3单回路控制系统.pptx

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1、1TTTC蒸汽设定值FTFC设定值LTLC设定值(a)温度控制系统(b)压力控制系统(c)液位控制系统PTPC设定值(d)流量控制系统第1页/共72页2系统组成及分析系统组成及分析系统组成系统组成锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水省煤器省煤器被控变量：汽包液位被控变量：汽包液位过程（被控对象）：锅炉汽包过程（被控对象）：锅炉汽包操纵变量：进水流量操纵变量：进水流量主要扰动：蒸汽量的变化主要扰动：蒸汽量的变化被控对象（被控过程）、测量变送、控制器、控制阀第2页/共72页给水阀给水阀锅炉汽包锅炉汽包控制过程分析控制过程分析(1)平衡状态：平衡状态：当给水量和蒸汽量均不

2、变的情况下，控制系统处于当给水量和蒸汽量均不变的情况下，控制系统处于平衡状态，并将保持这个状态，直到有新的扰动产生。平衡状态，并将保持这个状态，直到有新的扰动产生。(2)扰动分析：扰动分析：3第3页/共72页蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水控制器正、反作用控制器正、反作用控制器应选正作用控制器应选正作用控制器过程分析控制器过程分析正作用正作用控制器控制器气关阀气关阀(3)调节过程分析：调节过程分析：应选气关阀应选气关阀控制阀选择：控制阀选择：4第4页/共72页3.2 3.2 被控量和操纵量的选择被控量和操纵量的选择3.2.1 3.2.1 被控量的选择被控量的选择5对生产安全、质量、产量具有

3、决定作用的对生产安全、质量、产量具有决定作用的“关键关键”的工艺参数的工艺参数在生产现场，绝大多数为直接指标控制在生产现场，绝大多数为直接指标控制被控变量的选择：被控变量的选择：分两种情况分两种情况直接可测量直接可测量直接不可测直接不可测直接指标控制直接指标控制间接指标控制间接指标控制控制系统的设计目标:使生产过程自动按照预定的目标进行TCTC载热体载热体如：蒸汽如：蒸汽被加热被加热介质介质换热器换热器T TTTTT给定值给定值第5页/共72页工艺上的质量指标：工艺上的质量指标：加热炉加热炉的被控变量选择的被控变量选择经工艺分析，塔顶组份经工艺分析，塔顶组份XD与温度与温度TD、压力、压力P存

4、在对应关系存在对应关系塔顶（底）馏出物的组份塔顶（底）馏出物的组份这些组份往往不能这些组份往往不能“直接直接”测量测量找一个与组份有关的变量进行控制找一个与组份有关的变量进行控制直接指标控制难以实现时选择间接指标控制。直接指标控制难以实现时选择间接指标控制。第6页/共72页被控变量选择原则被控变量选择原则7有代表性：通常都是比较主要的工艺参数。（反映主要矛盾）独立可控：尽量避免和其他回路的被控变量有关联（耦合)关系。滞后要小：采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，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。灵敏度高：被控变量应能

5、被测量，并具有足够大的灵敏度。成本要低：选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和仪表产品现状。第7页/共72页控制通道干扰通道干扰变量控制变量被控变量 被控对象控制通道控制通道干扰通道干扰通道KK适当大些小些T T适当小些大些 最好0无所谓在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著影响显著而且而且可控性良可控性良好好的输入作为的输入作为控制变量（操纵量）控制变量（操纵量）后，其它所有未被选中的输入则成了为后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的系统的干扰变量干扰变量。3.2.2 3.2.2 操纵量的选择操纵量的选择操纵量是克服扰动影响、使系统

6、重新恢复平稳运行的积极因素，应该遵循快速、有效地克服干扰的原则去选择操纵量。第8页/共72页操纵量的选择原则操纵量的选择原则控制变量应是可控的，即工艺上允许调节。控制变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件，增大扰动通道的容量滞后，可减少对被控量的影响；操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发，还必需考虑生产工艺的合理性、经济性。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量9第9页/共72页例例例例1 1 1 1：蒸汽被控介质tTT例例2 2：加热炉用燃料油加热加热炉用燃料油加热400400度，设计温度控制系统。度，设计温度控制系统。燃料油成分燃料油成分不

