第7章 简单控制系统

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1、昆明理工大学昆明理工大学杨彪杨彪20102011学年下学年下第七章第七章简单控制系统简单控制系统昆明理工大学知识结构知识结构第第5章章 自动控制仪表自动控制仪表第第6章章 执行器执行器第第2章章 过程特性过程特性第第3章章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器第第4章章 显示仪表显示仪表第第1章自动控制系统基本概念章自动控制系统基本概念第第7章章 简单控制系统简单控制系统 第第8章章 复杂控制系统复杂控制系统第第9章章 新型控制系统新型控制系统第第10章章 计算机控制系统计算机控制系统昆明理工大学中医学院中医学院化工仪表及自动化化工仪表及自动化Measurement &Process contro

2、l Technology第七章第七章 简单控制系统简单控制系统昆明理工大学简单控制系统的地位简单控制系统的地位简单控制系统简单控制系统昆明理工大学 过程控制系统中绝大多数是简单控制系统 简单控制系统是复杂控制复杂控制系统与先进控制先进控制系统的基础 本章主要讨论简单控制系统的设计设计、投运投运与整定整定。昆明理工大学1 1 系统组成原理及分析系统组成原理及分析昆明理工大学一、系统组成简单控制系统组成是： 一个控制器 一个变送器（测量仪表）一个执行器（控制阀）一个被控对象 由于控制系统信号流只有一个回路，也称单回路控制系统。如图81所示。图82是该系统方框图。昆明理工大学图81 换热器温度控制系

3、统TC：温度控制器TT：温度变送器执行器：气动控制阀被控对象：换热器图图81昆明理工大学图82 换热器温度控制系统方框图本例：控制器：E上升，U上升，E下降，U下降。温度检测、变送器：T上升，Y上升，T下降，Y下降。执行器：U上升，Q上升，U下降，Q下降。图图82昆明理工大学1、被控对象 从图82可以看出 系统有一个被控变量:加热炉出口温度T。 一个被控对象：换热器一个操纵变量（控制变量）：蒸汽流量操纵变量是对象的输入，被控变量是对象的输出。对被控变量有影响作用的其他因素都看作干扰，即干扰也是对象的输入。昆明理工大学2、控制器 实际的控制器包括方框图中的比较部分和控制器两个方框。 控制器可以是

4、电动控制器，甚至是计算机，输出是电信号。可通过电/气转换器将信号送到气动阀，也可直接送到带电气阀门定位器的气动控制阀。 控制器的输入是设定值与测量值的偏差设定值与测量值的偏差。控制器实现各种控制规律。昆明理工大学3、测量及变送单元对应不同的变量，仪表种类众多，见第三章过程检测仪表介绍。从输入输出关系看，很简单，完成从非电量到电量的转换，而且多数接近线性过程。被控变量真实值T无法得到，只能得到其测量值Y。昆明理工大学4、执行器过程控制中气动执行器最多，而电动执行器较少。执行器接收控制器输出，使阀门开度变化，影响过程的状态，改变操纵变量，最终对被控变量产生影响。可根据控制系统要求改变执行器的特性和

5、作用方向。昆明理工大学二、控制过程分析（平衡状态）若蒸汽、冷流体的量和及品质不变，流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量使被加热物出口温度维持不变。控制系统处于平衡状态。若有扰动，或工艺要求新的出口温度，上述平衡被破坏。昆明理工大学二、控制过程分析（扰动分析）扰动：蒸汽的压力和温度，冷流体的流量及品质。扰动具有随机性质。扰动影响系统平衡，改变被控变量。控制系统要克服扰动的影响。昆明理工大学二、控制过程分析（控制过程）扰动使被控温度T增加时，控制系统克服扰动，使T减小并回复到设定值。扰动使被控温度减小时，控制系统克服干扰，使得T增加并回复到设定值。昆明理工大学若负反馈1变成正反馈，控制系统将不能克服扰

