简单控制系统的设计ppt课件.ppt
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1、 简单控制系统简单控制系统 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成 内容提要内容提要 基本要求:基本要求:掌握简单控制系统的结构、组成及作用。掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择 的一般原则。了解各种基本控制规律特点及应用场合。掌握控制器的正作用、反作用确定的方法。掌握控制器参数工程整定的方法。 简单控制系统的结构和组成简单控制系统的结构和组成简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。图6-1 液位控制系统图6-2 温度控制系统 图6-3简单控制系统的方块图简单控制系统的结构和组成简单控制系统的结构和组成 测量变送 控制器
2、 执行器 被控对象四个基本环节: 简单控制系统由四个基本环节组成,即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。 在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线,也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值(或按一定规律变化)的变量称为被控变量。被控变量的界定 它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用,而人工操作又难以满足要求的; 人工操作虽然可以满足要求,但是,这种操作是既紧张而又频繁的。一、被控变量的选择一、被控变量的选择 使生产过程自动按
3、照预定的目标进行,并使使生产过程自动按照预定的目标进行,并使工艺参数保持在预先规定的数值上(或按预工艺参数保持在预先规定的数值上(或按预定规律变化)定规律变化)“关键关键”变量:对产品的产量、质量以及生变量:对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量产过程的安全具有决定作用的变量两种控制类型:直接指标控制和间接指标控两种控制类型:直接指标控制和间接指标控制。当质量指标信号缺少检测手段、信号微制。当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时,可选取与直接质量指标有弱、滞后很大时,可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指
4、标。制指标。如何选择被控变量 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 图6-4精馏过程示意图1精馏塔;2蒸汽加热器图6-5 苯-甲苯溶液的T-x图图6-6 苯-甲苯溶液的p-x图 简单控制系统的设计简单控制系统的设计塔顶馏出物组分纯度塔顶馏出物组分纯度X XD D、塔顶温度、塔顶温度T TD D、塔顶压力、塔顶压力P P三者之间的三者之间的关系为:关系为: X XD D= f(T= f(TD D,P)P),两个独立变量。,两个独立变量。举例举例 从工艺合理性考虑,常常选择温度作为被控变量。 在精馏塔操作中,压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下,才易于保证塔的分离纯度,保证塔的效率和经济性
5、。 在塔压固定的情况下,精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的,这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。 所选变量有足够的灵敏度。简单控制系统的设计简单控制系统的设计 选择被控变量的原则 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态,一般是工艺过程中较重要的变量。 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定,需要较频繁的调节。 尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号,或其测量和变送信号滞后很大时,可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 被控变量应能被测量出来,并具有足够大的灵敏度。
6、 选择被控变量时,必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。 被控变量应是独立可控的。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 二、 操纵变量的选择 在自动控制系统中,把用来克服干扰对被控变量的影响,实现控制作用的变量称为。 最常见的操纵变量是介质的流量。操纵变量操纵变量系统的干扰系统的干扰通过工艺分析通过工艺分析确定确定简单控制系统的设计简单控制系统的设计1、操纵变量 简单控制系统的设计简单控制系统的设计图6-7精馏塔流程图如果根据工艺要求,选择提馏段某块塔板(一般为灵敏板)的温度作为被控变量。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计图6-8影响提馏段温度的各种因素示意图影响提馏段灵敏板温度T灵的因
7、素主要有:进料的流量(Q入)、成分(x入)、温度(T入)、回流的流量(Q回)、回流液温度(T回)、加热蒸汽流量(Q蒸)、冷凝器冷却温度及塔压等等。 通过工艺分析,选择蒸汽流量作为操纵变量 简单控制系统的设计简单控制系统的设计图6-9精馏塔流程图如果根据工艺要求,选择提馏段某块塔板(一般为灵敏板)的温度作为被控变量。 Q Q入入T T入入X X入入Q QZ ZF FT TH H被控变量TD影响塔顶温度的各种输入示意图影响塔顶温度的各种输入示意图被对象原则上,在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控原则上,在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量变量影响影响显著显著而且而且可控性可控性良好良好
8、的输入作为控制变量后,的输入作为控制变量后,其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 简单控制系统的设计简单控制系统的设计图6-10干扰通道与控制通道的关系由干扰通道施加在对象上,起着破坏作用,使被控变量偏离给定值。由控制通道施加到对象上,使被控变量回复到给定值,起着校正作用。 2、对象稳态性质对控制质量的影响 放大系数放大系数 绝对放大系数绝对放大系数控制通道的稳态特性由控制通道放大系数控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K K0 0表表征从征从控制有效性控制有效性考虑,考虑,K K0 0应适当的大一些