7、可控不可控烟筒抽力烟筒抽力不可控不可控原油流量原油流量不可控不可控燃料油流量燃料油流量可控可控 原油温度原油温度可控可控炉膛烟气温度炉膛烟气温度可控可控 燃料油雾化燃料油雾化不可控不可控影响加热炉出口温度的各种输入因素影响加热炉出口温度的各种输入因素通道太长通道太长时间常数大时间常数大第10页/共72页3.3 3.3 检测及变送环节的考虑检测及变送环节的考虑 3.3.1 3.3.1 检测及变送环节任务、作用及要求检测及变送环节任务、作用及要求任务:对被控量进行正确测量，并将其转换为标准信号。要求:能正确、及时地反映被控量的状况，提供操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据。11第11页/共

8、72页3.3.2 3.3.2 检测变送环节特性检测变送环节特性通常等效为带滞后的一阶惯性特性【理想特性为比例环节】12第12页/共72页3.3.2 3.3.2 选型注意事项选型注意事项 应尽量减少其时间常数与滞后时间。13选择快速反应的测量元件，以减小时间常数选择合适的测量点，以减小纯滞后使用微分单元，以克服容量滞后蒸汽被控介质tTTtTT第13页/共72页3.4 3.4 控制阀的选择控制阀的选择问题：干扰(设定值、负荷或其它因素变化)的存在会破坏系统的正常运行状态，那么用什么办法来克服扰动的影响【请根据系统框图回答】14SP控制阀GV(s)检测与变送器Gm(s)PV对象GP(s)控制器GC(

9、s)单回路控制系统扰动第14页/共72页控制阀选择内容控制阀选择内容流量特性(实际上就是选线性还是对数特性，因为抛物线特性阀通常用的很少，而蝶阀当导通角为0-70o时近似为对数特性)；结构形式；开闭形式；口径计算。15ZXP(ZJHP)型新系列气动薄膜直通单座阀ZAZN型电动双座阀第15页/共72页3.3.13.3.1控制阀的流量特性控制阀的流量特性选择选择3.3.1.1选择原则系统稳定运行准则 使在生产负荷变动情况下，已整定的控制器的参数值不需改变，而控制系统仍能保持预定的品质指标。系统稳定运行维持方法 通过选择适当的控制阀特性来保证【原因：对象特性通常随负荷(工作点)而变，除控制器外系统中

10、无其它可变部分】。流量特性选择实质与原则 以控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化，使系统成为一个理想的控制系统，即保证系统特性在整个操作范围内基本维持不变：16第16页/共72页17控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化：控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化：G0(s)=GV(s)GP(s)Gm(s)=const 若仅考虑静态特性，并考虑到控制器增益与检测变送环节增益通常维持不变，则有阀与对象的放大系数控制阀:KV输入输出合成:K0对象:KP选择控制阀特性改善控制系统性能：按4：1衰减比进行整定，G0(jwg)=GC(jwg)GV(jwg)GP(jwg)Gm(jwg)-0.5 其中wg为系统的相

11、位交界频率。第17页/共72页3.3.1.23.3.1.2流量特性的选择方法流量特性的选择方法1)数学分析法数学分析法 根据对象特性选取合适的控制阀流量特性2)经验法经验法(工程上多采用工程上多采用)根据被控对象、控制参数，按照经验选取流量特性。按经验法选择流量特性时：需要考虑工艺配管情况;考虑负荷变换的情况:在负荷变化幅度大的场合，选等百分比阀较合适；当所选控制阀经常工作在小开度时，也宜选等百分比阀。18第18页/共72页数学分析法（举例）数学分析法（举例）19第19页/共72页数学分析法（举例）数学分析法（举例）20第20页/共72页数学分析法（举例）数学分析法（举例）21由于设定值扰动引

12、起工作点移动静态特性的补偿第21页/共72页数学分析法（举例）数学分析法（举例）22由于设定值扰动引起工作点移动动态特性的补偿第22页/共72页数学分析法（举例）数学分析法（举例）23由于出液阀开度扰动引起工作点移动若b0KP要维持KVKP恒定，要求KVQ2 Q1 要求阀开度要求阀在开度增大时，阀增益增大，故应选对数阀（静态补偿推理过程）（动态补偿推理过程）TC稳定性要求KV若b0要维持稳定性能不变要求阀在开度增大时，阀增益减少，故应选快开阀Q2 Q1 要求阀开度综合静态与动态要求，选直线阀第23页/共72页数学分析法数学分析法:随动控制系统随动控制系统(设定值设定值R为干扰为干扰)对象KP恒

