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第五章第五章 单回路单回路控制系统控制系统5.1 5.1 被控变量的选择被控变量的选择5.2 5.2 对象特性对控制质量的影响及对象特性对控制质量的影响及 操作变量的选择操作变量的选择5.3 5.3 单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定5.4 5.4 控制阀的选择控制阀的选择5.5 5.5 测量、变送器基本原理与选择测量、变送器基本原理与选择单回路控制系统框图单回路控制系统框图+调节器执行机构对象D 扰动ymce测量变送ys-ym被控对象的三种变量被控对象的三种变量 干扰变量 操作变量 被控变量例如：奶粉干燥控制系统例如：奶粉干燥控制系统精馏塔多种被控变量和多种操作变量精馏塔多种被控变量和多种操作变量5.1 5.1 被控变量的选择被控变量的选择 1.1.按照直接控制指标选择被控参数按照直接控制指标选择被控参数2.2.按间接指标选择被控参数按间接指标选择被控参数3.3.按推理计算结果作为被控参数按推理计算结果作为被控参数1、按直接控制指标选择被控参数按直接控制指标选择被控参数 工艺要求什么参数稳定，工艺要求什么参数稳定，就用什么参数作为被控变量就用什么参数作为被控变量 对于以对于以温度、压力、流量、液位温度、压力、流量、液位为控为控制指标的生产过程制指标的生产过程就选择这些参数就选择这些参数作作为被控变量为被控变量。如加热炉：工艺要求控制加热炉出口温度，如加热炉：工艺要求控制加热炉出口温度，则温度作为被控变量则温度作为被控变量又如精馏塔：工艺要求控制提馏段温度与又如精馏塔：工艺要求控制提馏段温度与 加热蒸汽流量，则温度与加热蒸汽流量，则温度与 流量均作为被控变量流量均作为被控变量例例2：油加热炉温度复合系统：油加热炉温度复合系统例3：蒸汽加热的带搅拌储槽的温度控制系统例4：电加热的带搅拌储槽的温度控制系统例5：一个放热的化学反应器例6：一个加热油的熔炉，热油出口温度控制例6：一个加热油的熔炉，热油出口温度和燃料油流量控制例7：处理沙、水比的选择性控制例8：一个典型的蒸馏塔的 被控变量和操作变量2.2.按间接指标选择被控变量按间接指标选择被控变量 应用背景：质量指标一般不直接用作被控变量，质量指标一般不直接用作被控变量，而选用相关的而选用相关的 间接参数作为被控变量间接参数作为被控变量。例如：例如：精馏过程的工作原理是利用被分离物各组分的挥发度不同而将精馏过程的工作原理是利用被分离物各组分的挥发度不同而将 混合物分离。其对控制的要求首先保证塔顶馏出物（易挥发物混合物分离。其对控制的要求首先保证塔顶馏出物（易挥发物 产品）的产品）的纯度纯度XDXD。质量指标。难以控制质量指标。难以控制。但知道它但知道它与塔顶温度和塔内压力有关与塔顶温度和塔内压力有关（书第（书第8686页图页图5 54 4 和和 图图5 55 5）。）。可以选择温度或压力可以选择温度或压力作作为被控变量为被控变量。原则是：原则是：间接指标与直接指标之间应间接指标与直接指标之间应 存在单值关系且信号足够大。存在单值关系且信号足够大。塔顶温度控制系统选择原则（1）测量滞后 P（2）工艺合理性 T工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率。各块塔板压力恒定，XD与T有对应关系选择XD=F（T）总结：被控变量选择原则总结：被控变量选择原则1 1、直接指标测量滞后小，选择直接指标、直接指标测量滞后小，选择直接指标 为被控变量为被控变量2 2、选择间接指标时应考虑、选择间接指标时应考虑 工艺合理性工艺合理性 测量滞后小，对直接指标有最大灵敏度测量滞后小，对直接指标有最大灵敏度 实施方便实施方便3 3、直接指标信号微弱，可选用间接指标、直接指标信号微弱，可选用间接指标4 4、考虑国内外仪表状况、考虑国内外仪表状况3.3.按推理计算结果作为被控变量按推理计算结果作为被控变量在以上两种方法都不可行时，在以上两种方法都不可行时，可采用按推理计算结果作为被控变量可采用按推理计算结果作为被控变量。仍以精馏塔为例仍以精馏塔为例：应用普通热电偶测量顶部塔盘上液体的应用普通热电偶测量顶部塔盘上液体的 温度，温度，估算出估算出馏出物成分作为被控变量馏出物成分作为被控变量 （见书第（见书第8686页图页图5 56 6）预测PID控制器的研究及工业应用预测预测PIDPID控制器控制器采用输出变量的历史数据实时递推计算模型未采用输出变量的历史数据实时递推计算模型未来来d d步的输出，基于输出预报值步的输出，基于输出预报值,根据根据PIDPID控制控制规规律律计算控制量计算控制量 PID 控制器预测环节 预测PID 控制器被控对象yrypymu5.25.2 对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响 及操作变量的选择及操作变量的选择1.