[學(xué)習(xí)]宋彤過程控制工程2單回路控制系統(tǒng)

1、第2章單回路控制系統(tǒng),單回路反饋控制系統(tǒng)（簡單控制系統(tǒng)） 由一個測量變送器、一個控制器、一個執(zhí)行器和一個被控對象組成的單回路閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。本章主要內(nèi)容單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計問題被控變量選擇操縱變量選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制器選擇控制器參數(shù)整定,2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計問題1）單回路控制系統(tǒng)構(gòu)成工藝控制流程圖,單回路控制系統(tǒng)方框圖,信號變量：被控變量(Y)、測量變量(z)、設(shè)定值(r)、偏差(e)、控制

2、變量(u)、操縱變量(q)、擾動變量(f),,2）簡單（單回路）控制系統(tǒng)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠； 所需自動化工具少、投資成本低； 便于操作和維護(hù)；控制能力較弱；適用于控制精度要求不高、干擾平緩且幅值較小、不存在大滯后的系統(tǒng)操作控制。 單回路控制系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多也是最為成熟的過程控制系統(tǒng)。,控制系統(tǒng)設(shè)計主要需確定的問題：被控變量操作變量執(zhí)行器類型及操作方式控制器控制規(guī)律及動作方式測量變送方式及儀表,3）簡

3、單（單回路）控制系統(tǒng)設(shè)計,4）影響通道及參數(shù)：,對象特性通道：控制通道：控制作用到被控變量間的信號連接關(guān)系干擾通道: 干擾到被控變量間的信號連接關(guān)系 通道特性參數(shù)： 靜態(tài)放大倍數(shù)，Kp 時間常數(shù)，T 滯后時間，τ,由控制理論可知，閉環(huán)系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系式為：,其中：第一項為設(shè)定值變化對被控量的影響； 第二項為擾動對被控量的影響。,控制系統(tǒng)設(shè)計： 通過選擇控制環(huán)節(jié)的特性及功能，使被控變量能準(zhǔn)確跟蹤設(shè)

4、定值的變化及盡可能減小擾動對被控量的影響。,2.2 被控變量的選擇,控制系統(tǒng)方框圖：,過程工業(yè)被控參數(shù)： 溫度、壓力、流量、液位及成分等被控變量分類：直接參數(shù)：工藝要求的控制參數(shù)作為被控變量間接參數(shù)：與工藝要求的控制參數(shù)有關(guān)聯(lián)的其他參數(shù)。,,,① 選擇直接參數(shù)作為被控變量 直接參數(shù)：直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)量和質(zhì)量的工藝參數(shù) 主要直接參數(shù)控制:溫度、液位、流量、壓力等例如：,特點(diǎn)：

5、 選取直接變量參數(shù)作為被控變量無中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可以直接、快速、準(zhǔn)確地獲取被控變量參數(shù)的變化并實(shí)施控制。,② 選擇間接參數(shù)作為被控變量 間接參數(shù)：與欲控（直接）參數(shù)間存在緊密關(guān)系，可通過對它的調(diào)節(jié)而間接控制直接工藝指標(biāo)的變量。 主要應(yīng)用：成分控制、質(zhì)量控制,例：,注意： 當(dāng)選用間接參數(shù)作為被控變量時，應(yīng)選用與直接參數(shù)具有單值關(guān)系，且具有足夠靈敏度，易于快速、可靠測量的間接參數(shù)作為間接被控變量。,被控變量選擇原則

6、：盡可能選用直接參數(shù)作為被控變量。選用與直接參數(shù)具有單值關(guān)系、具有足夠靈敏度，易于快速、可靠測量的間接參數(shù)作為被控變量。所選用的被控變量應(yīng)是獨(dú)立變量。 獨(dú)立變量判斷： 自由度 F = C – P + 2 F：自由度， C：組分?jǐn)?shù)， P：相數(shù) 例：飽和蒸汽系統(tǒng)自由度： F = C – P + 2

7、= 1 – 2 + 2 = 1 過熱蒸汽系統(tǒng)自由度： F = C – P + 2 = 1 – 1 + 2 = 2應(yīng)注意選用的被控變量與可能的操作變量之間的動、靜態(tài)影響關(guān)系特性。要考慮工藝合理性以及控制儀表生產(chǎn)水平。,2.3 操縱變量的選擇,操縱變量：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門）直接控制的變量例：,,操縱變量：儲罐輸出流量,操縱變量：蒸汽輸入流量,選擇操縱