9、应适当的大一些 干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数K Kf f表征表征希望希望K Kf f小一些,小一些,K Kf f越小干扰变量对被控变量的影响就越小越小干扰变量对被控变量的影响就越小 操纵变量选择的原则一:当多个输入变量都影响被操纵变量选择的原则一:当多个输入变量都影响被控变量时,从稳态性质考虑,应该选择其中控变量时,从稳态性质考虑,应该选择其中放大系放大系数大数大的可控变量作为操纵变量。的可控变量作为操纵变量。 2、对象稳态性质对控制质量的影响简单控制系统的设计简单控制系统的设计 简单控制系统的设计简单控制系统的设计(2)对象动态特性的影响 控制通道
10、的时间常数不能过大,否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些,从而获得良好的控制质量。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后O对控制质量是有影响的。如图所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。 在选择操纵变量构成控制系统时,应使对象控制通道的纯滞后时间0尽量小。 图6-11纯滞后对控制质量的影响 3、对象动态性质对控制质量的影响控制通道时间常数 T0控制通道滞后时间0 T0小一点好,不能过大,否则会使控制变量的校正作用迟缓,超调量增大,过渡时间增长 在选择操纵变量构成控制回路时,应尽量避
11、免控制通道纯滞后0的存在,无法避免时应使之尽可能小。 A: 无纯滞后时的校正作用B: 有纯滞后时的校正作用C: 不受控下的输出曲线D: 无纯滞后时的输出曲线E: 有纯滞后时的输出曲线简单控制系统的设计简单控制系统的设计 图6-12 干扰通道时间常数干扰通道时间常数 TfTfT Tf f越大越好,干扰对被控变量的影越大越好,干扰对被控变量的影响越缓慢,越有利于改善控制质量响越缓慢,越有利于改善控制质量 干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f f的影响的影响无纯滞后无纯滞后有纯滞后有纯滞后干扰通道滞后时间干扰通道滞后时间f f 干扰通道的纯滞后干扰通道的纯滞后f f不会影响不会影响控制质量控制质量 简单控
12、制系统的设计简单控制系统的设计图6-13 操纵变量应是可控的,即工艺上允许调节的变量。 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 在选择操纵变量时,除了从自动化角度考虑外,还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计4 4、操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 简单控制系统的设计简单控制系统的设计三、测量元件特性的影响测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置,也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。 1、测量元件的时间常数 测量元件本身具有一定的时间常数,造成测量的滞后;当被控变量发生变化时,由于测量值与真实值不等,控制器收到的
13、是失真信号,必然造成控制质量的恶化 简单控制系统的设计简单控制系统的设计图6-14测量元件时间常数的影响图中,Z:被控变量; y:测量值 简单控制系统的设计简单控制系统的设计克服测量滞后的几种方法 选择快速测量元件。当测量元件的时间常数小于对象的1/10时,对控制质量影响不大。 正确选择测量元件的安装位置。自动控制系统中,以温度测量元件和成分分析的取样装置所引起的测量滞后为最大。通常测量单元件应选择在最具代表性,响应最灵敏、最迅速的位置安装,应避免将其安装在死角或易挂料结焦的地方。分析取样则应在温度比较稳定,离设备较近之处,尽量减小纯滞后。 正确使用微分器。正确使用微分器,合理引入微分特性的超
14、前作用,对克服测量滞后,改善控制质量是一种有效的方法。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计图6-15pH值控制系统示意图延迟时间022110vlvl 这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化,因而降低了控制质量。 2、测量元件的纯滞后 测量元件的纯滞后是由安装位置的不合适而引起的,它必然影响控制质量。故在安装时,要尽量减少纯滞后,对于纯滞后大的系统,则必须采用复杂控制系统。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计3、信号的传送滞后包括:测量信号的传送滞后与控制信号的传送滞后。 一般电信号的传送滞后可忽略不计,而气动信号传送滞后较大,影响控制质量。故传送滞后时间要尽量小 。 一般
15、气压信号管路不超过300m ,直径不小于6mm;用阀门定位器或气动继电器增大功率。尽量采用电信号传递。 简单控制系统的设计简单控制系统的设计 谢 谢 四 、控制器控制规律的选择简单控制系统的设计简单控制系统的设计1、控制器控制规律的确定 现场控制系统投运前,被控对象、测量变送装置和执行器三部分(合称广义对象)的特性已经确定,此时的工作是进行控制规律的选择以及工程参数的整定,以提高控制系统的稳定性和控制质量。控制器控制器(LC(LC或或TC)TC)执行器执行器 ( (控制阀控制阀) )被控对象被控对象测量、变送环节测量、变送环节(LTLT或或TTTT)偏偏差差设定值设定值广义对象广义对象被控变量
16、被控变量干扰干扰 简单控制系统的设计简单控制系统的设计特点:输出与偏差成比例,抗干扰强,控制及时,过渡时间短,纯比例控制有余差。适用:控制通道滞后小,负荷变化不大。允许有余差,主要用于允许余差的液位与蒸汽压力的控制。(1) 比例控制器 比例控制器规律: P=Kpe 可调参数: Kp 或 特点特点:无余差,但稳定性降低;加大比例度来提:无余差,但稳定性降低;加大比例度来提高稳定性时,过渡时间延长。高稳定性时,过渡时间延长。适用:控制滞后小,负荷变化不大,不允许余差。适用:控制滞后小,负荷变化不大,不允许余差。简单控制系统的设计简单控制系统的设计(2) (2) 比例积分控制比例积分控制 控制规律:
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