各通道的特征参数对调节品质的影响2.操作变量的选择原则被控对象的两种通道被控对象的两种通道1.1.各通道的特征参数对调节品质的影响各通道的特征参数对调节品质的影响干扰通道：Kf f越小越好Tf f越大越好f f对控制质量无影响对被控变量的影响推迟一个纯滞后时间。Wf(S)=KfTfs+1e-f s调节通道：p p越小越好Kp p过小则灵敏度下降 大好Tp p小好Wp(S)=KpTps+1e-ps2.2.操作变量（调节量）的选择原则操作变量（调节量）的选择原则（1）、可控、（2）、调节通道放大倍数大于干扰通道 放大倍数（3）、干扰通道时间常数越大越好（4）、调节通道纯滞后时间越小越好（5）、干扰远离被控变量而靠近调节阀（6）、工艺合理性见教材 第9799页被控变量：干燥筒的温度被控变量：干燥筒的温度操作变量：操作变量：1 1、乳化物流入量、乳化物流入量 G G调节通道滞后最小，校正最灵敏。调节通道滞后最小，校正最灵敏。所有干扰都靠近调节阀。所有干扰都靠近调节阀。但乳化物是生产负荷，不宜操作。但乳化物是生产负荷，不宜操作。2 2、换热器旁路空气流量、换热器旁路空气流量 Q Q调节通道度灵敏次之，滞后时间调节通道度灵敏次之，滞后时间 稍大。蒸气量干扰仍靠近调节阀。适合稍大。蒸气量干扰仍靠近调节阀。适合3 3、加热蒸气流量、加热蒸气流量 P P调节通道最长，滞后最大，干扰都离开调节通道最长，滞后最大，干扰都离开 调节阀，不适合。调节阀，不适合。5.3 5.3 单回路系统的单回路系统的投运和整定投运和整定1 1、控制系统的、控制系统的投运投运2 2、控制器的选择、控制器的选择3 3、控制系统的整定、控制系统的整定 1、控制系统的投运 所谓控制系统的投运，就是由手动工作状态所谓控制系统的投运，就是由手动工作状态 切换到自动工作状态切换到自动工作状态-由调节器上的由调节器上的 “手动手动-自动自动”切换开关完成切换开关完成。当自动控制系统出现故障时，则由自动工作状态切换到手动工作状态。切换过程应为“双向无平衡无扰动切换双向无平衡无扰动切换”2 2、控制器的选择控制器的选择（1）、常用控制算式：P 、PI 、PID （2）、控制参数:比例带、积分时间、微分时间（3）、正、反作用的选择：纯比例作用时调节器的输出随测量值的变化情况。正作用-调节器的输出随测量值的增加而增加。反作用-调节器的输出随测量值的增加而减小。（把比较机构放在调节器的内部容易理解。）调节器正反作用符号法各环节符号：各环节符号：1 1）调节器反作用为正，正作用为负）调节器反作用为正，正作用为负 2 2）对象：输入增加，输出增加为正）对象：输入增加，输出增加为正 3 3）阀：气开阀为正，气关阀为负）阀：气开阀为正，气关阀为负 控制系统正常工作：控制系统正常工作：必须为负反馈，为保证负反馈，必须为负反馈，为保证负反馈，各环节放大系数乘积为正各环节放大系数乘积为正。反馈控制系统的典型响应3、控制器的参数整定目的方法决定控制系统质量指标的因素目的：对象特性控制方案干扰的形式和大小控制器的选型和参数整定 所谓参数整定就是求取满足某项质量指标的控制器的最佳参数。一般采用单一性能指标，如4：1衰减比。在计算机控制中采用时间积分准则。参数整定的方法：理论计算法 工程整定法(1)、理论计算法用系统综合法确定控制器的传递函数与整定参数所谓系统综合法指的是：-根据对象的数学模型和系统过渡过程的质量指标来确定控制器的控制规律 及控制器参数。常用的质量指标有：单一性能准则和时间积分准则例：已知被控对象的传递函数为 例一：工艺要求给定值做阶跃变化时，被控变量的时间响应为1/4衰减比。例二：工艺要求给定值做阶跃变化时，被控变量具有非周期响应，试确定控制器的控制规律及整定控制器参数。G GP P(s)=(s)=(T (T1 1S S+1)(T+1)(T2 2S+1)S+1)K KP P（2）工程整定法第一：临界比例度法利用临界比例度，临界周期进行参数稳定方法步骤：1）在系统闭合情况下，整定参数 纯比例：Ti=Td=02）改变 K，由大到小，每改变一次K，作一次扰动（如改变给定值）观察曲线直到等幅振荡直到等幅振荡，记下 3）根据K、TK，按表（经验）求取参数4）求取：、Ti、Td 后，先比例（比例度大一些）后积分，最后加微分。观察曲线，不断修改直到满意为止。特点：方法简单易行，易于判断。但工艺上不允许阀全开，全关场合，受到限制。步骤：1）系统闭合（Ti=Td=0）2）改变，系统加干扰，观察过程为4：1，或10：1为止，记下此时S、TK3）根据表（经验公式），求出、Ti、Td.第二、衰减曲线法特点；1）适合各种系统 2）对于干扰频繁场合，会造成曲线不规律第三、经验凑试法1、先比例后积分微分2、先积分后比例微分单回路控制系统的投运1、做好准备工作2、先手动后自动 参看书115页