过程控制系统 第4章 简单控制系统讲解

变量中的对被控变量影响最大的一个。控制通道 的放大系数Ｋ要尽量大一些，时间常数Ｔ适当小 些，滞后时间尽量小。 ③不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量， 以免产量受到波动。
4.2.3 检测变送环节选择

⑴ 检测变送环节的性能
检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可
靠。 选择检测元件时应考虑该元件能否适应工业生产 过程环境；能否长期稳定运行；检测元件的精确 度和响应的快速性等。还应考虑检测元件和变送 器的线性特性等。
仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合
理选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要 求为原则。检测变送仪表的量程应满足读数误差 的精确度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表 量程大Km小，而仪表量程小则Km大。
检测元件和变送器增益Km的线性度与整个闭环控
制系统输入输出的线性度有关，当控制回路的前 向增益足够大时，整个闭环控制系统输入输出的 增益是Km的倒数。例如，采用孔板和差压变送器 检测变送流体的流量时，由于差压与流量之间的 非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整 个控制系统开环增益非线性。
控制系统设计基本内容

① 确定控制方案


调研，论证 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 案设计说明书等等。
要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑ 供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素。 包括控制室设计﹑供电和供气系统设计﹑仪表配管和配线设计 和联锁保护系统设计等等，提供相关的图表。
《过程控制系统》
第4章 简单控制系统

简单控制系统指的是单输入-单输出(SISO) 的 线性控制系统，是控制系统的基本形式。其特 点是结构简单，而且具有相当广泛的适应性。 在计算机控制已占主流的今天，即使在高水平 的自动控制设计中，简单控制系统仍占控制回 路的绝大多数，一般在85％以上。力求简单、 可靠、经济与保证控制效果是控制系统设计的 基本准则。
减小时间常数的措施包括检测点位置的合理选择；
选用小惯性检测元件；缩短气动管线长度，减小 管径；正确使用微分单元；选用继动器等放大元 件等。为了增大最大时间常数与次大时间常数之 间的比值，对于快速响应的被控对象，例如，流 量、压力等，有时需要增大检测变送环节的时间 常数，常用的措施有合理选用微分单元（反微 分）；并联大容量的电容或气容；串联阻容滤波 环节等。
相对于过程的时间常数，大多数检测变送环节的
时间常数是较小的。但成分检测变送环节的时间 常数和时滞会很大；气动仪表的时间常数较电动 仪表要大；采用保护套管温度计检测温度要比直 接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。 此外，应考虑时间常数随过程运行而变化的影响。 例如，由于保护套管结垢，造成时间常数增大， 保护套管磨损，造成时间常数减小等。对检测变 送环节时间常数的考虑主要应根据检测变送、被 控对象和执行器三者时间常数的匹配，即增大最 大时间常数与次大时间常数之间的比值。

说明 ：



框图中的各个信号都是增量。 各环节的增益有正、负之别。 通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象。 简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道：控制通道是操 纵变量作用到被控变量的通道。扰动通道是扰动作用到被控变 量的通道。 设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统 设定值是任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控 制系统。 控制系统中如果包含采样开关，则这类控制系统称为采样控制 系统
4.1 控制系统的组成
设定值 蒸汽 TC TT 设定值 PC PT
θ (b) 压力控制系统 设定值 FC FT
(a) 温度控制系统
设定值 LT LC
(c) 液位控制系统 图 4-1 简单控制系统示例
(d)流量控制系统

简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行 器和被控对象组成。
检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测
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置对象； 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 用仪表及装置的先进性。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。
到的信号转换为标准信号输出。 控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值 信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号 进行运算，运算结果输出到执行器。 执行器是控制系统环路中的最终元件，直接用于 控制操纵变量变化。 被控对象是需要控制的设备 。
扰动 操纵 变量 控制器 执行器 检测变送 (a) F(s) 被控对象 扰动通道 被控变量ຫໍສະໝຸດ ② 仪表及装置的选型

③ 相关工程内容的设计

控制系统设计基本步骤





① 初步设计 初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。 ② 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详细的设计资料。 ③ 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。
4.2.2 被控变量与操纵变量的选择

被控变量选择应遵循下列原则：
尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变
量； 所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效 的要求 必须考虑自动化仪表及装置的现状。

操纵变量选取应遵循下列原则：
①操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； ②操纵变量是应该是系统中所有被控变量的输入