13、定，即被控量与控制阀输出流量Q成正比，则阀流量特性应选线性；KP变化，且随Q增大反而减少，则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性；KP变化，且随Q增大反而增大，则应选快开流量特性；24对数/抛物线/蝶阀R2R1R2R1R2R1Q1Q2QyQyQylQlQlQ设定值R改变快开直线第24页/共72页数学分析法数学分析法:定值控制系统定值控制系统(负荷为干扰负荷为干扰)对象KP恒定，即被控量与控制阀输出流量Q成正比，则阀流量特性应选线性；KP变化，且随Q增大反而减少，则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性；KP变化，且随Q增大反而增大，则应选快开流量特性；25RRRQ1Q2Q3yQylQlQlQ负荷

14、线负荷线y 负荷线负荷改变对数/抛物线/蝶阀快开直线第25页/共72页数学分析法选控制阀流量特性注意事项数学分析法选控制阀流量特性注意事项 不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量特性可能是不一样，甚至是相反的，所以应根据引起工作点移动的主要干扰来选取控制阀流量特性；采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性，考虑到快开特性特点，一般用于双位控制或程序控制而不适合于连续自动调节，此时可用线性阀代替；生产实践中，通常阀前后压差是变化的，故选择时还需考虑配管条件等对流量特性的影响。26第26页/共72页经验法：经验法：按控制对象选择流量特性按控制对象选择流量特性27第27页/共72页3.3.1.

15、3 3.3.1.3 控制阀流量特性选择注意事项控制阀流量特性选择注意事项应根据主要干扰的变化来选择阀门特性；当对象特性可用图形表示时，用图解法选；而当特性可用解析式表示时用解析法选【注意对象特性必须是增量化前的方程】；要求高时，应从动态角度考虑与分析；控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性恒定，为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满足此要求。如节流装置测流量，配开方器，用线性控制阀；如不加开方器，从静态考虑要选快开特性，实际选线性。28第28页/共72页3.3.2 3.3.2 控制阀结构形式的选择控制阀结构形式的选择控制阀选用时需注意两点：被控介质的工艺条件，如温度、压力、流量等。

16、被控介质的流量特性，如黏度、腐蚀性、毒性、是否含悬浮颗粒、液态还是气态等。29a)单座控制阀b)双座控制阀c)角形控制阀d)套筒控制阀1-阀杆；2-上阀盖；3-填料；4-阀芯；5-阀座；6-阀体部分控制阀结构第29页/共72页控制阀结构形式特点及适用场所控制阀结构形式特点及适用场所直通单直通单座阀座阀结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡力大。适用于小口径力大。适用于小口径Dg25mm 的场合。的场合。直通双直通双座阀座阀 受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适用于大口径管道的场合。用于

17、大口径管道的场合。角形阀角形阀 阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较好。好。蝶阀蝶阀 流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮物的介质，通常流量特性与等百分比相似。物的介质，通常流量特性与等百分比相似。隔膜阀隔膜阀 用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维的介质，但不用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维的介质，但不耐高温和高压。耐高温和高压。三通阀三通阀 分三通合流阀和三通分流阀，适用于介质三个方向的分三

18、通合流阀和三通分流阀，适用于介质三个方向的流通。对于三个系统的分合流控制非常有效。流通。对于三个系统的分合流控制非常有效。30第30页/共72页3.3.3 3.3.3 控制阀开闭控制阀开闭(作用作用)形式的选择形式的选择 控制阀的开(信号增大时阀开大)闭(信号压力增大阀关小)形式选择主要基于以下几点考虑：安全角度：出现意外，保证人员、设备安全；质量角度：出现意外事故，考虑产品质量；消耗角度：原料、成品及动力；介质特点：特殊介质，考虑结晶、蒸发等因素控制阀作用方式的选择要和控制器作用方式的选择匹配以满足控制通道作用方向的要求。31正正反反p0p0正反反正p0p0气关阀气开阀第31页/共72页控制

