第五章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容5.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述5.2控制方案的確定5.3調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定5.4單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例5.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。過(guò)程（又稱對(duì)象）–被控制的裝置或設(shè)備c(t)(或y(t))–被控參數(shù)（系統(tǒng)輸出）：過(guò)熱蒸汽的溫度f(wàn)(t)–擾動(dòng)作用，作用與被控過(guò)程引起被控參數(shù)變化的各種因素q(t)–控制參數(shù)（操縱變量）u(t)–控制作用，控制器的輸出值r(t)–給定值（設(shè)定值）測(cè)量變送器–將c(t)成比例地轉(zhuǎn)換為測(cè)量信號(hào)z(t)(反饋值)4控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟1、熟悉控制系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)2、建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3、確定控制方案4、根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能進(jìn)行分析和綜合5、系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究6、工程設(shè)計(jì)7、工程安裝8、控制器的參數(shù)整定55.2控制方案的確定被控變量的選取生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。被控變量選取的一般性原則

它們對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用；能直接測(cè)量或間接計(jì)算得到的工藝變量作為被控參數(shù)；采用間接參數(shù)時(shí)，該參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)具有足夠高的控制靈敏度；考慮工藝上的合理性以及所采用儀表的性能、價(jià)格等因素例如：直接測(cè)量蒸汽鍋爐水位控制，水位過(guò)高過(guò)低會(huì)造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故，直接與鍋爐安全運(yùn)行有關(guān)；容器的液位；加熱器中的蒸汽溫度。間接測(cè)量精餾塔利用混合物各成分揮發(fā)度不同，將混合物分離成較純組分產(chǎn)品和中間產(chǎn)品的設(shè)備。圖2精餾過(guò)程示意圖1—精餾塔；2—蒸汽加熱器圖3苯-甲苯溶液的T-x圖2.控制變量（操縱量）的選取被控量選定后，下一步選擇操縱變量，克服擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。有些生產(chǎn)過(guò)程，控制變量是唯一確定的，如鍋爐水位控制系統(tǒng)：

控制參數(shù)只能選給水量。但當(dāng)工藝有多種操縱量可供選擇時(shí)，要根據(jù)過(guò)程控制通道和擾動(dòng)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響來(lái)合理選擇操縱量。例：牛奶干燥工藝幾個(gè)概念控制通道：操縱量對(duì)被控量作用的通道。擾動(dòng)通道：擾動(dòng)量對(duì)被控量作用的通道。圖4干擾通道與控制通道示意圖

