2012热工仪表第七章--简单控制系统PPT课件
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操纵变量的选择原则
—化工仪表以自动化—
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。
冷却水 塔顶产品
进料流量Q入 进料成分X入 进料温度T入 回流流量F 回流温度TH 加热蒸汽流量QZ 冷凝器冷却温度
塔底产品
塔压P
不可控 不可控 不可控
可控 不可控
可控 不可控 不可控
精馏过程示意图
8
对象特性对控制质量的影响
—化工仪表以自动化—
干扰变量 控制变量
被控对象 干扰通道 控制通道
被控变量
PT
FT
气氨
热物料
TT 冷物料
薄 板
液 氨 储
冷
罐
却 器
液氨
气氨 LC
液氨
氨直冷式薄板冷却系统示意图
10
对象动态性质对控制质量的影响
—化工仪表以自动化—
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
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
选择被控变量
明确 控Biblioteka Baidu目的
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）
分析 生产工艺
“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
确定 被控变量
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。
被控变量TD
对
QZ
象
F
TH
影响塔顶温度的各种输入示意图
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。
7
精馏塔系统的操纵变量选择
—化工仪表以自动化—
p TD
进料 Q入，X入，T
入
QZ 蒸汽
TH
回流 F
Y/(YMAXYMIN)
X/(XMAXXMIN) 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。
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。
11
—化工仪表以自动化—
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
无纯滞后 有纯滞后
干扰通道纯滞后τf的影响
1
第一节 概述
—化工仪表以自动化—
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
四个基本环节：
➢ 测量变送环节 ➢ 控制器 ➢ 执行器 ➢ 被控对象
干扰
设定值
＋
偏差
－
控制器
执行器
被控对象
测量变送环节
被控变量
2
常见的两种简单控制系统：
液位控制系统
—化工仪表以自动化—
5
—化工仪表以自动化—
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。
4
—化工仪表以自动化—
精馏塔系统的被控变量选择
p TH
TD
TD ℃
冷却水
进料 Q入，X入，T入
回流F 塔顶产品
XD%
苯－二甲苯的T-x图
P MPa
QZ 蒸汽
塔底产品
精馏过程示意图
XD%
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。
温度控制系统
载 热 体
换热器
冷流体
设定值
＋
偏差
－
控制器 (LC或TC)
执行器 （控制阀）
干扰
被控对象 （液位储槽或换热器
）
被控变量 （液位或温度）
测量、变送环节 （LT或TT）
广义对象
简单控制系统方块图
3
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 —化工仪表以自动化—
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
9
对象稳态性质对控制质量的影响
—化工仪表以自动化—
放大系数 绝对放大系数
Y
X
相对放大系数
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。
13
—化工仪表以自动化—
根据稳态性质选择操纵变量
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
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。
6
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
第三节 操纵变量的选择—化工仪表以自动化—
操纵变量与干扰变量
Q入
T入
X入
被 控
热工仪表第7章 简单控制系统
—化工仪表以自动化—
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？
操纵变量的选择原则
—化工仪表以自动化—
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。
冷却水 塔顶产品
进料流量Q入 进料成分X入 进料温度T入 回流流量F 回流温度TH 加热蒸汽流量QZ 冷凝器冷却温度
塔底产品
塔压P
不可控 不可控 不可控
可控 不可控
可控 不可控 不可控
精馏过程示意图
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对象特性对控制质量的影响
—化工仪表以自动化—
干扰变量 控制变量
被控对象 干扰通道 控制通道
被控变量
PT
FT
气氨
热物料
TT 冷物料
薄 板
液 氨 储
冷
罐
却 器
液氨
气氨 LC
液氨
氨直冷式薄板冷却系统示意图
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对象动态性质对控制质量的影响
—化工仪表以自动化—
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
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
选择被控变量
明确 控Biblioteka Baidu目的
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）
分析 生产工艺
“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
确定 被控变量
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。
被控变量TD
对
QZ
象
F
TH
影响塔顶温度的各种输入示意图
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。
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精馏塔系统的操纵变量选择
—化工仪表以自动化—
p TD
进料 Q入，X入，T
入
QZ 蒸汽
TH
回流 F
Y/(YMAXYMIN)
X/(XMAXXMIN) 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。
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。
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—化工仪表以自动化—
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
无纯滞后 有纯滞后
干扰通道纯滞后τf的影响
1
第一节 概述
—化工仪表以自动化—
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
四个基本环节：
➢ 测量变送环节 ➢ 控制器 ➢ 执行器 ➢ 被控对象
干扰
设定值
＋
偏差
－
控制器
执行器
被控对象
测量变送环节
被控变量
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常见的两种简单控制系统：
液位控制系统
—化工仪表以自动化—
5
—化工仪表以自动化—
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。
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—化工仪表以自动化—
精馏塔系统的被控变量选择
p TH
TD
TD ℃
冷却水
进料 Q入，X入，T入
回流F 塔顶产品
XD%
苯－二甲苯的T-x图
P MPa
QZ 蒸汽
塔底产品
精馏过程示意图
XD%
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。
温度控制系统
载 热 体
换热器
冷流体
设定值
＋
偏差
－
控制器 (LC或TC)
执行器 （控制阀）
干扰
被控对象 （液位储槽或换热器
）
被控变量 （液位或温度）
测量、变送环节 （LT或TT）
广义对象
简单控制系统方块图
3
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 —化工仪表以自动化—
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
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对象稳态性质对控制质量的影响
—化工仪表以自动化—
放大系数 绝对放大系数
Y
X
相对放大系数
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。
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—化工仪表以自动化—
根据稳态性质选择操纵变量
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
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。
6
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
第三节 操纵变量的选择—化工仪表以自动化—
操纵变量与干扰变量
Q入
T入
X入
被 控
热工仪表第7章 简单控制系统
—化工仪表以自动化—
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？