19、阀开闭选择之安全原则控制阀开闭选择之安全原则 控制阀开闭形式的选择主要从生产安全角度考虑，一般在控制阀气/电源中断时，应切断进入被控设备的原料或热源，停止向设备外输出产品：进料/出料阀(控制原料/热源)气开；回流阀(如精馏罐回流)气关串级控制时如阀的开闭形式可任选，为使主控与串级切换方便，选KV与主对象放大系数符号相同的(气开时KV为正，气关为负)。例如：加热炉的燃料油控制应采用气开阀，放热反应罐冷却水控制应采用气关阀。32第32页/共72页例：例：加热炉温度控制系统的控制阀应采用何种开闭加热炉温度控制系统的控制阀应采用何种开闭（正反）形式？（正反）形式？33第33页/共72页3.3.4 3.

20、3.4 控制阀口径计算控制阀口径计算调节阀的口径选择是由调节阀流量系数C(或称流通能力C)决定的。调节阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件(即给定的介质流量与物性参数及阀前后的压差等)进行Cmax值的计算，然后按调节阀生产厂家的产品目录，选出相应的调节阀口径，使得通过调节阀的流量满足工艺要求的最大流量且留有一定的裕度，但裕度不宜过大。【流通能力定义】在给定的行程下，当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3时，流经调节阀的流体流量(以m3/h表示)。34第34页/共72页控制阀口径计算计算方法控制阀口径计算计算方法在新装置的设计时，通常按流通能力C值确定阀门口径，常用方法有两种：根

21、据实际最大流量Qmax，算出相应的流通能力Cmax（计算方法见教材表11-3），然后从产品系列中选取稍大于Cmax的C值及相应的阀门口径，选取时应留必要的余地。最后对实际最大流量Qmax及实际最小流量Qmin时的阀门开度进行验算：在Qmax时应不大于90%,在Qmin时不小于10%。按常用流量算出相应的流通能力Cvc。选用阀门C值应使Cvc/C在0.250.8之间，即按常用流量乘以41.25倍。一般Cvc/C=0.5为相宜，当工作特性为对数型时可更小些。35第35页/共72页控制阀口径计算计算步骤控制阀口径计算计算步骤根据工艺专业委托的条件，初选阀的型式、流向及流量特性，并决定流量系数C值的计

22、算方法。确定计算C值的各项参数值，如阀前、后压力，最大、常用、最小流量，阀前后压差，密度以及其他辅助修正系数。判别工况是阻塞流还是非阻塞流，如为阻塞流工况，且流量较大，则应进行噪声预估计算，如为非阻塞流，一般可不进行噪声预估计算。选定合适的C值计算公式，计算最大流量下阀的Cmax值，并圆整之。按圆整的Cmax值在所选阀型的标准系列中，找与C Cmax/0.85靠近的额定C值，其对应的阀径即为所选调节阀的阀径。进行压力、压差、开度(10%l/LQmax/Qmin)校验，以验证所选调节阀口径的正确性。36第36页/共72页 例例：某某 一一 蒸蒸 汽汽 加加 热热 器器，饱饱 和和 水水 蒸蒸 气

23、气 的的 正正 常常 用用 量量 是是450kg/h，蒸蒸汽汽阀阀前前压压力力为为196.2kPa，阀阀后后设设计计压压力力为为29.4kPa。试确定直通双座阀的口径。试确定直通双座阀的口径。解解:阀前绝对压力阀前绝对压力 p1=196.2+101.33=297.53kPa 阀后绝对压力阀后绝对压力 p2=29.4+101.33=130.73kPa 因因p2/p10.5，故故应应用用表表11-3(不不同同介介质质流流通通能能力力C的的实实用用计计算算公公式式)中中蒸蒸汽汽C的的公公式：式：蒸汽蒸汽 C=Ms/(1.406710-4p1)即即 Cvc=Ms/(1.406710-4p1)=10.7

