《单回路控制系统》PPT课件

Gm (S)
K m e S TmS 1
20
4.3.2 选型注意事项
应尽量减少其时间常数与滞后时间。 选择快速反应的测量元件，以减小时间常数 选择合适的测量点，以减小纯滞后 使用微分单元，以克服容量滞后
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4.4 控制阀的选择
问题：干扰(设定值、负荷或其它因素变化)的存在会破坏系 统的正常运行状态，那么用什么办法来克服扰动的影响 【请根据系统框图回答】
与控制阀输出流量Q成正 比，则阀流量特性应选线 性；
KP变化，且随Q增大反而
减少，则应选对数(或抛 物线/或蝶阀)流量特性；
KP变化，且随Q增大反而
增大，则应选快开流量特 性；
Q 直线
l
Q
对数/抛物 线/蝶阀
l
Q 快开
l
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数学分析法:定值控制系统(负荷为干扰)
y 负荷线 R
Q
Q1Q2Q3
y 负荷线 R
1)数学分析法 根据对象特性选取合适的控制阀流量特性
2)经验法(工程上多采用) 根据被控对象、控制参数，按照经验选取流量特性。按
经验法选择流量特性时： 需要考虑工艺配管情况; 考虑负荷变换的情况: 在负荷变化幅度大的场合，选等
百分比阀较合适；当所选控制阀经常工作在小开度时，也宜选 等百分比阀。
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数学分析法（举例）
离心泵流量控制
9
2、离心泵的流量控制
离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对输送的流体流量 有定量的要求。此时被控量是离心泵的实际排出液体的流量，扰动因素主 要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。控制方案常见的有如 下三种：
F
F
C
C
F
C
(a) 直 接 节 流 方 案 (c) 控制转速方案
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控制阀结构形式特点及适用场所
直通单 结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡 座阀 力大。适用于小口径Dg≤25mm 的场合。
直通双 受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适 座阀 用于大口径管道的场合。
阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有 角形阀 悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较
Q1
Q2
A
dh dt
Q1
Q2
A
d h dt
Q2 kb
h
Q2 h
h
Q2 b
b
Q20
Q20
Q2 h
h
Q2 b
b
Q10 Q20 kb0 h0
kb0 h k 2 h0
h0 b
Q1(s)
Q2
(s)
A
dH (s) dt
Q2 (s)
kb0 2 h0
H(s) k
h0 B(s)
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数学分析法（举例）
2 h0
4
在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计是最基本的方法，适用于 其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。
通常在选择控制方案时，只有在简单控制系统不能满足生产过程控制的 要求时，才考虑采用两个回路以上组成的复杂控制系统。
单回路控制系统适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制 质量要求不很高的场合。
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4.2.2 操纵量的选择
操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素， 应该遵循快速、有效地克服干扰的原则去选择操纵量。
输入
输出
加热炉:燃料油成分、燃料油压力、燃料油雾化、燃料油流 量、烟筒抽力、原油温度、原油流量
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4.2.2 操纵量的选择
如何选？(从对象特性对控制质量的影响入手，完成下表）
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控制阀的流量特性选择原则
G0(s)=GC(s)GV(s)GP(s)Gm(s)=const
通常使 G0(jwg)≈-0.5 若仅考虑静态特性，并考虑到控制器增益与检测变送环节增益 通常维持不变，则有
KV
1 KP
输出 对象:KP 合成:K0
控制阀:KV 输入
阀与对象的放大系数 25
4.4.1.2流量特性的选择方法
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4.4.2 控制阀结构形式的选择
控制阀选用时需注意两点： 被控介质的工艺条件，如温度、压力、流量等。 被控介质的流量特性，如黏度、腐蚀性、毒性、是否含悬浮颗 粒、液态还是气态等。
a)单座控制阀
b)双座控制阀 c)角形控制阀
筒控制阀
1-阀杆；2-上阀盖；3-填料；4-阀芯；5-阀座；6-阀体
d)套
控制器
SP
GC(s)
PV
控制阀
GV(s)
检测与变送器
Gm(s)
扰动
对象
GP(s)
单回路控制系统
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流量特性(实际上就是控选制线阀性还选是择对内数特容性，因为抛物线特性
