1、2019/2/28,1,主要内容 一、常规单回路控制系统,二、复杂控制系统,1、串级系统控制系统,2、前馈系统控制系统,3、比值系统控制系统,4、均匀系统控制系统,5、分程系统控制系统,6、选择系统控制系统,2019/2/28,2,一、常规单回路控制系统,主要内容： 控制系统的组成及控制性能指标 控制阀环节介绍 控制器的选取和参数整定 控制系统的投运 1.1 控制系统的组成及控制性能指标 1.1.1 控制系统的组成,2019/2/28,3,自动控制：在出口管道上口装上感温元件 热电阻、热电偶调节器测取给定值（设定值）与测量值的偏差按一定的调节规律改变燃料油阀门的开度，调节燃料油流量S。,工艺要
2、求 保证物料出口温度 对象分析干扰: 物料入口温度、流量燃料油温度、流量等可变量:燃料油流量 操作手段 调整燃料油流量,(1) 典型温度控制系统,手动控制：通过眼睛观察出口温度来调节阀的开度,热电阻、热电偶 标准信号 调节器 调节阀,2019/2/28,4,(2) 单回路控制系统的构成,被控对象：反映操纵变量、扰动与被控变量之间关系的环节；自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控保持设定值的物料量或能量。扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定植：被控
3、变量的预定值偏差：被控变量的设定植和实际值之差,控制器、控制阀、测量变送器、被控对象,基本概念,2019/2/28,5,如在电加热装置上为改变加热电压的可控硅调压器在变速泵控制流量的装置上它是变速泵或变频器,压力控制系统,控制器：包括控制器环节和比较环节将给定值与测量值比较，根据偏差按一定的规律运算输出操纵控制阀，是控制系统的核心。,测量变送：为控制器提供测量值的环节将工艺参数转换为统一的标准信号，420mA,控制阀：接受控制器的输出变量u的信号去改变操纵变量的环节,被控对象包括:控制阀到测压元件之间的管道储气罐、手动阀不仅仅是控制阀到测压元件之间的管道，因储气罐的容积和手动 阀的开度影响压力
4、的的变化速度。,2019/2/28,6,1.1.2 控制性能指标,控制回路的目的,设定值变化或系统受干扰作用时，受控变量应平稳、迅速、准确 地回复到设定值，为此衡量所设计系统的优劣就可以从稳定性、快速性和准确性三方面判别，提出综合性能指标。,出发点：根据工艺过程的实际需要确定指标要求有些情况准确性很高；另一些情况达到一定的范围即可。,性能指标的类型：一般情况下，主要有两类性能指标 以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标 偏差积分性能指标,2019/2/28,7,(1) 过渡过程：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在。系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在
5、自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程，称为系统的过渡过程。,性能指标的作用： 衡量所设计系统的优劣 控制器参数整定的依据,2019/2/28,8,t,(2) 几种阶跃扰动作用下的过渡过程曲线及说明,2019/2/28,9,2019/2/28,10,(3) 以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标 单项性能指标,包括 : 衰减比、超调量、最大偏差、余差、恢复时间、振荡频率,衰减比: 表示率减程度的指标,曲线中前后两个相邻波峰值之比 B1/B2 一般取 4:110:1 小于1:1时发散振荡,衡量稳定性,2019/2/28,11
6、,超调量（最大偏差）：y(tp) - y()超调量 = 100%y()最大偏差是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。,余差：过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。,精确度,衡量稳定程度,2019/2/28,12,恢复时间（过渡时间） ts：是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳态状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。 振荡周期（或频率）：回复过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。同样振荡频率下，衰减比越大，恢复时间越短同样衰减比下振荡频率越高，恢复时间越短 举例：如果设定值为40，新稳态值y()为41，第一波峰值y(tp) 45，第二波峰值42。 各数值分别为：最