24、5 Cvc4=43 Cvc1.25=13.44根根据据计计算算和和表表12-3可可知知，公公称称通通径径Dg为为40mm的的直直通通双双座座阀阀可可以适用。以适用。37第37页/共72页3.5.13.5.1常用控制规律特点及适用场合常用控制规律特点及适用场合位式PPIPDPID特点简单控制质量低，有振荡控制速度快有静差控制不及时无静差 超前控制，减小动态偏差 有静差兼顾动态与静态，整定较麻烦适用场合对象容量大，负荷变动小。控制质量要求不高，容许振荡对象容量大，负荷变动小，纯滞后小。允许静差存在对象滞后大，负荷变动大但缓慢。不允许静差存在对象滞后大，负荷变动不大，被控量变化不频繁。允许静差存在对

25、象滞后大，负荷变动较大但不频繁。控制质量要求高383.5 3.5 控制器的控制律及作用方式选择控制器的控制律及作用方式选择第38页/共72页3.5.23.5.2控制器作用控制器作用方式方式的选择的选择39正作用：正作用：当设定值不变，测量值增加时控制器输出也增加；或者当测量值不变，设定值减少时控制器输出增加。反作用：反作用：测量值增加控制器输出减少。第39页/共72页40 原则：1 1 1 1、控制阀：气开式为、控制阀：气开式为“”，气关式为，气关式为“-”；2 2 2 2、控制器：正作用为、控制器：正作用为“”，反作用为，反作用为“-”；3 3 3 3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随

26、之、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为增加为“”，随之减少为，随之减少为“-”；4 4 4 4、变送器：一般为、变送器：一般为“”；控制器正、反作用选择的判别式：(控制器控制器“”)*()*()*()*(控制阀控制阀“”)*()*()*()*(对象对象“”)=)=)=)=“”控制器正、反作用的选择第40页/共72页例：请判定图示温度控制系统中调节阀和调节器的作用型式。例：请判定图示温度控制系统中调节阀和调节器的作用型式。1-1-当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介 质，调节介质为过热蒸汽时；质，调节介质为过热蒸汽时；（气关调节阀，正作用调节器；）

27、（气关调节阀，正作用调节器；）2-2-当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；调节介质为过热蒸汽时；（气开调节阀，反作用调节器；）（气开调节阀，反作用调节器；）3-3-当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的的 软化水时；软化水时；4-4-当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软软 化水时；化水时；41（气开调节阀，正作用调节器；）（气开调节阀，正作用调节器；）（气关调节阀，反作用调节器；）

28、（气关调节阀，反作用调节器；）(控制器控制器“”)*()*()*()*(控制阀控制阀“”)*()*()*()*(对象对象“”)=)=)=)=“”第41页/共72页例：下图中，控制系统的调节器应该选用正作用方式，例：下图中，控制系统的调节器应该选用正作用方式，还是反作用方式？还是反作用方式？正作用正作用反作用正作用反作用42第42页/共72页例：图中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气例：图中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气体中也不许带有液体。试画出系统方框图，选取调节阀气体中也不许带有液体。试画出系统方框图，选取调节阀气开、气关型式和调节器的正、反作用，再简单说明这一调开、气关

29、型式和调节器的正、反作用，再简单说明这一调节回路的工作过程。节回路的工作过程。答：因工艺要求故障情况下送出的答：因工艺要求故障情况下送出的气体不许带液，故当气源压力为零气体不许带液，故当气源压力为零时，阀门应打开。时，阀门应打开。调节阀是调节阀是气关式气关式 当液位升高，调节阀开度增大，当液位升高，调节阀开度增大，由于所选取的是气关调节阀，故要由于所选取的是气关调节阀，故要求调节器输出减少，求调节器输出减少，调节器是调节器是反作用反作用。其工作过程如下：其工作过程如下：其工作过程如下：其工作过程如下：液体液体液位变送器输出液位变送器输出调节器输出调节器输出调节阀开度调节阀开度液体输出液体输出液

30、位液位43第43页/共72页3.6 3.6 控制器参数整定控制器参数整定 控制器参数整定，就是确定控制器参数。控制器参数的整定方法有理论计算整定法【通过理论计算(微分方程、频率特性、根轨迹法等)求取控制器参数】和工程整定法【从工程的实际出发，直接在控制系统中进行整定】两种。工程应用上大量采用工程整定法工程整定法。下面介绍PID型控制器参数的工程整定方法。【经验试凑法；临界比例带法；衰减曲线法；响应曲线法】44第44页/共72页3.6.1 3.6.1 经验试凑法经验试凑法 将控制器参数设置为某些经验值，使系统闭环运行，观察过渡过程的曲线形状(亦可以施加一定的扰动，如改变设定值)。若曲线不够理想，