干擾變量由干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。控制通道放大系數(shù)Ko：被控變量的變化量與操縱變量的變化量在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)之比。擾動(dòng)通道放大系數(shù)Kf：過(guò)程受到階躍擾動(dòng)，過(guò)程從原有穩(wěn)定值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，被控量的變化量與擾動(dòng)幅度之比。過(guò)程靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響1.干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響被控量對(duì)擾動(dòng)量的傳遞函數(shù)：簡(jiǎn)化形式設(shè)：小結(jié)c過(guò)程動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響1.擾動(dòng)通道動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響（干擾點(diǎn)位置）（1）時(shí)間常數(shù)Tf的影響Tf越大，濾波能力越強(qiáng)，擾動(dòng)對(duì)被控量影響越小，控制質(zhì)量好。（2）滯后時(shí)間的影響當(dāng)擾動(dòng)有純滯后時(shí)，（3）擾動(dòng)點(diǎn)位置的影響三只水箱均為一階慣性環(huán)節(jié)；擾動(dòng)位置離被控參數(shù)越近（離調(diào)節(jié)閥越遠(yuǎn)），對(duì)被控量影響越大；擾動(dòng)位置離被控參數(shù)越遠(yuǎn)（離調(diào)節(jié)閥越近），擾動(dòng)對(duì)被控量影響越小；原因：濾波作用（通過(guò)慣性作用）。2.控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（1）時(shí)間常數(shù)To的影響To大：被控參數(shù)變化緩慢，控制不及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，控制質(zhì)量下降。To小：克服擾動(dòng)的影響太快，易引起系統(tǒng)振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，所以要適當(dāng)小。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求控制通道時(shí)間常數(shù)To適當(dāng)小，使其校正及時(shí)，又能獲得較好的控制質(zhì)量。（2）控制通道滯后時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響動(dòng)態(tài)偏差增大，超調(diào)量增加，控制質(zhì)量下降；增加系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性的相角滯后，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。（3）時(shí)間常數(shù)分配的影響結(jié)論：時(shí)間常數(shù)相差越大，臨界穩(wěn)定的增益K則越大，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性越有利；保持穩(wěn)定性相同情況下，時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)越多，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益就可以增大越多，對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量越有利。小結(jié)：1.控制通道放大系數(shù)Ko---適當(dāng)大一些；時(shí)間常數(shù)To---適當(dāng)小一些；純滯后---越小越好，有純滯后時(shí)，與To之比應(yīng)小一些（小于0.3），若比值過(guò)大，則難于控制。2.擾動(dòng)通道放大系統(tǒng)Kf---盡可能小；時(shí)間常數(shù)Tf---要大；擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置---要靠近調(diào)節(jié)閥（遠(yuǎn)離被控參數(shù)）3.時(shí)間常數(shù)分配設(shè)法把幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)，通常控制器、調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)小于被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。3.選擇檢測(cè)、變送器（1）檢測(cè)變送都有一定的時(shí)間常數(shù)，盡可能選擇快速響應(yīng)的測(cè)量元件與變送設(shè)備。一般選時(shí)間常數(shù)為控制通道時(shí)間常數(shù)的1/10一下為宜。（2）采用微分超前補(bǔ)償3.選擇檢測(cè)、變送器（3）合理選擇測(cè)量，安裝點(diǎn)位置對(duì)純滯后要盡可能進(jìn)行補(bǔ)償。（p151）蒸汽直接加熱器注意：安裝成分分析儀器時(shí)，取樣管線太長(zhǎng)，取樣點(diǎn)安裝離設(shè)備太遠(yuǎn)，都會(huì)引起較大的純滯后時(shí)間，工作中要盡量避免。4.執(zhí)行器的選擇四方面考慮：執(zhí)行器選型；調(diào)節(jié)閥尺寸選擇；流量特性；氣開(kāi)氣關(guān)；（1）執(zhí)行器選型了解介質(zhì)工藝條件：溫度，壓力，流量等了解介質(zhì)特性：黏度，腐蝕性，毒性，液態(tài)，氣態(tài)等直通單座調(diào)節(jié)閥—前后壓差小，允許泄漏量小。直通雙座調(diào)節(jié)閥—前后壓差大，允許泄漏量大。隔膜閥—被控介質(zhì)為強(qiáng)堿、強(qiáng)酸、強(qiáng)腐蝕性流體。角型調(diào)節(jié)閥—被控介質(zhì)含有固體懸浮物、黏度較高。（2）調(diào)節(jié)閥尺寸選擇正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開(kāi)度處于15%-85%之間；調(diào)節(jié)閥口徑選的小，系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥可能運(yùn)行在全開(kāi)或接近全開(kāi)的非線性飽和工作狀態(tài)，是系統(tǒng)暫時(shí)失控；調(diào)節(jié)閥口徑選的大，系統(tǒng)運(yùn)行中閥門(mén)會(huì)經(jīng)常處于小開(kāi)度工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)不靈敏，易振蕩，甚至導(dǎo)致調(diào)節(jié)失靈。（3）流量特性調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)：氣動(dòng)閥：閥與管道作為一個(gè)整體—一階特性小型調(diào)節(jié)閥—比例特性電動(dòng)閥：比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)閥工作流量特性的選擇原則廣義對(duì)象為線性時(shí)，調(diào)節(jié)閥也為線性；廣義對(duì)象為非線性時(shí)，調(diào)節(jié)閥也為非線性。（4）氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)選擇調(diào)節(jié)閥開(kāi)、關(guān)形式的選擇主要考慮在不同工藝條件下安全生產(chǎn)的需要。例：鍋爐供水調(diào)節(jié)閥氣關(guān)式加熱爐的燃料油的調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)式5.調(diào)節(jié)器的選擇（1）選擇控制器的控制規(guī)律根據(jù)系統(tǒng)特性選擇a.比例控制規(guī)律（P）特點(diǎn)：反應(yīng)快，有余差適用：控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。例：水箱液位控制5.調(diào)節(jié)器的選擇b.比例積分控制規(guī)律（PI）特點(diǎn)：消除余差適用：控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控|

參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合。c.比例微分控制規(guī)律（PD）特點(diǎn)：具有超前作用，對(duì)容量滯后過(guò)程可以改善