7、大偏差=第一波峰值y(tp) 45 -设定值40= 5； 余差=新稳态值y()为41 -设定值为40=1； 衰减比=（第一波峰值y(tp) 45 -新稳态值y()为41 ）/（第二波峰值42 -新稳态值y()为41 =4：1,快速性,快速性,2019/2/28,13,(4) 常用字母代号及含义,2019/2/28,14,2、控制阀环节介绍,2019/2/28,15,2.1 控制阀的作用及结构类型,类型：直通阀（单座、双座）、角阀、三通阀、球形阀、 隔膜阀、蝶阀等。,一、作用控制阀在系统中接受控制器的信号，通过改变阀的开度来改变操纵变量。,二、结构类型, 执行机构：把调节器输出信号转换成直线或角
8、位移。, 调节机构：把直线或角位移转换为流通面积的变化，从而改变操纵变量。,2019/2/28,16,按不同的 工艺介质 选择材质,一般情况下使用较多的是直通阀、角阀。,有关各种阀的结构特点，可查阅相关的参考书。,2、材质上分： 铸钢、不锈钢、特殊合金或金属、高分子材料，无机材料等,因此，在系统设计时应根据工艺要求、介质情况、工作环境，选择相应的结构类型和材质类型。,2.2 控制阀的流量特性,1、流量特性（理想流量特性）,指流过阀的流量Q与阀杆行程L之的关系,无因次化后,2019/2/28,17,2分类, 线性型,L=Lmax时，Q=Qmax L=0时，Q=Qmin=Qmax/R,（算式）,线
9、性阀的增益Kv为常数，但其相对变化值不同。小开度时流量相对变化值大，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡；而大开度时流量相对变化值小，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。, 对数型（等百分比型）,2019/2/28,18,整理得,特点：阀的单位相对开度所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比。因此在小开度时放大系数小，调节缓慢平稳；大开度时放大系数大，调节灵敏有效。,2019/2/28,19,积分后, 快开型, 抛物线型,特点：小开度时流量较大，并随开度的增大很快达到最大，此后 再增大开度流量变化很小，失去调节作用。,特点：单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比，其特
10、性介于线性及对数型之间。,2019/2/28,20,(1) 阀两端压降固定不变条件下的流量特性为理想特性，出厂时提供的。,(2) 实际工作时，阀两端的压降随流量而变化，这时的特性称为工作特性。这种情况主要是由于管道上有串联阻力件而引起的。,2019/2/28,21,管路系统的总压降,液体提升高度压差,阀两端的压降,管路其他部分压降,阻力引起的压降,Ph为恒值,2019/2/28,22,阀全开时的压降,系统恒定的总压降,流量特性发生变化，特性曲线发生畸变。, S越小，畸变越严重 流量特性畸变后，可调比R下降，因为最小流量上升,为描述畸变程度定义,2019/2/28,23, 流量特性畸变后，特性曲
11、线向左上方畸变理想特性 工作特性线 性 快 开对 数 线 性3、控制阀的增益增益 ：流量相对变化量与阀杆行程(开度)相对变化量之比。其数值等于工作流量特性曲线上的某工作点的斜率。当S值减小后： 线性阀的Kv不再是定值而是随开度的增加而下降快开特性； 对数阀的KV却能在中间较宽的范围内近似为定值直线特性。工程设计时 注意根据管路系统压力分布(s值的适当选取)，选择适当理想流量特性，以期在工作条件下得到所需工作流量特性，去补偿广义对象其它环节(主要是对象)特性变化引起的对稳定性的影响，避免重新整定控制器参数。,2019/2/28,24,2.3 控制阀的选择,1、阀口径选择,正常工况下，阀门开度应在