31、根据控制器参数对过渡过程的不同影响，按规定的顺序，反复凑试，直到满意为止。45P(%)TI(min)TD(min)温度控制20603100.53流量控制401000.110压力控制30700.430液位控制2090150控制器参数经验数据第45页/共72页整定步骤整定步骤46 (1)在纯比例作用下在纯比例作用下(TI=、TD=0)在比例度PC按上表的取值下，将系统投入运行；若曲线振荡频繁，则加大比例度PC；若超调量大，且趋于非周期，则减少PC，求得满意的4：1过渡过程曲线。(2)引入积分作用引入积分作用 将积分时间将积分时间T TI I由大到小进行整定；由大到小进行整定；若曲线波动较大，则应增

32、大若曲线波动较大，则应增大T TI I；若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少T TI I，以求得较好的过渡过程曲线。以求得较好的过渡过程曲线。第46页/共72页(3)若需引入微分作用若需引入微分作用47 将TD按经验值或按TD=(1/31/4)TI设置，并由小到大加入；若曲线超调量大而衰减慢，则需增大TD；若曲线振荡厉害，则应减小TD；观察曲线，再适当调节PC和TI，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。第47页/共72页PID参数整定经验参数整定经验参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂

33、浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长；理想曲线两个波，前高后低比；一看二调多分析，调节质量不会低。48第48页/共72页49在扰动作用下被控量出现等幅振荡的状态叫临界状态(图4-6)，处于临界状态时控制器的比例系数(比例带)和被控量的振荡周期，分别叫做临界比例系数KC(比例带PK)和临界周期TK。临界比例带法【Ziegler-Nichols第二法则】是在得到PK 和TK基础上的参数整定方法，计算公式见下表。临界振荡曲线P(%)KPTI(min)TD(min)P2PK0.5KC0P

34、I2.2PK0.45KC0.85TK0PID1.7PK0.6KC0.5TK0.125TK临界比例带法参数计算表TK怎样得到临界状态3.6.2 3.6.2 临界比例带法临界比例带法第49页/共72页(1)在纯比例作用下投入(TI=,TD=0),比例度PC适当；平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。(2)将PC逐渐减小，得到下图所示等幅振荡过程记下临，得到下图所示等幅振荡过程记下临界比例度界比例度P PK K和临界振荡周期和临界振荡周期T TK K值。值。50整定步骤整定步骤(3)(3)根据根据P PK K和和T TK K值，采用下页表中的经验公式，计算值，采用下页表中的经验公式，计算P P、T

35、TI I、T TD D的值。的值。(4)按“先P后I最后D”的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。观察其运行曲线，若不够满意，观察其运行曲线，若不够满意，再再做进一步调整。做进一步调整。第50页/共72页51例：用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=20%,临界振荡周期临界振荡周期T TK K=1min=1min，当控制器分别采用比例作用、，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。解：应用经验公式，可得 (1).比例控制器 =2K=220%=

36、40%(2).比例积分控制器 =2.2K=2.220%=44%TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min (3).比例积分微分控制器 =1.6K=1.620%=32%TI=0.5TK=0.51=0.5min TD=0.25TI=0.250.5=0.125minP(%)KPTITDP2PK0.5KC0PI2.2PK0.45KC0.85TK0PID1.7PK0.6KC0.5TK0.125TK第51页/共72页 应用临界比例度法的几点注意事项：应用临界比例度法的几点注意事项：（1 1）在寻找临界状态时，应格外小心。）在寻找临界状态时，应格外小心。因当比例带小于临界值因当比例带小于临界值PkPk时

37、，会出现发散振时，会出现发散振荡，可能使被控量超出工艺要求的范围，从荡，可能使被控量超出工艺要求的范围，从而造成损失。而造成损失。（2 2）对工艺上约束严格，不允许等幅）对工艺上约束严格，不允许等幅振荡的场合，不宜采用此法。振荡的场合，不宜采用此法。（3 3）当比例带过小时，纯比例控制接）当比例带过小时，纯比例控制接近于双位控制，对于某些生产工艺不利，也近于双位控制，对于某些生产工艺不利，也不宜采用此法。不宜采用此法。52第52页/共72页533.6.3 3.6.3 衰减曲线法衰减曲线法此法以41或101衰减过程作为整定的要求。先在纯比例作用下，调整P值得到41或101衰减过程的曲线，如图所示