8、變量的目的：保證控制質(zhì)量使控制過程快速、平穩(wěn) 注意： 操縱變量的選擇直接影響到控制通道特性； 操縱變量選擇目的是通過它克服干擾對工藝操作的影響，因此，它的選擇應(yīng)考慮控制通道與干擾通道間的參數(shù)關(guān)系。通道及參數(shù)：,通道參數(shù)： 靜態(tài)放大倍數(shù)，K 時間常數(shù)，T 滯后時間，τ,2.3.1 干擾通道對控制質(zhì)量的影響,系統(tǒng)方框圖,設(shè)定干擾通道是一階慣性環(huán)節(jié),令：,1） 靜態(tài)放大倍數(shù)Kf的影響,相應(yīng)于干擾的傳遞函數(shù),結(jié)論1：干擾通道

9、靜態(tài)放大倍數(shù)大則系統(tǒng)過渡過程 余差大,應(yīng)用終值定理,2） 時間常數(shù)Tf 的影響,傳遞函數(shù),,特征方程,令各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)等于1,根平面的負(fù)實(shí)軸上存在一個極點(diǎn)1 / Tf。,被控變量相對于干擾的變化與干擾通道時間常數(shù)存在1 / Tf倍關(guān)系。Tf大則干擾對被控變量影響減小。結(jié)論2：干擾通道時間常數(shù)大一些有利于系統(tǒng)的穩(wěn) 定性增加。 同樣，若干擾通道為高階過

10、程，將增加多個負(fù)極點(diǎn)，可推得同樣的結(jié)論。(階次每增加1，則根平面的負(fù)實(shí)軸上增加一個附加極點(diǎn)1 / Tfi,由式:,3） 純滯后τ的影響,具有純滯后的干擾通道傳遞函數(shù),結(jié)論3：干擾通道純滯后對控制質(zhì)量無影響,系統(tǒng)被控變量表達(dá)式,2.3.2 控制通道特性的影響(克服干擾能力),控制通道：控制信號到被控變量的信號通道1） 靜態(tài)放大倍數(shù)的影響,,,,得: K0大有利于減小余差,由終值定理有,則,設(shè)定：,注意：,,,ξ：衰減系數(shù)ω0：自然

11、震蕩頻率,對比有：,標(biāo)準(zhǔn)二階震蕩方程：,特征方程：,注意到：系統(tǒng)衰減系數(shù)與控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)K0有關(guān),結(jié)合系統(tǒng)余差：,結(jié)論4： 系統(tǒng)穩(wěn)定度不變前提下，控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)K0不影響系統(tǒng)余差。注意： 由于KCK0=常數(shù)，K0增大，則KC減小，而KC小有利于參數(shù)調(diào)整。 因此，從控制角度，希望K0大一些。且有 K0 > Kf,要求系統(tǒng)衰減系數(shù)不變,2） 控制通道時間常數(shù)T0的影響,由式：,控制通道時間常數(shù)T0

12、1或T02小一些，則可以提高系統(tǒng)工作頻率，能及時克服干擾， 結(jié)論5： 適當(dāng)減小控制通道時間常數(shù)，則系統(tǒng)工作頻率加大，有利于提高控制質(zhì)量。,,,對象系統(tǒng)自然及工作振蕩頻率：,控制通道與干擾通道時間常數(shù)關(guān)系,控制通道傳遞函數(shù),Tf > T0： GPD(s) / GPC(s) 相當(dāng)于濾波器，使過度過程平穩(wěn)Tf < T0： GPD(s) / GPC(s) 相當(dāng)于微分器，使過度過程波形陡峭結(jié)論6：干擾

13、通道時間常數(shù)應(yīng)大于控制通道時間常數(shù),,,,干擾通道傳遞函數(shù),3） 純滯后的影響,純滯后時間τ0可以認(rèn)為是系統(tǒng)的失控時間，將引起偏差增大，系統(tǒng)的控制質(zhì)量及穩(wěn)定性變差。參考標(biāo)準(zhǔn)： τ0/T0 0.3 難于控制,結(jié)論7：應(yīng)該盡可能減小控制通道的純滯后。,選擇操縱變量的原則：,選擇的操縱變量必須是可控制的操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏?？刂仆ǖ婪糯蟊稊?shù)應(yīng)大于干擾通道放大倍數(shù)控制通道時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些，干擾

14、通道時間常數(shù)應(yīng)大一些控制通道純滯后時間應(yīng)盡可能小應(yīng)保證工藝的合理性，一般不選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為操縱變量,2.4 執(zhí)行器選擇,口徑：正常工作閥開度15%-85% 控制閥兩端壓力降應(yīng)在整個管線壓力降中占較大比例。（可控范圍的寬窄）,調(diào)節(jié)閥選擇內(nèi)容：口徑、流量特性、結(jié)構(gòu)形式、開關(guān)形式,流量特性： 線性、拋物線、等百分比、快開流量特性選擇參考表,結(jié)構(gòu)形式： 單座直通、雙座直通、角閥、蝶閥、