12、1585%之间，口径选择过小，在大扰动时可能处于全开的非线性状态，口径过大时，阀经常处于小开度，流体对阀芯和阀座的冲击 严重，易因不平衡力作用产生振荡。,2019/2/28,25,2、气开与气关类型的选择气动控制阀有气开与气关两种类型,气开阀：阀的开度随输入气压的增高而增大，断气处于关闭 气关阀：阀的开度随输入气压的增加而减小，断气处于全开,气开、气关的选择原则断气时使生产处于安全状态,例1：中小型锅炉进水阀：气关式，气源中断，阀门全开，不致于使汽包烧干燃料阀：采用气开式，气源中断，切断燃料，保证安全。,例2：油田采油厂联合站 油水路调节阀均为气关调节阀避免了在自动控制的状态下，因事故造成气源
13、中断，造成生产事故。,2019/2/28,26,3流量特性的选择控制系统中控制器的参数是在某一工作点下整定得到的。控制器本身是线性的，而对于具有非线性、变时间常数、纯 滞后过程，当工作点转移时，其动态特性是变化的，欲保证最佳控 制效果，要重新整定控制器参数，即原控制器参数已不满足要求。随工作点移动而整定控制器参数很麻烦,流量特性的选择的目的：用阀的非线性去补偿广义对象其它环节的 非线性特性，从而避免重新调整控制器参数。, 工作特性的选择根据工艺过程参数和工作点曲线进行计算分析得出。,2019/2/28,27, 理想特性的选择,理想特性根据已选择好的工作特性和S值的大小来确定。,当S06时，,理
14、想特性与工作特性的曲线形状相近，工作特性选什么特性，理想特性也选什么特性。,当S06时，,特性曲线发生畸变，理想特性与工作特性的对应关系如下：工作特性 理想特性线性 对数对数 对数,2019/2/28,28,判断下面系统阀的气开气关类型,气开阀,气关阀,2019/2/28,29,判断下面系统阀的气开气关类型,气开阀,气关阀,2019/2/28,30,3、控制器的选取及参数整定 3.1 控制器的作用,设给定值和测量值之差为：,3.2 三类常规控制器1、 比例控制器 (P),2、常规控制器的种类比例(P)比例积分(PI)比例积分微分(PID),1、作用控制器是控制系统的核心，它将测量信号与其本身的
15、设定值进行比较，将两者的差按一定规律进行运算输出给控制阀。,2019/2/28,31,而在工业上，不采用增益KC ，而采用比例度,调节器增益KC和比例度习惯上用绝对值表示，实际上KC是有符号的: 正作用调节器: KC0反作用调节器: KC0比例调节依据“偏差大小”来动作，它的输出与输入偏差的大 小成比例比例调节及时、有效但有余差。比例度越小，调节作用越强，比例作用太强，会引起振荡。KC对系统稳定性有影响，KC越大，闭环系统的稳定性下降。,2019/2/28,32,Kc增加,y(0),y,t,r(t),(a) 设定值作用下,(b) 扰动作用下,t,y,y(0),Kc增加,2019/2/28,33
16、,2、比例积分控制器 (PI)控制器输出：由上式可以看出，当 时，当 时， 就变化Ti是积分时间， Ti越短，积分作用越强。积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。积分时间愈小，积分作用愈强，但积分作用太强时，也会引起振荡。,2019/2/28,34,Ti减小,y(0),y,t,在同样的Kc值下Ti对定值控制系统过渡过程的影响,t,y,y(0),保持同样衰减比下Ti对定值控制系统过渡过程的影响,Ti减小,2019/2/28,35,当Kc不变时，减小Ti，积分控制作用增
17、强，衰减比减小，振荡加剧。当衰减比不变时，减小Ti，为使衰减比不变，必须减小Kc，此时定制控制系统的最大偏差反而增大。增加，系统的稳定性提高减小，系统的稳定性下降,2019/2/28,36,3、比例积分微分控制器 (PID)微分作用的特点：它可以按照偏差的变化趋势来控制。越大，微分作用越强； 越小，微分作用越弱。为偏差的变化速度，当e为阶跃时， 使调节品质下降， 对扰动频繁的系统，一般不采用微分控制。微分适用于时间常数较大或容积延迟较大的场合。工程实际中，一般对温度和成分对象引入微分，因温度和成分对象 一般时间常数较大、响应较慢，引入微分后可以进行适当的补偿。,2019/2/28,37,微分调