6、动，即被控变量不能再回复到设定值。而且控制系统会使得被控变量更加偏离设定值。控制器或执行器的方向选错，也不能克服扰动。二、控制过程分析（控制过程）昆明理工大学图82 换热器温度控制系统方框图本例：控制器：E上升，U上升，E下降，U下降。温度检测、变送器：T上升，Y上升，T下降，Y下降。执行器：U上升，Q上升，U下降，Q下降。图图82昆明理工大学2 2 简单控制系统设计简单控制系统设计昆明理工大学一、控制系统设计概述1、基本要求控制系统设计人员有全面的自动化知识，同时熟悉工艺装置对象。自动化与工艺人员相互交流，确定控制方案。切忌盲目追求系统先进性和仪表装置先进性。设计要遵守有关的标准、行规。昆明

7、理工大学2、基本内容（1）确定控制方案 这是整个设计工作的核心，包括：被控变量的选择和确认、操纵变量的选择与确认、检测点的选择、绘制带控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图，写出初步控制方案设计说明等文档。2、基本内容、基本内容昆明理工大学（2）仪表和装置选型 根据已经确定的控制方案进行选型，考虑因素：产品质量、价格、可靠性、精度、供货方便程度、技术支持、维护等。（3）相关工程内容设计 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及连锁保护系统设计等，提供相关图表。昆明理工大学3、基本步骤（1）初步设计：目的是上报审批，并为订货作准备。（2）施工图设计：项目和方案批准后，为工程施工提

8、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、各相关负责人签字等。（4）参与施工与试车。（5）设计回访。昆明理工大学二、被控变量的选择 被控变量选择是控制系统设计中关键问题。应该以工艺人员工艺人员为主（因为对控制要求是从工艺要求提出的），并与自控人员讨论。 为了实现预期的工艺目标，往往有多个工艺变量或参数可以选择，此时应遵循以下原则：昆明理工大学 （1）尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量（2）所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全和高效的要求。（3）必须考虑自动化仪表及装置的现状。（1）昆明理工大学三、操纵变量的选择 选定被控变量后，要进一步确定控制系

9、统的操纵变量（调节变量）。实际上，被控变量与操纵变量是要求一起综合考虑的。操纵变量选择应该遵循一些原则：（1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量（2）操纵变量应该是系统中所有被控对象的输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数K要尽量尽量大，时间常数T适适当当小，滞后时间尽量小。 昆明理工大学（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。 如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使得出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。（3）昆明理工大学四、控制器及控制规律选择 控制系统中，仪表选型确定后：

10、l 对象特性是固定的，不好改变。l 测量及变送器的特性比较简单，一般也不 好改变。l 执行器加上阀门定位器可有一定程度的调 整，但灵活性不大。 能够改变的参数就是控制器控制器，系统设置控制器目的，是通过它改变整个控制系统的动态特性，达到控制的目的。昆明理工大学 控制器的控制规律控制规律对控制质量影响很大。根据不同过程特性和要求，选择相应的控制规律，以获得较高的控制质量。 确定控制器的作用方向作用方向，以满足系统要求，也是系统设计的重要内容。四、控制器及控制规律选择昆明理工大学1、控制规律选择 控制规律主要根据过程特性和要求来选：（1）位式控制 常见的位式控制有双位和三位两种。一般适用于滞后较小

11、，负荷变化不大也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内波动的场合。如恒温箱、电阻炉等的温度控制等。昆明理工大学（2）比例控制 是最基本的控制规律，当负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但过渡过程结束时存在余差余差，且负荷变化越大余差也越大。 比例控制作用于控制通道滞后较小、时间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不大、控制质量要求不高、允许有余差的场合。如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。昆明理工大学（3）比例积分控制 引入积分作用能够消除余差，因此比例积分控制是使用最多最多、应用最广泛最广泛的控制规律，但是，加入积分作用后要保持系统原有的稳