15、 隔膜閥、高溫、低溫閥,開關(guān)形式：調(diào)節(jié)閥門具有氣(電)開和氣(電)關(guān)兩種工作方式。開關(guān)形式描述 氣（電）開式調(diào)節(jié)閥 控制信號增加時，調(diào)節(jié)閥開度加大。氣（電）關(guān)式調(diào)節(jié)閥 控制信號增加時，調(diào)節(jié)閥開度減小。在控制系統(tǒng)中，選用氣(電)開式還是氣(電)關(guān)式，由具體的生產(chǎn)工藝來決定。,開關(guān)形式實(shí)現(xiàn)（四種組合）,氣關(guān)式,氣關(guān)式,氣開式,氣開式,反裝閥,反裝閥,正裝閥,正裝閥,P

16、入,P入,P入,P入,Q,Q,Q,Q,調(diào)節(jié)閥開關(guān)形式選擇原則 主要考慮在控制信號故障時選用何種開關(guān)形式的調(diào)節(jié)閥有利于系統(tǒng)安全及生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。具體原則如下：保證生產(chǎn)過程及設(shè)備安全保證產(chǎn)品質(zhì)量保證介質(zhì)的工作狀態(tài)降低物料、能量損耗 符合工藝要求,選擇例：保證生產(chǎn)過程及設(shè)備安全 控制信號故障時閥門的動作方向應(yīng)能保證生產(chǎn)設(shè)備的安全。,氣關(guān)閥,氣開閥,例:右圖系統(tǒng)控制信號被切斷 燃料閥門

17、關(guān)閉可以保證鍋爐不被燒塌 ， 給水閥門打開可以保證鍋爐的安全,保證產(chǎn)品質(zhì)量 控制信號被切斷時閥門的動作方向保證產(chǎn)品質(zhì)量不受影響。例如： 塔頂產(chǎn)品全回流可以保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量,氣關(guān)閥,保證介質(zhì)的工作狀態(tài) 控制信號被切斷時閥門的動作方向保證工作介質(zhì)不發(fā)生相變 例如：,氣關(guān)閥,溫度低將產(chǎn)生液體的結(jié)晶，因此，操作中蒸汽閥門不能關(guān)閉。,降低物料、能量損耗,符合工藝要求 由于工藝

18、要求不同，同一個執(zhí)行器可以有兩種不同的選擇結(jié)果。例如圖示鍋爐操作系統(tǒng)給水閥a.從鍋爐安全考慮，防止因斷水導(dǎo)致鍋爐燒毀，應(yīng)選擇氣關(guān)式閥門。b.若考慮鍋爐后續(xù)透平設(shè)備的安全，防止蒸汽帶液，應(yīng)選氣開式閥門。,例如圖示裝車轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)：控制信號切斷時停止物料的排出。選用氣開式閥門。,氣開閥,注意： 按照上述原則選擇開閉形式可能會得出相互矛盾的結(jié)果。在這種情況下，首先考慮生產(chǎn)的安全性。,氣開/氣關(guān)閥？,2.5 控制器選擇,選擇內(nèi)

19、容：控制規(guī)律選擇作用形式選擇,1） 控制規(guī)律的選擇 ① 比例控制規(guī)律(P) 　　具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器?！　　　　　　： 輸出變化量， e： 輸入變化量, Kc：比例放大系數(shù)。比例控制適用范圍： 低階過程，調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大，控制要求不高，允許存在余差等不太重要的參數(shù)控制。（如液位控制，熱量回收預(yù)熱系統(tǒng)等）,② 比例積分控制規(guī)律(P

20、I),,控制特點(diǎn)：消除余差，對高噪聲有一定克服能力；積分作用的引入將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例積分控制規(guī)律是一種應(yīng)用最為廣泛的控制規(guī)律。適用范圍 通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制精度要求較高，對余差控制較嚴(yán)的場合。 一般適用于流量、壓力系統(tǒng)控制,③ 比例微分控制控制特點(diǎn)： 對慣性較大的控制對象具有“超前”調(diào)節(jié)作用TD的影響：微分時間調(diào)整適當(dāng)，可以使過渡過程縮短，增加系統(tǒng)的