阀通常用的很少，而蝶阀当导通角为0-70o时近似为对数特性) ； 结构形式； 开闭形式； 口径计算。
ZXP(ZJHP)型新系列 气动薄膜直通单座阀 ZAZN型电动双座阀
应根据主要干扰的变化来选择阀门特性； 当对象特性可用图形表示时，用图解法选；而当特性可用 解析式表示时用解析法选【注意对象特性必须是增量化前的 方程】； 要求高时，应从动态角度考虑与分析； 控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性恒定， 为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满足此要求。 如节流装置测流量，配开方器，用线性控制阀；如不加开方 器，从静态考虑要选快开特性，实际选线性。
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主要内容
4.1 概述 4.2 被控量与操纵量的选择 4.3 检测及变送环节的考虑 4.4 控制阀的选择 4.5 控制器控制规律及作用方向的选择 4.6 控制器参数的工程整定 4.7 控制系统的投运 4.8 单回路控制系统设计实例
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1、换热器的温度控制
热交换器是常见的一种传热设备，通过它可以将冷物料加热(或冷 却)到预定的温度。图示为一个列管式换热器，其中载流体的热量首先传 给套管的内壁，经管壁传导后再传给冷流体。传热过程中存在几个串联的 热阻，故换热器是一个多容量对象，时间常数和滞后都比较大。
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直接指标选择
1）表征其质量指标是一个变量，应选用这个受控变量。如 汽包液位L 2）表征其质量指标是两个变量，应根据自由度选择
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被控变量选择原则
1、直接指标测量滞后小，选择直接指标为受控变量 2、选择间接指标时应考虑 ①工艺合理性 ②测量滞后小，对直接指标有最大灵敏度 ③实施方便 3、直接指标信号微弱，可选用间接指标 4、考虑国内外仪表状况
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过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。 单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对 对象的某一个被控参数进行闭环负反馈控制。 多回路控制系统内部包含两个以上的单回路系统，对过程两个以上的参数进 行闭环负反馈控制，其控制目标保证被控过程的被控参数满足工艺要求。
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
kb0
28
数学分析法（举例）
2 h0
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
kb0
①由于设定值扰动引起工作点移动 静态特性的补偿
KP h0
29
数学分析法（举例）
2 h0
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
离心泵流量控制
(b) 控 制 旁 路 流 量 方 案
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4.1 概述
期望值
SP
控制器 执行器 对象 检测/变送
图4-1 单回路控制系统
实际值
单回路（系统）:反馈控制中的最基本系统
特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍 占90%以上
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系统组成及分析 系统组成
被控对象（被控过程）、测量变送、 控制器、控制阀
y 负荷线 R
对象KP恒定，即被控量
与控制阀输出流量Q成正 比，则阀流量特性应选线 性；
KP变化，且随Q增大反而
减少，则应选对数(或抛 物线/或蝶阀)流量特性；
KP变化，且随Q增大反而
增大，则应选快开流量特 性；
Q 直线
l

Q
对数/抛物 线/蝶阀
l
Q 快开
l
负荷改变
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数学分析法选控制阀流量特性注意事项
设计要求： 1、安全性 2、稳定性 3、经济性
2
过程控制系统设计的具体步骤为： （1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量 （2）建立数学模型 （3）确定控制方案 （4）选择硬件设备 （5）选择控制算法，进行控制器设计 （6）软件设计
系统设计完成后，进行设备安装、调 试与整定，再投入运行。
对于过程控制系统而言，控制方案 的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容。
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1、换热器的温度控制
根据工艺要求，需要控制的参数是冷流体被加热后的出口温度T1O， 此温度要求保持在某一设定数值。影响出口温度T1O的扰动因素主要有：冷 流体进口温度T1i 和流量F1、载热体入口温度T2i和流量F2等。常见控制方案 有下面两种：
载热体 F2,T2i
TC
T1O T20
冷 流 F1,T1i 体
T
F2
C
F1
T1O
F’1, T1
(a) 方案一：控制载热体流量
(b) 方案二：控制冷流体分流量
换热器温度控制
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2、离心泵的流量控制
