品质也保持不变，则控制系统处于平衡状态，并将保持这个动态平衡， 直至有新的扰动量发生，或人们对被加热物料的出口温度有新的要求。
2．扰动分析 该系统的主要扰动如下所述。
3．基本步骤 （1）初步设计。初步设计的主要目的是上报审批，并为订货做准备。 （2）施工图设计。施工图设计是在项目和方案获批后，为工程施工 提供有关内容的详细的设计资料。 （3）设计文件和责任签字。设计文件和责任签字包括设计、校核、 审核、审定、各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任， 保持协调。 （4）参与施工和试车。设计代表应该到现场配合施工，并参加试车 和考核。 （5）设计回访。在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情 况，听取意见，总结经验。
（1）确定控制方案。首先要确定整个设计项目的自动化水平，然 后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。对于比较大的控制系 统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。控 制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛 的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、 操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择、绘制出带控制点的工艺 流程图和编写初步控制方案设计说明书等内容。
1．选择直接参数作为被控变量 能直接反映生产过程中产品的产量和质量，以及安全运行的 参数的称为直接参数。 大多数情况下，被控变量的选择往往是显而易见的。对于以 温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，很明显被控变 量就是温度、压力、流量、液位。这是很容易理解的，也无需多 加讨论。如前面章节中所介绍过的锅炉汽包水位控制系统和换热 器出口温度控制系统，其被控量的选择即属于这一类型。
1．平衡状态
当流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量使被加热物料的出口温度T维 持在所要求的温度值时，设蒸汽的流量及品质保持不变，冷流体的流量 及品质也保持不变，则控制系统处于平衡状态，并将保持这个动态平衡， 直至有新的扰动量发生，或人们对被加热物料的出口温度有新的要求。
2．扰动分析 该系统的主要扰动如下所述。
3．基本步骤 （1）初步设计。初步设计的主要目的是上报审批，并为订货做准备。 （2）施工图设计。施工图设计是在项目和方案获批后，为工程施工 提供有关内容的详细的设计资料。 （3）设计文件和责任签字。设计文件和责任签字包括设计、校核、 审核、审定、各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任， 保持协调。 （4）参与施工和试车。设计代表应该到现场配合施工，并参加试车 和考核。 （5）设计回访。在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情 况，听取意见，总结经验。
（1）确定控制方案。首先要确定整个设计项目的自动化水平，然 后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。对于比较大的控制系 统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。控 制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛 的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、 操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择、绘制出带控制点的工艺 流程图和编写初步控制方案设计说明书等内容。
过程控制第5章简单控制系统设计
3、干扰通道动态特性的影响
干扰通道传函：
W f (s)
Kf Tf s 1
e
f s
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τ
f
无纯滞后 有纯滞后
?
干扰通道的纯滞后τ f仅使干扰对被控变量的 影响推迟了时间τ f ，不会影响控制质量
5.1 简单控制系统的构成
PC 101
压力控制系统
压力控制系统流程图
被控变量：水泵出口压力。 控制变量：旁路流量。
5.1.2 控制系统的工程表示及方框图
工艺控制流程图： 管道、仪表流程图 在工艺设计 给出的流程 图上，按流 程顺序标注 出相应的测 量点、控制 点、控制系 统及自动信 号。
(1)图形符号
GP(S)
蒸 汽
fP
1 100S+1
1 100S+1
e-3S
e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
T1
乳化物干燥系统示意图
乳化物干燥系统被控对象对象方块图
fQ
fW 1 100S+1 e-3S e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) T1
控制方案：
fQ
fP
1 100S+1
Y(S) Km TmS+1 Z(S) U(S) (TdS+1)
测量、变送装置与微分器连接示意图
U ( s) 若Td Tm时 : Km Y ( s)
但是，微分环节会放大测量、变送回路的高频噪声，使得系统稳定 性变差，因此，要合理使用。
2. 测量信号的处理
6-1简单控制系统概述
控制变量
冷物料
热交换器
热物料