21、穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的動態(tài)誤差。微分時間過大，系統(tǒng)會變得非常敏感，將導(dǎo)致控制質(zhì)量變差，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。,應(yīng)用場合： 含有較大容量滯后，不允許動態(tài)偏差大的場合 如：溫度控制、大容量液位控制注意：對于純滯后對象無“超前”調(diào)節(jié)作用。,④ 比例積分微分控制規(guī)律（PID）,控制能力最強(qiáng)的控制規(guī)律。適用范圍 被控對象容量滯后較大、負(fù)荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高且希望動態(tài)偏差較小的重要控制場合。

22、,2） 控制器作用方式選擇,控制器作用方式正作用：偏差信號（△e=測量 - 給定）增大時，控制器輸出信號隨之增大。反作用：偏差信號（△e=測量 - 給定）增大時，控制器輸出信號隨之減小。選擇原則 通過控制器作用方式的選擇使控制回路構(gòu)成負(fù)反饋控制。,選擇方法,選擇依據(jù)公式：（控制器±）·（執(zhí)行器±）·（對象特性±）·（測量變送±）=（－）對

23、象作用方式： 正作用：操縱變量（q）值增加時被控變量值隨著增加 反作用：操縱變量（q）值增加時被控變量值隨著減小執(zhí)行器作用方式 正作用：控制信號增大時閥門流通面積增大（氣開閥） 反作用：控制信號增大時閥門流通面積減?。怅P(guān)閥）測量變送單元的作用方式一般為正作用,,例：換熱過程溫度控制器作用方式選擇,閥門作用方式：介質(zhì)易結(jié)晶，控制閥選擇氣關(guān)式控制閥，符號為“-” 被控對象作用

24、方式：操縱變量（蒸汽流量）增加則出口溫度升高。作用方式為正，符號為“+” 測量變送單元： 默認(rèn)作用方式，符號為“+” 根據(jù)：,有 （？）=（+） 控制器作用方式：正作用,,正作用,a.執(zhí)行器—為保證加熱爐的安全，選用氣開式，其符號為“+”。b.對象—出口溫度隨燃料的增加而升高，符號為“+”。c.變送器—輸出信號隨溫度的升高增加，符號為“+”。 為了使各環(huán)

25、節(jié)的總乘積為負(fù)，控制器的符號必須為“－”，所以應(yīng)該選擇反作用控制器。,例2：圖示控制系統(tǒng)請問：a. 從加熱爐安全考慮，防止?fàn)t內(nèi)管線燒裂，選擇氣開，氣關(guān)閥？b. 欲構(gòu)成負(fù)反饋控制，選擇控制器正反作用形式。,,,,,2.6 測量儀表選擇、安裝,關(guān)鍵問題：測量變送中的滯后問題（純滯后、容量滯后）造成測量滯后的主要原因：1）測量元件安裝位置不當(dāng)，遠(yuǎn)離被控變量的靈敏變化區(qū)； 2）受到工藝條件的限制，無法將測量元件安裝在理想的測量點(diǎn)

26、； 3）測量儀表本身存在嚴(yán)重的純滯后或較大的容量滯后（如成分、物性測量）； 4）測量信號的傳輸線路長造成的傳遞滯后； 5）測量儀表的不靈敏也可能引起滯后問題。,克服測量變送問題的措施1）選擇快速測量元件,例：某化工廠有一反應(yīng)器，如圖 6-8 所示。工藝要求反應(yīng)溫度在給定值的±3℃以內(nèi)，產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。用時間常數(shù) 100 秒傳感器測溫，反應(yīng)溫度在±2℃之內(nèi)，

27、產(chǎn)品總不合格，說明實(shí)際溫度波動已超出工藝范圍。,改用時間常數(shù)為 5 秒熱電偶測溫，反應(yīng)溫度波動仍在±2℃之內(nèi)，但產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。,,2）選好檢測點(diǎn)位置 　檢測點(diǎn)應(yīng)選對被控變量變化感受最為靈敏且最有代表性的位置。　　3）正確使用微分單元 　　若測量滯后大，可串接微分單元。,,4 ）正確選擇、安裝和使用測量裝置正確選擇、安裝和使用可將測量環(huán)節(jié)的誤差減小到最低限度，有利于提高控制精度和質(zhì)量。,,2.7 閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)

28、分析：例1：畫如圖控制系統(tǒng)的方塊圖。分析：當(dāng)工藝?yán)湮锪狭髁砍霈F(xiàn)增量擾動，控制系統(tǒng)如何動作。,+,+,+,-,物料量↑,物料溫度↓,溫度變送器輸出信號↓,偏差信號↓,控制器輸出信號↑,氣開閥開度↑,燃料氣↑,物料溫度↑,分析：,,,,,,,,2.8 控制器參數(shù)整定,1）參數(shù)整定目的： 確定控制器的最佳參數(shù)值，使系統(tǒng)過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。 2）整定要求： 不同的系統(tǒng)具有不同的整

