第五章 简单控制系统

简单控制系统 简单控制系统（单回路控制系统） 由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。 TC 冷流体 载热体 TT 换热器 简单温度控制系统 温度控制系统方框图

简单控制系统的设计原则 被控变量的选择 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参 数。 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量， 称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化 率等。 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参 数。 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量， 称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化 率等。

简单控制系统的设计原则 被控变量的选择实例 氨合成塔控制 合成塔中进行的化学反应 催化剂层深度与温度关系 合成塔中进行的化学反应　 例如氨合成塔的控制，在合成塔中进行的化学反应是　 例如氨合成塔的控制，在合成塔中进行的化学反应是　 L T TM 催化剂层深度 L T TM 合成塔内温度 热点 催化剂层深度与温度关系 要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求

简单控制系统的设计原则 被控变量的选择原则 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境 保护 具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有 单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴ 满足工艺的合理性 ⑵ 具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶ 测量变送装置的滞后小。

简单控制系统的设计原则 操纵变量的选择 从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数 扰动变量（输入量） 被控变量（输出量） 操纵变量（输入量）

简单控制系统的设计原则 对象静态特性对控制质量的影响 设：控制通道放大倍数为ＫＯ 扰动通道放大倍数为Ｋf ＫＯ的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度 Ｋf的大小表征了扰动对被控变量的影响程度 小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。

简单控制系统的设计原则 τf Ｔf 对象动态特性对控制质量的影响（一） 对扰动通道特性的影响 设: 扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf f t τf Ｔf yf t (1) (2) Tf1 Tf2

简单控制系统的设计原则 对象动态特性对控制质量的影响（二） 设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间为τo 纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。

简单控制系统的设计原则 操纵变量的选择原则 ⑴ 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的 ⑴ 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的 放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时 间。 ⑵ 系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数 和尽可能小的放大系数。 ⑶ 考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的 质量，就不宜选为操纵变量。

简单控制系统的设计原则 测量变送问题----纯滞后 测量元件的安装位置 τ= 为主管道，分管道流体的流速 酸槽 LC 中 和 槽 电极 酸槽 LC AC l1 中 和 槽 l2 τ= 、 为主管道，分管道的长度 为主管道，分管道流体的流速 测量元件的安装位置

简单控制系统的设计原则 测量变送问题----传递滞后 信号传递过程中引起的滞后 克服传递滞后采取以下措施： ⑴ 尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过 300m，管径应大于６mm。或在气路60m距离间加气动继动 器，提高气信号传输功率，减小传输时间。 ⑵ 采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。 信号传递过程中引起的滞后

简单控制系统的设计原则 控制器控制规律的选择原则 对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求 又不太高的控制系统，可选用比例控制器。象贮罐的液面， 以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。 2. 对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的 情况，可选用比例积分控制器。例如流量、管道压力等控制 系统往往采用ＰＩ控制器。 3. 当对象滞后较大，如温度、ＰＨ值等控制系统则需引入微分 作用。一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又 要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。

简单控制系统的投运 控制系统投运-----通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地 转到自动工作状态。 准备工作： 1. 详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。 2. 吃透控制系统的设计意图。 3. 在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的 功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。 4. 设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。 5. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变） 的要求将控制器切入自动。

控制器参数的工程整定 控制器参数整定-----对已定的控制系统求取保证控制过程 质量为最好的控制器参数（比例度δ%、 积分时间TI、微分时间TD ） 控制器的参数整定方法 理论计算参数整定法——已知广义对象的数学模型，然后根据 系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应 的PID参数。 现场工程整定法——条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。 1）经验法 2）衰减曲线法 3）临界比例度法 4）响应曲线法

（长期的生产实践中总结出来的一种整定方法） 控制器参数的工程整定 方法一：经验法 （长期的生产实践中总结出来的一种整定方法） 系统 参数 δ(%) TI ( min) TD( min) 温度 流量 压力 液面 20～60 40～100 30～70 20～80 3 ～10 0.1～1 0.4～3 0.5～3 方法 根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的 控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形 状，以δ%、TI、TD，对控制过程的规律为指导，调整相应 的参数进行凑试，直到合适为止

控制器参数的工程整定 方法二：临界比例度法 临界振荡整定计算公式 δ(%) TI (min) TD (min) 2δK 2.2δK 控制规律 δ(%) TI (min) TD (min) P 2δK PI 2.2δK Tk/1.2 PID 1.6δK 0.5Tk 0.25TI

控制器参数的工程整定 方法三：衰减曲线法 方法 衰减曲线法控制器参数计算表 方法 在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比（4：1）的过渡过程，记下此时的比例度δ S及振荡周期TS，根据经验公式，求出相应的积分时间TI和微分时间TD。 控制器参数 控制规律 δ(%) TI (min) TD (min) P δS PI 1.2δS 0.5TS PID 0.8δS 0.3TS 0.1TS

控制器参数的工程整定 方法四：响应曲线法 （根据广义对象的时间特性来整定参数） 响应曲线法控制器参数计算表 控制器参数 控制规律 Kc Ti Td P TP/ KPτP PI 0.9TP/ KPτP 3.3τP PID 1.2TP/ KPτP 2τP 0.5τP 方法 将控制器处于“手操”，操作“手操拨盘”使控制输出有个阶跃变化，由记录仪表记下被控变量的记录值Z(t) 。在反应曲线拐点Ａ处作一切线，根据切线与初始值及稳态值的交点，就可获得广义对象的三个特征参数KP、TP、τP　

单回路控制系统工程设计实例 喷雾式干燥塔控制系统设计 碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。 生产工艺要求 产品温度要求稳定，即含水量波动 不能太大。 烟道气 4 1 2 3 加压空气 浆液 空气 干燥塔 碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。 生产工艺要求 产品温度要求稳定，即含水量波动 不能太大。 设计要求 1.选择被控变量与操纵变量 2. 过程检测、控制设备的选用

单回路控制系统工程设计实例 选择被控变量 直接参数----湿度（测量困难） 间接参数----干燥塔出口温度 选择操纵变量 烟道气 4 1 2 3 加压空气 浆液 空气 干燥塔 选择操纵变量 加压空气流量f1(t) 浆液流量f2(t) 旁路空气流量f3(t) 烟道气流量f4(t)

单回路控制系统工程设计实例 温度控制系统 流量控制系统 测温元件---热电阻温度计 检测仪表-----电磁流量表。 变送器----温度变送器 烟道气 4 1 2 3 加压空气 浆液 空气 干燥塔 TC FC 温度控制系统 测温元件---热电阻温度计 变送器----温度变送器 控制阀----气关形式（对数流量特性） 控制器----PID控制 规律，反作用 流量控制系统 检测仪表-----电磁流量表。 控制阀-----气开形式（直线型流量特性） 控制器-----比例控制规律，反作用