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例 ──水泵压力控制系统
被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量
设定值 PC PT
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例
广西大学电气工程学院
一个简单 控制系统 开发设计 的全过程 如右图所 示
广西大学电气工程学院
设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性
深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确 定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系
生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个 生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互 影响的关系。 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系 统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产 生的系统误差。
广西大学电气工程学院
六、控制系统正常运行的重要准则
控制系统正常运行的重要准则有负反馈 准则和稳定运行准则。 负反馈准则
控制系统成为负反馈的条件是该控制系统 各开环增益之积为正。 在扰动或设定变化时，控制系统静态稳定 运行条件是控制系统各环节增益之积基本 不变；控制系统动态稳定运行条件是控制 系统总开环传递函数的模基本不变。
广西大学电气工程学院
广西大学电气工程学院
二、对过程控制系统设计的一般要求
要分析、设计和应用好一个过程控制系 统，首先应对被控过程做全面了解，对 工艺过程、设备等做深入的分析，然后 应用自动控制原理与技术，拟定一个合 理正确的控制方案，选择合适的检测变 送器、控制器、执行器（调节阀），从 而达到保证产品质量、提高产品产量、 降耗节能、保护环境和提高管理水平等 目的。
过程控制系统—简单控制系统(工业仪表自动化)
02
小结
控制柜主要由电源和DCS部分组成；控制对象中的两个独 立的控制回路可以通过不同的执行器、工艺线路组成不同 的控制方案。
02
思考题
1、压力变送器如何进行液位测量的？ 2、PT100如何实现温度测量的？
CONTENTS
01
1.准备工作
2.仪表检查
投运前要在现场校验仪表一次, 确认正常后可考虑 投运。
给定值X e
p 控制器
控制阀
干扰f q
被控对象
被控 变量y
测量值Z
测量变送器
方法：系统四环节特性符号乘积为“— ”。
控制器 × 控制阀 × 变送器 × 被控对象
为“—”
02 环节特性符号的规定：
输入
输出
环节
输入↑→输出↑ 符号为“+” 输入↑→输出↓ 符号为“-”
02
操纵变量q ↑ 被控对象
被控变量y ↑ 符号为“+” ↓ 符号为“ ”
02
控制器参数的工程整定
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δ、积分时间TI和 微分时间TD。
方法 理论计算的方法和工程整定法。 几种常用的工程整定法
1.临界比例度法
先通过试验得到临界比例度δk和临界周期Tk，然后根 据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。
对于控制记录仪表,除了要观察测量指示是否正常 外,还特别要对控制器控制点进行复校。
01
3.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式
控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制 系统成为负反馈闭环系统的重要一环。
正作用？ 反作用？
控制器正、反作用开关示意图
01
简单控制系统的组成精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版●简单控制系统的组成四个基本组成部分：被控对象、检测与变送仪表、调节器（控制器）、执行机构。
简单控制系统的工作过程变量、执行器、控制器类型的确定●串级控制系统的组成四个基本组成部分：两个被控对象、两套检测与变送仪表、两个调节器（控制器）、执行机构。
系统主副控制器正、反作用方向的确定：先副后主特点：在系统结构上，它是由两个闭环回路，副回路起快速的“粗调”作用，主回路则起“细调”作用，系统的鲁棒性好，副回路是一个随动控制系统，所以系统对负荷的改变有一定的自适应能力●均匀控制系统的特点结构上无特殊性，区别在控制目的和参数的整定工艺参数应在允许的范围内缓慢变化●比值控制系统使一中物料随另一种物料按一定的比例变化的控制系统比值和比值系数的计算●前馈控制系统是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上● 分程控制系统是一台调节器的输出仅操纵一个调节阀, 若一台调节器去控制两个以上的调节阀, 并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门, 这种控制方式习惯上称为分程控制。
● 选择控制系统是生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。
至操作极限时，通过选择器把一个用于控制不安全情况的备用控制系统取代正常工况下，待回到正常工况后又切回到正常工况下。
● 图为锅炉汽包液位控制系统，生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。
1）指出该系统为什么样的系统；2）指出被控参数和控制参数3）确定调节阀应该选气开还是气关？并说明原因。