29、定要求。 ▲ 一般系統(tǒng)：衰減比：4:1 ~ 10:1 ▲ 隨動系統(tǒng)：振蕩與不震蕩邊界狀態(tài) ▲ 均勻控制：要求參數(shù)在一定范圍內(nèi)作緩慢振 蕩過程此處說明一般系統(tǒng)的參數(shù)整定方法,3）參數(shù)整定方法 a. 理論計算法；b. 工程整定法理論計算法： 根據(jù)確定的質(zhì)量指標(biāo)及對象特性，通過理論計算方法（微分方

30、程、頻率法、根軌跡法等）計算最佳參數(shù)。整定結(jié)果的可靠性及適用性依賴于模型精度。工程整定法： 不需要對象特性，直接在閉合控制回路中對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。具有簡捷、實(shí)用和易于掌握的特點(diǎn)。工程整定方法在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 工程整定常用方法： 經(jīng)驗法 臨界比例度法 衰減曲線法

31、 反應(yīng)曲線法,經(jīng)驗法 根據(jù)受控變量的性質(zhì)及操作經(jīng)驗提出參數(shù)的合適范圍液位系統(tǒng) 一般控制質(zhì)量的要求較低，允許存在余差 采用比例控制，PB不能太小流量系統(tǒng) 典型的快速過程，往往具有噪聲 采用比例積分控制，PB較大，Ti較小溫度系統(tǒng) 容量滯后系統(tǒng)

32、 采用比例積分微分控制壓力系統(tǒng) 過程性質(zhì)依實(shí)際系統(tǒng)而異 一般采用比例積分控制,,經(jīng)驗法整定參數(shù)表,臨界比例度法根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)的臨界參數(shù)整定控制器參數(shù)，應(yīng)用此方法進(jìn)行參數(shù)整定的大多數(shù)控制回路具有良好的控制品質(zhì)。方法： 在純比例作用下，調(diào)整比例度使系統(tǒng)達(dá)到臨界狀態(tài)，確定臨界比例度PBK，并測量振蕩周期TK（如下圖），查表實(shí)施控制器參數(shù)整定,臨界比例度法參數(shù)整定表,注意事

33、項：由于積分作用的引入不利于系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性應(yīng)適當(dāng)調(diào)大比例度。適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔糜欣谙到y(tǒng)的穩(wěn)定，為了提高控制作用，可以適當(dāng)調(diào)小比例度和積分時間。要保證在等幅振蕩期間調(diào)節(jié)閥不能運(yùn)行在極限。應(yīng)該注意工藝限制，是否允許等幅振蕩。,衰減曲線法按照設(shè)定的衰減曲線整定控制器參數(shù)，本法整定質(zhì)量較高，較可靠。方法： 在純比例作用下，調(diào)整比例度（PBs）達(dá)到設(shè)定衰減振蕩曲線，測量振蕩周期（Ts）（如下圖）。然后

34、查表實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)整定。,衰減曲線法控制參數(shù)整定表,注意：時間常數(shù)小的對象系統(tǒng)不易判斷干擾頻繁的對象系統(tǒng)不便使用,反應(yīng)曲線法 利用廣義對象的階躍響應(yīng)特性整定控制器參數(shù)方法：a. 對系統(tǒng)施加一階躍激勵，畫出響應(yīng)曲線（下圖），過響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)作曲線的切線分別交新、舊平衡線于C、B兩點(diǎn)。,b. 測取純滯后時間τ、時間常數(shù)T0以及穩(wěn)態(tài)增量△y。c. 計算K0,d. 查表實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)整定。,,,ymax\min：測量儀

35、表上下限Pmax/min：控制儀表上下限△P：階躍信號幅值,反應(yīng)曲線法控制器參數(shù)整定表,注意事項： 有些工藝不允許施加大的干擾，本方法的應(yīng)用有一定的限制。,為了保證控制系統(tǒng)能順利地一次投運(yùn)成功，通常涉及到以下幾個步驟： 1 ．作好準(zhǔn)備工作； 2 ．線路和管路的核查； 3 ．各種自動化儀表的檢查； 4 ．測量儀表和執(zhí)行器的投運(yùn)； 5 ．手動控制與自動控制的切換（無擾切換）。手動操作使系統(tǒng)正常運(yùn)行，調(diào)整給定值等