38、，记下此时的比例带PS，在曲线上取得振荡周期TS或上升时间TA。然后按后页表中经验公式，求出相应的P、TI 和TD值。图4.741与101衰减曲线4:110:1TSTA第53页/共72页54101衰减比控制器参数计算表P(%)TI(min)TD(min)PPS0PI1.2PS0.5TS0PID0.8PS0.3TS0.1TSP(%)TI(min)TD(min)PPS0PI1.2PS2TA0PID0.8PS1.2TA0.4TA41衰减比控制器参数计算表衰减比控制器参数计算表第54页/共72页55例:某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，得S=20%，TS=10分，当控制器分别为比例作

39、用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。解 应用表中的经验公式，可得 (1)、比例控制器 =S=20%(2)、比例积分控制器 =1.2S=1.220%=24%TI=0.5TS=0.510=5min (3)、比例积分微分控制器 =0.8S=0.820%=16%TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min P(%)TITDPPS0PI1.2PS0.5TS0PID0.8PS0.3TS0.1TS第55页/共72页564.6.4 4.6.4 响应曲线法响应曲线法典型工业过程响应曲线(开环)如下图示：典型(S型)响应曲线DytT响应曲线法又称为Ziegle

40、r-Nichols第一法则，是一种根据广义对象的响应曲线【如响应曲线不为如响应曲线不为S S型不能使用本方法型不能使用本方法】来整定控制器参数的方法。第56页/共72页57得到广义对象的响应曲线(如何得到)；由响应曲线得广义对象特性GP(s)【看作带滞后的一阶系统】；按下表计算得到控制器参数值。基于响应曲线的控制器参数整定计算表P(%)KPTI(min)TD(min)P100Kt/TT/Kt0PI120Kt/T0.9T/Kt3.3t0PID83Kt/T1.2T/Kt2t0.5t【注意】计算所得参数值，仍须根据运行情况加以调整，才是实际所需的控制器参数整定值。整定步骤整定步骤第57页/共72页3

41、.6.5 3.6.5 工程整定方法优缺点工程整定方法优缺点 1）经验凑试法：简单方便，容易掌握，应用较广泛，特别是对扰动频繁的系统更为合适。但此方法靠经验，要凑到一条满意的过程曲线，可能花费时间多。此方法对PID控制器的三个参数不容易找到最佳的数值。2）临界比例带法：较简单，易掌握和判断，应用较广。此方法对于临界比例带很小的系统不适用，因在这种情况下，控制器的输出一定很大，被控量容易一下超出允许的范围，为工艺所不允许。3）衰减曲线法：此法是在总结临界比例带的经验基础上提出来的，较准确可靠，安全，应用广泛。但对时间常数小的对象不易判断，扰动频繁的系统不便应用。4）响应曲线法：较准确，能近似求出广

42、义对象的动态特性。但加阶跃信号测试，须在不影响生产的情况下进行。58第58页/共72页593.7 3.7 控制系统的投运控制系统的投运投运第一步：投运前准备熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、电源、气源等，以保证投运时能及时正确的操作，故障能及时查找；现场校验所有仪表，保证仪表能正常使用；确认控制器的正、反作用；根据经验或估算，设置控制器参数；或者先将调节器设置为纯比例作用，比例度根据经验或估算，设置较大的位置；确认控制阀的气开、气关作用；根据前述所有选择，假设被控变量受干扰有一个增加，看控制系统能否克服干扰的影响。3.7.1 3.7.1 基本步骤基本步骤第59页/共72页60

43、投运第二步：现场人工操作投运第二步：现场人工操作将控制阀前后的阀门1、2关闭，打开旁通阀3，观察测量仪表能否正常工作，待工况稳定。投运第三步：手动遥控用手动定值器或手操器调整作用于调节阀上的信号P至一个适当数值，然后，打开上游阀门1，再逐步打开下游阀门2，过渡到遥控，待工况稳定。123P控制阀安装示意图第60页/共72页61投运第四步：自动操作投运第四步：自动操作手动遥控使被控变量接近或等于给定值，观察仪表测量值，待工况稳定后，控制器切换到“自动”状态。至此，初步投运过程结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，这时需要进一步进行参数整定。第61页/共72页622.7.2 2.7.2 系统运行