4）调节器的控制规律及其正、反作用方式？并说明原因答；1）、单回路控制系统（2）、被控参数为汽包液位、控制参数给水流量（3）应选择气关式。
因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以保证锅炉不被烧干 （ 4）调节阀应选择气关式，则液位控制器应为正作用，当检测到液位增加时，控制器应加大输出，则调节阀关小，使汽包液位稳定或当检测到液位增减小时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使汽包液位稳定● 如下图所示的管式加热炉出口温度控制系统，主要扰动来自燃料流量的波动，试分析：（1）该系统是一个什么类型的控制系统？画出其方框图（2）确定调节阀的气开气关形式，并说明原因（3）确定两个调节器的正反作用。
简单控制系统
第7章简朴控制系统随着现代石油化工等过程装置的日益大型化、复杂化，智能仪表和计算机控制系统的日益普及，各类控制系统特别是复杂控制和先进控制系统在生产过程中的作用越来越显得重要。
目前，占控制系统绝大多数的仍然是简朴控制系统，简朴控制系统也是各类复杂控制和先进控制系统的基础。
因此，掌握简朴控制系统的基本原理和设计方法非常重要。
由于简朴控制系统的工作原理在前述章节已做介绍与讨论，本章以简朴控制系统的设计、投运与整定为重要内容。
7.1 简朴控制系统结构与组成从第一章已知，自动控制系统是由被控对象和自动化装置两大部分组成，即测量元件及变送器自动化装置自动控制器（调节器）自动控制系统（起控制作用）执行器（控制阀）被控对象受控制的物理装置（生产设备）（对象）由于构成自动控制系统的这两大部分(重要是指自动化装置)的数量、连接方式及其目的不同，自动控制系统可以有许多类型。
所谓简朴控制系统，通常是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。
图7-l所示的液位控制系统与图7-2所示的温度控制系统都是简朴控制系统的例子。
图7-1所示的液位控制系统中，贮槽是被控对象，液位是被控变量，变送器LT将反映液位高低的信号送往液位控制器LC。
控制器的输出信号送往执行器，改变控制阀开度使贮槽输出流量发生变化以维持液位稳定。
图7-1 液位控制系统图7-2 温度控制系统图7-2所示的温度控制系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持换热器出口物料的温度在工艺规定的数值上。
需要说明的是在本系统中画出了变送器LT及TT这个环节，根据第一章中所介绍的控制流程图，按自控设计规范，测量变送环节是被省略不画的，所以在本书以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注旨在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。
图7-3是图7-1和图7-2所示控制系统的方块图，也简朴控制系统的典型方块图。
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执行器
气动薄膜调节机构的正反作用
正作用
反作用
正作用：阀芯向下， 阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少。 反作用： 阀芯向上，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大。
执行器
07:27
气开式：气信号增加，阀门开度增大。
气关式：气信号增加，阀门开度减小。
四种组合 正作用
正作用
正作用
反作用
反作用 正作用
工作原理方框图：
力矩平衡
气信号
执行机构
力矩平衡
07:27
控制规律
双位控制
理想的双位控制器其输出p与输入偏差e 之间的关系为
p
pmax, pm in ,
e e
0(或e
0或e
0)
0
特点：控制器只有两个输出，相应的执行器只有 开和关两个极限位置。 双位控制又称为开关控制。
07:27
执行器
07:27
快开：平板结构 线性：曲面形状，“瘦” 等百分比：曲面形状，“胖”
07:27
执行器
07:27
阀门定位器
阀门定位器的工作机理 阀门定位器接受控制器的输出信号，然后将控制器
的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后， 其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器
控制器
阀门定位器
1、积分时间越小，积分作用越强。反之，积分时间越大， 积分作用越弱。 2、若积分时间为正无穷大，就没有积分作用，此时的 比例积分控制器就称为纯比例控制器了。
07:27
积分时间对过渡过程的影响
减小积分时间， 积分作用增强， 克服余差的能力增强， 准确性增强， 但是震荡加剧， 稳定性降低， 快速性降低。
控制规律
继电器
电磁阀
控制规律
07:27
比例控制( P )
比例控制规律及其特点
e
Δu
比例控制器KC
图4-7 比例控制器
e（偏差）为控制器的输入信号，Δu为输出信号（变化
量），KC为比例增益（放大倍数）， KC越大，比例作
用越强。
比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量
07:27
控制规律
比例度
U
例二：控制进入设备的易结晶气体的控制阀， 应选用？ 气关阀，以防堵塞。
07:27
执行器
控制阀的流量特性
理想流量特性，即在阀的前后压差固定的条件下，流 量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参 数。
理想流量特性主要有线性、等百分比及快开三种。这 三种特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可 以得到不同的理想流量特性。