离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对输送的流体流量 有定量的要求。此时被控量是离心泵的实际排出液体的流量，扰动因素主 要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。
kb0
①由于设定值扰动引起工作点移动
动态特性的补偿
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数学分析法（举例）
2 h0
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
kb0
②由于出液阀开度扰动引起工作点移动
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数学分析法:随动控制系统(设定值R为干扰)
y
R2
R1
Q
Q1 Q2 y
R2
R1
Q
y
R2
R1
Q
设定值R改变
对象KP恒定，即被控量
第四章 单回路控制系统
比较机构
+
e(t)
r(t)
_
控制装置
控制器
执行器 u(t)
扰动 f(t)
过程 q(t)
测量值y(t)
检测元件、变送器
广义对象
被控变量 c(t)
1
过程控制系统设计步骤
过程控制系统的设计是工程设计的一个重 要环节，设计的正确与否，直接影响到工程能否投入 正常运行。因此要求过程控制专业人员必须根据生产 过程的特点、工艺对象的特性和生产操作的规律，只 有正确运用过程控制理论，合理选用自动化技术工具， 才能设计出技术先进、经济合理、符合生产要求的控 制系统。
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4.44..41..11选控择制原阀则的流量特性选择
系统稳定运行准则 使在生产负荷变动情况下，已整定的控制 器的参数值不需改变，而控制系统仍能保持预定的品质指标。 系统稳定运行维持方法 通过选择适当的控制阀特性来保证 【原因：对象特性通常随负荷(工作点)而变，除控制器外系统中 无其它可变部分】。 流量特性选择实质与原则 以控制阀特性的变化来补偿对象 特性的变化，使系统成为一个理想的控制系统，即保证系统特性 在整个操作范围内基本维持不变：
通道1 通道2
放大系数
时间常数
滞后时间
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操纵量的选择原则
控制通道对象放大系数适当地大些，时间常数适中，纯滞 后越小越好； 扰动通道对象的放大系数应尽可能小，时间常数应尽可能 大； 扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件，增大扰动 通道的容量滞后，可减少对被控量的影响； 操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发，还必需考 虑生产工艺的合理性、经济性。
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4.3 检测及变送环节的考虑
4.3.1 检测及变送环节任务、作用及要求
任务: 对被控量进行正确测量，并将其转换为标准 信号。
要求: 能正确、及时地反映被控量的状况，提供操 作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据。
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4.3.2 检测变送环节特性
通常等效为带滞后的一阶惯性特性 【理想特性为比例环节】
蒸汽
汽包 省煤器
LT
LC
被控变量：汽包液位 过程（被控对象）：锅炉 汽包 操纵变量：进水流量 主要扰动：蒸汽量的变化
给水
锅炉汽包水位控制系统
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4.2 被控量和操纵量的选择
4.2.1 被控量的选择原则
控制系统的设计目标:
即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果 直接影响生产（产量、质量、安全）
选直接参数 即能直接反映生产过程产品产量和质量， 以及安全运行的参数(如锅炉水位控制) 。 选间接参数 当选直接参数有困难时采用，间接指标与 直接指标之间必须是一一对应的函数关系 (如锌精矿沸腾炉 的炉温控制，炉温是反映焙砂质量的一个间接指标)。
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经验法:按控制对象选择流量特性
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经验法:按被控变量选择控制阀的理想特性
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经验法:按配管情况选择流量特性
配管状态 实际特性 理想特性
S=1.0~0.6 直线 对数 直线 对数
S=0.6~0.3 直线 对数 对数 对数
S<0.3
不 适 宜 控 制
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4.4.1.3 控制阀流量特性选择注意事项
不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量特性可能是 不一样，甚至是相反的，所以应根据引起工作点移动的主要 干扰来选取控制阀流量特性； 采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性，考虑 到快开特性特点，一般用于双位控制或程序控制而不适合于 连续自动调节，此时可用线性阀代替； 生产实践中，通常阀前后压差是变化的，故选择时还需考 虑配管条件等对流量特性的影响。