44、中的故障判别系统运行中的故障判别比较记录曲线前后变化；比较控制室与现场同位号仪表的指示值；比较相同仪表之间的指示值。第62页/共72页633.8 3.8 控制系统设计举例控制系统设计举例3.8.1 3.8.1 液体贮槽工艺简介液体贮槽工艺简介在工业生产过程中，图示液体贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产的正常行，物料量进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此工艺要求液体贮槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化并保证物料不产生溢出。储液槽Q1Q2第63页/共72页643.8.2 3.8.2 贮槽液位系统控制方案设计贮槽液位系统控制方案设计 3.8.

45、2.1 选择被控参数选择被控参数根据工艺简况可知，液体贮槽的液位要求维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，这是保证生产正常进行的工艺指标，所以其液位是直接指标(直接参数)，即为被控参数。3.8.2.2 选择操纵量选择操纵量从液仪贮罐的生产过程来看，影响液位有两个量，一是流入贮槽的流量，二是流出贮槽的流量。调节这两个流量的大小都可改变其液位高低。这样构成液位控制系统就有两种控制方案，如图4-9所示。选择流出量或流入量为操纵量。第64页/共72页65液位控制系统方案液位控制系统方案a)调流入量 b)调流出量Q1Q2LTLCAhQ1Q2LTLCAh第65页/共72页663.8.3 3.8.3 选

46、用过程检测控制仪表选用过程检测控制仪表3.8.3.1 检测变送的选择检测变送的选择选用DDZ-III型差压变送器即可【实际选型时需注意介质条件与操作条件】。3.8.3.2 控制阀选择控制阀选择流量特性：选用对数流量特性的调节阀；开闭形式：图(a)流入量调节方案，为保证不引起物料溢出，应选用气开式调节阀；而图(b)流出量控制方案，为保证不产生物料量溢出，应选用气关式调节阀；结构形式、口径计算略。第66页/共72页673.8.3.3 控制器选型控制器选型控制规律选择：若贮槽是为了起缓冲作用而控制液位的，则对液位控制要求不太高，调节器采用宽比例度的比例作用即可。当容器作为计量槽使用时，则需精确控制其

47、液位，为了消除余差，控制器采用比例积分作用。正、反作用方式的确定：对于图(b)所示流出量调节系统，控制器应为反作用式，其推导过程见下页，图(a)所示流入量调节系统控制器正反作用过程见教材。参数整定：可采用工程整定方法中的任何一种，使液位控制系统运行在最佳状态。第67页/共72页68控制器作用方式确定控制器作用方式确定被控对象为反作用：操纵量Q2增大，h下降；检测/变送为正作用：控制阀为气关型，是反作用mQ2e图(b)控制系统等效方框图hSP控制阀“”检测/变送“+”PV水槽“”控制规律“+”反作用反作用扰动使hPV e要维持h，需Q2 m控制规律方块为正作用(+)控制器为反作用()第68页/共

48、72页本章小结本章小结被控量与操纵量的选择被控量与操纵量的选择检测及变送环节的考虑检测及变送环节的考虑控制阀的选择控制阀的选择控制器控制规律及作用方向的选择控制器控制规律及作用方向的选择控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定控制系统的投运控制系统的投运69第69页/共72页重点与难点重点与难点1、掌握单回路控制系统的设计步骤2、掌握被控量和操纵量的选择方法3、控制作用和控制阀的选择及计算4、控制系统的工程整定及计算70第70页/共72页71习题及思考题（作业：习题及思考题（作业：913）1.如何选择被控量和操纵量？2.试分析对象扰动通道特性对控制质量的影响。3.测量滞后与纯滞后有何不同？对控制质量有什么影响？如何减少和克服这些影响？4.一个系统的对象有容量滞后，另一个系统由于测量点位置造成纯滞后，如果分别采用微分作用克服滞后，效果如何？5.控制阀特性的选择应考虑哪些主要问题？6.控制器正、反作用方式应该怎么样选择？第71页/共72页谢谢大家观赏！第72页/共72页