18、节依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例,其效果是阻止被控变量的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差减小（但不能消除）。微分时间愈大，微分作用愈强，作用太大也会引起振荡。微分作用不能克服调节对象的纯滞后，因为此时被控变量的变化速度为零。 总之：调节器的比例度越大，则放大倍数KV越小，比例调节作用就越弱，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。积分时间Ti越小，则积分速度越大，积分特性曲线的斜率越大，积分作用越强，消除余差越快。微分时间TD越大，微分作用越强。,2019/2/28,38,4、积分饱和及防止实际积分作用与理想
19、积分作用是有差别的，实际积分控制作用只在一定区域内起作用，输出达到一定值后不再继续上升或下降，即达到饱和。积分饱和指积分过量现象设定值：压力上限值正常时放空阀关闭，压力总低于 设定值，偏差长期存在。,PC 101,PT 101,临界值,t1,t2,t3,t,t,t,p,u,0.14,0.1,阀位,关,开,超压放空系统,t0,气关,设定值,2019/2/28,39,造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用，外因是控制器长期存在偏差。因此防止积分饱和的方法可以采用积分分离的控制措施。即当偏差在控制范围之内时采用PID控制，而当偏差超出正常的范围之外时，使控制策略成为PD控制。,2019/2/
20、28,40,1.7.3控制器规律及作用形式的选择1、控制器规律的选择 比例控制器适用于允许有余差的场合，或时间常数较大的低阶过程如液位控制系统，双位控制器实质是有很大增益的比例控制器。 比例积分控制器 积分的特点是消除余差当比例控制产生的余差超过要求时，采用PI控制器主要场合是快速压力、流量控制。这些系统的特点是时间常数小，稳定裕度小，系统的开环增益小， 若采用比例控制将产生很大的余差，故采用PI控制器。 比例积分微分控制器PI可以消除余差，但降低了响应速度，对温度、成分对象，由于系 统本身的响应速度很慢，采用积分控制后，响应变的更慢，为此常采用 PID控制，提高响应速度，改善系统的稳定性。2
21、、控制器作用形式的选择作用形式,正作用,反作用,2019/2/28,41,控制器作用,单回路控制系统方块图,输入增加,输出增加为正作用（）,输入增加,输出减小为反作用（）,控制器正反作用选取要保证系统实现副反馈，即在方块图中前向通道各环节符号相乘为“ + ”,2019/2/28,42,方框图法规定：作用方式：凡输入增大，输出增大为“ + ”；反之为“ - ”。控制阀：气开阀为 “ + ” 气关阀为 “ - ”对象：操纵变量增加,受控变量增加为 “ + ”；反之为“ - ”。 例 分析：(1)气开调节阀为A，气关调节阀为A；（2）调节阀开大，被调参数上升为B，下 降为B。则 A*B= “ + ”
22、调节器选反作用A*B= “ ”调节器选正作用如图所示：阀为气关阀A,阀开大，压力下降-B，则（-A)*(-B)= “+” 调节器选反作用控制器控制器作用形式的正确与否，不仅直接关系到所设计系统的稳定性，而且关系到生产过程的安全，因此，必须合理选择控制器的作用形式，以保证控制系统的正常运行。,2019/2/28,43,图中为一储槽液位控制系统， 为安全起见，槽内液体严禁溢出。试 在下述两种情况下分别确定执行器的 气开/气关形式和控制器的正/反作用方 向。,选择Qi为操纵变量；,选择Qo为操纵变量。,执行器应选择气开式，控制器应用反作用。,执行器应选择气关式，控制器应用反作用。,2019/2/28
23、,44,4、控制器参数的整定,控制器参数整定：指的是为达到最佳的控制效果，而设置PID参数(比例度、积分时间Ti、微分时间TD)。控制器参数的整定方法1、经验法根据人们进行过程控制时的经验，针对不同对象的控制器参数取值范围，确定出待整定控制器参数的初值，然后凭经验进行现场凑试。经验法控制器参数的取值范围温度 =2060% Ti=310min TD=0.53min 压力 =3070% Ti=0.43min TD=0 液位 =2080%(纯比例控制)流量 =40100% Ti=0.11min TD=0 温度、成分对象具有滞后，且时间常数较大，一般引入微分。该方法适合于与典型过程相近的特性。该方法在