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。適用：對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差。不適用：純滯后較大，測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性擾動(dòng)的系統(tǒng)。例：溫度控制5.調(diào)節(jié)器的選擇d.比例積分控制規(guī)律（PID）特點(diǎn)：消除余差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。適用：控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，控制要求較高的場(chǎng)合。例：溫度控制，成分控制5.調(diào)節(jié)器的選擇（1）選擇控制器的控制規(guī)律根據(jù)的比值選擇控制規(guī)律5.調(diào)節(jié)器的選擇（2）選擇控制器的正反作用控制器有正作用和反作用兩種方式，確定原則是：使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。因而，調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇同被控過(guò)程的特性及調(diào)節(jié)閥的開(kāi)、關(guān)形式有關(guān)。方法：（1）根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)形式氣開(kāi)式：Kv+氣關(guān)式：Kv-（2）按被控過(guò)程特性，確定其正、反作用正作用：Ko+當(dāng)輸入（通過(guò)調(diào)節(jié)閥的物料或能量）增加（或減小）時(shí)，輸出（被控參數(shù)）亦增加（或減小）。反作用：Ko-當(dāng)輸入（通過(guò)調(diào)節(jié)閥的物料或能量）增加（或減小）時(shí)，輸出（被控參數(shù)）減小（或增加）。例：判斷下列被控過(guò)程的正反作用流量上升，液位上升；

Ko+蒸汽增加，溫度增加；

Ko+冷水增加，溫度下降；

Ko-（3）控制器（調(diào)節(jié)器）的正、反作用正作用調(diào)節(jié)器，Kc-當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù)Kc取負(fù)；反作用調(diào)節(jié)器，Kc+當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)Kc取正；（4）反饋系數(shù)Km+測(cè)量變送環(huán)節(jié)的靜態(tài)增益規(guī)定為正值。（5）根據(jù)負(fù)反饋系統(tǒng)原理Km×Kc×Kv×Ko=（+）例：a.蒸汽加熱系統(tǒng)Kv（+）氣開(kāi)Ko（+）Kc（+）反作用調(diào)節(jié)器Km（+）b.水冷卻系統(tǒng)Kv（+）氣開(kāi)Ko（-）Kc（-）正作用調(diào)節(jié)器Km（+）例題分析1.下圖鍋爐的壓力和液位控制系統(tǒng)的示意圖,試確定系統(tǒng)中控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式及控制器的正反作用。鍋爐控制解：在液位控制系統(tǒng)中,如果從安全角度出發(fā),主要是要保證鍋爐水位不能太低,則控制閥應(yīng)選擇氣關(guān)型,以便當(dāng)氣源中斷時(shí),能保證繼續(xù)供水,防止鍋爐燒壞。如果要保證蒸汽的質(zhì)量,汽中不能帶液,那么就要選擇氣開(kāi)閥,以便氣源中斷時(shí),不再供水,以免水位太高。例題分析本題我們假定是屬于前者的情況，控制閥應(yīng)選擇氣關(guān)型，為“-”方向；當(dāng)供水流量增加時(shí)，液位是升高的，故對(duì)象為“+”方向；測(cè)量變送器一般都是“+”方向，故在這種情況下，液位控制器LC應(yīng)為正作用方向。在蒸汽壓力控制系統(tǒng)中，為了保證氣源中斷時(shí)，能停止燃料供給，以防止燒壞鍋爐，故控制閥應(yīng)選擇氣開(kāi)型，為“+”方向；當(dāng)燃料量增加時(shí)，蒸汽壓力是增加的，故對(duì)象為“+”方向；測(cè)量變送器為“+”方向，故壓力控制器PC應(yīng)為反作用方向。例題分析：2.下列圖中，調(diào)節(jié)器應(yīng)該選用正作用方式，還是反作用方式？為什么？a.正作用b.正作用c.反作用

d.正作用e.反作用

5.4單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例例：干燥過(guò)程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝過(guò)程：乳液—奶粉質(zhì)量要求：水分含量一定溫度穩(wěn)定：±2℃f3換熱蒸汽1.選擇被控量y(t):影響產(chǎn)品質(zhì)量的直接參數(shù)是水分含量，不宜測(cè)量（不準(zhǔn)確），故選溫度間接測(cè)量。2.選擇控制量（操縱量）影響干燥器溫度的因素：f1乳液流量；f2旁路空氣；f3換熱蒸汽所以有三種控制方案：f1，f2，f3中選一個(gè)控制量+一個(gè)調(diào)節(jié)閥+一個(gè)被控量（溫度）+一個(gè)溫度檢測(cè)變送+一個(gè)控制器---單回路控制系統(tǒng)（1）乳液流量f1為控制量?jī)?yōu)點(diǎn)：乳液直接進(jìn)入干燥器，控制通道滯后量小，校正靈敏，f2，f3作為擾動(dòng)量，擾動(dòng)通道滯后大。缺點(diǎn)：f1