简单控制系统的方块图？
执行器
设定值
控制器
执行器
07:27
扰动 被控对象 被控变量
测量变送
接受控制器的输出的控制信号，改变操纵变量，使被控 变量向设定值靠拢的装置，称为执行器。
最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。
07:27
执行器
执行器是控制系统最薄弱的环节。 自控系统出故障，70%都是执行器出问题。
其中，气动薄膜调节阀应用最为广泛。
07:27
执行器
气动薄膜调节阀
1、接受20 ~100KPa的 标准气压信号； 2、在膜片上产生推力； 3、推动阀杆产生位移； 4、带动阀芯动作。
执行器
气动薄膜执行机构的正反作用
气源PO
07:27
气源PO
正作用执行机构（ZMA）
反作用执行机构（ZMB）
07:27
积分控制作用的输出变化量Δu与输入偏差e的积分
成正比，即
t
u
KI
e(t )dt 0
KI 表示积分速度
注意：具有积分控制规律的控制器，其输出信号的大小， 不仅决定于偏差信号的大小，还取决于偏差存在时间的长短。
07:27
控制规律
比例积分控制规律（PI）与积分时间（ TI ）
比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加，
PO 1
气 动 执 行 机 构
6
调 节 机 构
2 3 4
5
图 气动薄膜调节阀的外形和内部结构 1－薄膜 2－平衡弹簧 3－阀杆 4－阀芯 5－阀体 6－阀座
07:27
执行器
执行器分类
根据驱动信号的不同，执行器分为三种形式 1.电动执行器； 2.气动执行器； 3.液动执行器。（推力最大，笨重，很少使用）
原因：执行器与介质（操纵变量）直接接触 (强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、 高温、深冷、高压、高差压
07:27
执行器
执行器的组成
调节机构是根据执行机构输出信号去改 变能量或物料输送量的装置，通常指控 制阀。
执行机构
调节机构
执行机构是根据控制器的控制信号产生 推力或位移的装置。
07:27
执行器
执行机构
控制阀
07:27
阀门定位器
输 入 信 号电气-动气阀阀门门定定位位器器
阀门定位器
07:27
YT-1000R-PTM（带反馈） 电气阀门定位器 1050元
SIEMENS西门子阀门定位器 6DR5115-0EG00-0AA0
9800元
07:27
阀门定位器
电-气阀门定位器
具有两个重要特点： 1、具有电气转换作用 2、具有阀门定位功能
其数学表达式为： u(t)源自Kc e(t)
1 TI
t 0
e(t
)dt
Kc 为比例增益， TI 为积分时间， Kc / TI K I
比例积分控制器的传递函数为：
G(s)
Kc
Kc TI s
07:27
控制规律
结论
u(t)
Kc
e(t)
1 TI
t 0
e(t)dt
反作用 反作用
气关式
气开式
气开式
气关式
07:27
执行器
气开式与气关式的选择
生产安全。
气信号中断，控制阀复位，应能确保生产工艺设备的安全。 如果阀处于打开位置时危害性小，应用气关式；反之， 阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀
例一：加热炉的燃料进料阀应采用？ 气开阀，即当信号中断时应切断进炉燃料，以 免炉温过高发生事故。
(t)
Kce(t)
1
e(t)
结论
比例度与比例增益成反比。 比例度越小，则比例增益越大，比例控制作用就越强； 反之，比例度越大，则比例增益越小，比例控制作用 就越弱。
07:27
比例度对过渡过程的影响
实现快速控制
07:27
控制规律 积分控制（I）
一、积分控制规律及其特点
当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的 基础上，再加上积分控制作用。
07:27
简单控制系统
07:27
控制系统的分类
串级控制系统
前馈控制系统
比值控制系统
控制系统复 简杂 单控 控制 制系 系统 统
选择性控制系统 均匀控制系统
分程控制系统
.
.
.
07:27
简单控制系统的定义：
由一个被控对象、一个检测变送单元、一个控 制器和一个执行器所组成的单闭环负反馈控制 系统叫做简单控制系统，也称为单回路控制系 统。
气动薄膜调节机构的正反作用
正作用
反作用
正作用：阀芯向下， 阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少。 反作用： 阀芯向上，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大。
执行器
07:27
气开式：气信号增加，阀门开度增大。
气关式：气信号增加，阀门开度减小。
四种组合 正作用
正作用
正作用
反作用
反作用 正作用
工作原理方框图：
力矩平衡
气信号
执行机构
力矩平衡
07:27
控制规律
双位控制
理想的双位控制器其输出p与输入偏差e 之间的关系为
p
pmax, pm in ,
e e
0(或e
0或e
0)
0
特点：控制器只有两个输出，相应的执行器只有 开和关两个极限位置。 双位控制又称为开关控制。
07:27
执行器
07:27
快开：平板结构 线性：曲面形状，“瘦” 等百分比：曲面形状，“胖”
07:27
执行器
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阀门定位器
阀门定位器的工作机理 阀门定位器接受控制器的输出信号，然后将控制器
的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后， 其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器
控制器
阀门定位器