24、开环情况下确定参数初值，闭环情况下进行现场调整为最佳值。,2019/2/28,45,整定的步骤：,（1）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定 并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分 作用是为了提高控制质量。按此顺序观察过渡过程曲线 进行整定工作。,（2）先按上述数据控制器参数的取值范围，把Ti定下来， 如要引入微分作用，可取TD=（1/3-1/4)Ti，然后对进行 凑试，凑试步骤于上一种方法相同。,2019/2/28,46,总之 ：经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”，因此，必须弄清楚调节器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。一般来说，在整定中，观察到曲线振荡很频繁，需把比例度
25、增大以减少振荡；当曲线最大偏差大且趋于非周期过程时，需把比例度减少；当曲线波动较大时，应增大积分时间；而在曲线偏离给定值后，长时间回不来，则需减少积分时间，以加快消除余差的过程。如果曲线振荡很厉害，需把微分时间减到最小，或者暂时不加微分作用，以免加剧振荡；在曲线最大偏差大而衰减缓慢时，需增大微分时间。经过反复凑试，一直调到过渡过程振荡2个周期后基本达到稳定，品质指标达到工艺要求为止。,2019/2/28,47,2、临界比例度法(Ziegler-Nichols法)在40年代出现一种闭环参数整定方法使系统在纯比例作用下，比例度自大而小调整，开始出现等幅振荡的比例度称为临界比例度K ，此时响应曲线的
26、周期称为临界周期TK控制器参数为:比例 =2K 比例积分 =2.2K TI=0.85TK 比例积分微分 =1.7K TI=0.50TK TD=0.125TK 采用此方法应注意: 工艺上允许受控变量承受等幅振荡的波动，系统能够等幅振荡； 等幅振荡时，阀不能处于极限(全开、全关)状态； 微分对滞后不起作用，纯滞后较大的系统，应比上述值大一些、 TD应比上述值小一些。,2019/2/28,48,例如：某控制系统用临界比例度法整定参数。已知 K=20%,TK=4min。根据上述临界比例度控制器参数公式，可以得出 P: =40%PI: =44%, Ti=3.4minPID: =34%, Ti=2min
27、TD=0.5min,3、衰减振荡法系统在纯比例作用下，在达到稳定后，用改变设定值的办法加入阶跃干扰，通过调整使系统的响应曲线满足特定的衰减比(4:1或10:1)测得衰减比例度s和衰减周期Ts(或上升时间：被控变量明显变化到接近第一峰值所需的时间），计算控制器的参数。但是加的干扰幅值不能太大，一般在额定值的5%左右；必须在工艺参数稳定的情况下施加干扰。,2019/2/28,49,控制器参数为（4：1）:比例 =s比例积分 =1.2s TI=2Ts比例积分微分 =0.8s TI=0.3Ts TD=0.1Ts,例如：某控制系统用4：1衰减曲线法整定调节器的参数。已知 S=40%,TS=6min。根据
28、上述衰减曲线控制器参数公式，可以得出 P: =40%PI: =48%, Ti=3minPID: =32%, Ti=1.8min TD=0.6min,2019/2/28,50,4、响应曲线法根据广义对象的时间特性整定控制器参数首先求取系统在阶跃输入下的时间响应，并由时间响应确定广义对象的特性参数K0、T0、0，计算控制器参数。,2019/2/28,51,控制器参数为:比例 =比例积分 =1.1 比例积分微分 =0.85,2019/2/28,52,1.8 控制系统投运,对初步设置参数的控制器进行参数整定，达到要求为止。,系统投运是生产过程实现自动化控制的最后一个环节，这个环节工作的好坏关系到生产能
29、否安全平稳的进行，也是对搞过程控制人员实际上工作能力及理论水平的考验。,1.8.1 系统投运,工作内容:,详细了解工艺，对投运中可能遇到的问题应有相应的解决措施；,投运前全面细致地检查自控设备的安装、性能，确保安全可靠；,对控制系统的设计思想、达到的指标详细掌握；,设置控制器的正反作用；,设置或初步设置控制器的参数(P、I、D)；,按无扰动切换原则将控制器由手动切入自动；,由多个回路组成的系统应逐一进行，由次到主，由简单到复杂。,2019/2/28,53,1.8.2 系统运行及维护,为使控制系统长期安全、可靠、平衡运行，根据自控设备的性能及工艺要求，应做到:,定期、经常检查,特别是测量变送环节，应经常检查、调校，发现问题及时解决，避免控制失灵。,对出现的故障应准确判断，及时处理,若某一回路出问题应对构成该回路设备、仪表、连线全面检查，消除隐患。,