1、积分时间越小，积分作用越强。反之，积分时间越大， 积分作用越弱。 2、若积分时间为正无穷大，就没有积分作用，此时的 比例积分控制器就称为纯比例控制器了。
07:27
积分时间对过渡过程的影响
减小积分时间， 积分作用增强， 克服余差的能力增强， 准确性增强， 但是震荡加剧， 稳定性降低， 快速性降低。
控制规律
继电器
电磁阀
控制规律
07:27
比例控制( P )
比例控制规律及其特点
e
Δu
比例控制器KC
图4-7 比例控制器
e（偏差）为控制器的输入信号，Δu为输出信号（变化
量），KC为比例增益（放大倍数）， KC越大，比例作
用越强。
比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量
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控制规律
比例度
U
例二：控制进入设备的易结晶气体的控制阀， 应选用？ 气关阀，以防堵塞。
07:27
执行器
控制阀的流量特性
理想流量特性，即在阀的前后压差固定的条件下，流 量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参 数。
理想流量特性主要有线性、等百分比及快开三种。这 三种特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可 以得到不同的理想流量特性。
简单控制系统的方块图？
执行器
设定值
控制器
执行器
07:27
扰动 被控对象 被控变量
测量变送
接受控制器的输出的控制信号，改变操纵变量，使被控 变量向设定值靠拢的装置，称为执行器。
最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。
07:27
执行器
执行器是控制系统最薄弱的环节。 自控系统出故障，70%都是执行器出问题。
其中，气动薄膜调节阀应用最为广泛。
07:27
执行器
气动薄膜调节阀
1、接受20 ~100KPa的 标准气压信号； 2、在膜片上产生推力； 3、推动阀杆产生位移； 4、带动阀芯动作。
执行器
气动薄膜执行机构的正反作用
气源PO
07:27
气源PO
正作用执行机构（ZMA）
反作用执行机构（ZMB）
07:27
积分控制作用的输出变化量Δu与输入偏差e的积分
成正比，即
t
u
KI
e(t )dt 0
KI 表示积分速度
注意：具有积分控制规律的控制器，其输出信号的大小， 不仅决定于偏差信号的大小，还取决于偏差存在时间的长短。
07:27
控制规律
比例积分控制规律（PI）与积分时间（ TI ）
比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加，
PO 1
气 动 执 行 机 构
6
调 节 机 构
2 3 4
5
图 气动薄膜调节阀的外形和内部结构 1－薄膜 2－平衡弹簧 3－阀杆 4－阀芯 5－阀体 6－阀座
07:27
执行器
执行器分类
根据驱动信号的不同，执行器分为三种形式 1.电动执行器； 2.气动执行器； 3.液动执行器。（推力最大，笨重，很少使用）
原因：执行器与介质（操纵变量）直接接触 (强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、 高温、深冷、高压、高差压
07:27
执行器
执行器的组成
调节机构是根据执行机构输出信号去改 变能量或物料输送量的装置，通常指控 制阀。
执行机构
调节机构
执行机构是根据控制器的控制信号产生 推力或位移的装置。
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执行器
执行机构
控制阀
07:27
阀门定位器
输 入 信 号电气-动气阀阀门门定定位位器器
阀门定位器
07:27
YT-1000R-PTM（带反馈） 电气阀门定位器 1050元
SIEMENS西门子阀门定位器 6DR5115-0EG00-0AA0
9800元
07:27
阀门定位器
电-气阀门定位器
具有两个重要特点： 1、具有电气转换作用 2、具有阀门定位功能
其数学表达式为： u(t)源自Kc e(t)
1 TI
t 0
e(t
)dt
Kc 为比例增益， TI 为积分时间， Kc / TI K I
比例积分控制器的传递函数为：
G(s)
Kc
Kc TI s
07:27
控制规律
结论
u(t)
Kc
e(t)
1 TI
t 0
e(t)dt
反作用 反作用
气关式
气开式
气开式
气关式
07:27
执行器
气开式与气关式的选择
生产安全。
气信号中断，控制阀复位，应能确保生产工艺设备的安全。 如果阀处于打开位置时危害性小，应用气关式；反之， 阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀
例一：加热炉的燃料进料阀应采用？ 气开阀，即当信号中断时应切断进炉燃料，以 免炉温过高发生事故。
(t)
Kce(t)
1
e(t)
结论
比例度与比例增益成反比。 比例度越小，则比例增益越大，比例控制作用就越强； 反之，比例度越大，则比例增益越小，比例控制作用 就越弱。
07:27
比例度对过渡过程的影响
实现快速控制
07:27
控制规律 积分控制（I）
一、积分控制规律及其特点
当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的 基础上，再加上积分控制作用。
07:27
简单控制系统
07:27
控制系统的分类
串级控制系统
前馈控制系统
比值控制系统
控制系统复 简杂 单控 控制 制系 系统 统
选择性控制系统 均匀控制系统
分程控制系统
.
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07:27
简单控制系统的定义：
由一个被控对象、一个检测变送单元、一个控 制器和一个执行器所组成的单闭环负反馈控制 系统叫做简单控制系统，也称为单回路控制系 统。