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1、簡單控制系統(tǒng),02:04,控制系統(tǒng)的分類,02:04,簡單控制系統(tǒng)的定義：,由一個被控對象、一個檢測變送單元、一個控制器和一個執(zhí)行器所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)叫做簡單控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。,簡單控制系統(tǒng)的方塊圖？,02:04,執(zhí)行器,被控對象,測量變送,控制器,執(zhí)行器,,,,,,,,,,接受控制器的輸出的控制信號，改變操縱變量，使被控變量向設定值靠攏的裝置，稱為執(zhí)行器。,最常用的執(zhí)行器是控制閥，也稱調節(jié)閥。,02:04,執(zhí)行器,執(zhí)行器是控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)。 自控系統(tǒng)出故障，70%都是執(zhí)行器出問題。 原因：執(zhí)行器與介質（操縱變量）直接接觸 (強)腐蝕性、(高)粘度、(易)結晶、

2、高溫、深冷、高壓、高差壓,02:04,執(zhí)行器,執(zhí)行機構是根據控制器的控制信號產生推力或位移的裝置。,執(zhí)行器的組成,執(zhí)行機構,,調節(jié)機構,,調節(jié)機構是根據執(zhí)行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。,,,,02:04,執(zhí)行器,02:04,執(zhí)行器,,執(zhí)行器分類,1.電動執(zhí)行器；,根據驅動信號的不同，執(zhí)行器分為三種形式,2.氣動執(zhí)行器；,3.液動執(zhí)行器。（推力最大，笨重，很少使用）,其中，氣動薄膜調節(jié)閥應用最為廣泛。,02:04,執(zhí)行器,氣動薄膜調節(jié)閥,1、接受20 100KPa的 標準氣壓信號；,2、在膜片上產生推力；,3、推動閥桿產生位移；,4、帶動閥芯動作。,02:04,執(zhí)行器

3、,,氣動薄膜執(zhí)行機構的正反作用,氣源PO,,,氣源PO,,,,,反作用執(zhí)行機構（ZMB）,正作用執(zhí)行機構（ZMA）,02:04,執(zhí)行器,,氣動薄膜調節(jié)機構的正反作用,正作用：閥芯向下， 閥桿下移時，閥芯與閥座間的流通面積減少。反作用： 閥芯向上，閥桿下移時，閥芯與閥座間的流通面積增大。,正作用,反作用,02:04,執(zhí)行器,反作用,反作用,正作用,正作用,四種組合,正作用,正作用,反作用,反作用,氣關式,氣關式,氣開式,氣開式,氣開式：氣信號增加，閥門開度增大。 氣關式：氣信號增加，閥門開度減小。,02:04,執(zhí)行器,氣開式與氣關式的選擇,生產安全。 氣信號中斷，控制閥復位，應能確保生產工藝設備

4、的安全。 如果閥處于打開位置時危害性小，應用氣關式；反之， 閥處于關閉時危害性小，則應選用氣開閥,例一：加熱爐的燃料進料閥應采用？ 氣開閥，即當信號中斷時應切斷進爐燃料，以免爐溫過高發(fā)生事故。,例二：控制進入設備的易結晶氣體的控制閥，應選用？ 氣關閥，以防堵塞。,02:04,執(zhí)行器,,控制閥的流量特性,理想流量特性，即在閥的前后壓差固定的條件下，流量與閥桿位移之間的關系，它完全取決于閥的結構參數。,理想流量特性主要有線性、等百分比及快開三種。這三種特性完全取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面可以得到不同的理想流量特性。,02:04,執(zhí)行器,快開：平板結構 線性：曲面形狀，“瘦” 等百分比：曲面形狀

5、，“胖”,02:04,執(zhí)行器,02:04,閥門定位器,閥門定位器接受控制器的輸出信號，然后將控制器的輸出信號成比例地輸出到執(zhí)行機構，當閥桿移動以后，其位移量又通過機械裝置負反饋作用于閥門定位器,02:04,閥門定位器,分類,02:04,閥門定位器,YT-1000R-PTM（帶反饋） 電氣閥門定位器,SIEMENS西門子閥門定位器 6DR5115-0EG00-0AA0,9800元,1050元,02:04,閥門定位器,具有兩個重要特點：,1、具有電氣轉換作用 2、具有閥門定位功能,工作原理方框圖：,02:04,控制規(guī)律,理想的雙位控制器其輸出p與輸入偏差e 之間的關系為,特點：控制器只有兩個輸出，

6、相應的執(zhí)行器只有 開和關兩個極限位置。 雙位控制又稱為開關控制。,02:04,控制規(guī)律,繼電器,電磁閥,02:04,控制規(guī)律,比例控制( P ),比例控制規(guī)律及其特點,e（偏差）為控制器的輸入信號，u為輸出信號（變化量），KC為比例增益（放大倍數）， KC越大，比例作用越強。,比例控制器實際上是一個放大倍數可調的放大量,02:04,控制規(guī)律,比例度,比例度與比例增益成反比。 比例度越小，則比例增益越大，比例控制作用就越強； 反之，比例度越大，則比例增益越小，比例控制作用 就越弱。,結論,02:04,,比例度對過渡過程的影響,實現快速控制,02:04,控制規(guī)律,積分控制（I）,一、積分控

7、制規(guī)律及其特點,當對控制質量有更高要求時，就需要在比例控制的基礎上，再加上積分控制作用。,積分控制作用的輸出變化量u與輸入偏差e的積分成正比，即,表示積分速度,注意：具有積分控制規(guī)律的控制器，其輸出信號的大小， 不僅決定于偏差信號的大小，還取決于偏差存在時間的長短。,02:04,控制規(guī)律,比例積分控制規(guī)律（PI）與積分時間（ ）,比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加， 其數學表達式為：,為比例增益， 為積分時間，,比例積分控制器的傳遞函數為：,02:04,控制規(guī)律,1、積分時間越小，積分作用越強。反之，積分時間越大， 積分作用越弱。 2、若積分時間為正無窮大，就沒有積分作用，此時的

8、比例積分控制器就稱為純比例控制器了。,結論,02:04,積分時間對過渡過程的影響,減小積分時間， 積分作用增強， 克服余差的能力增強， 準確性增強， 但是震蕩加劇， 穩(wěn)定性降低， 快速性降低。,02:04,控制規(guī)律,微分控制（D）,一、微分控制規(guī)律及其特點,控制器的微分控制規(guī)律，是指輸出信號的變化量與偏差信號的變化速度成正比，即,為微分時間,當偏差變化速度相同時， 越大，控制器的微分作用,越強,控制器的輸出變化,越大,反之。。。。。。,因此，微分時間是衡量微分作用強弱的重要參數。,02:04,控制規(guī)律,微分作用的特點： 1、微分控制器的輸出只與偏差的變化速度有關，與偏差是否存在無關。 2、微分

9、控制器的輸出不能反應偏差的大小。 3、微分控制規(guī)律不能單獨使用。,微分作用,( _),02:04,微分時間對過渡過程的影響,微分作用具有抑制振蕩的效果，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少被控變量的波動幅度,并降低余差。 微分作用也不能加得過大。 微分控制具有“超前”控制作用。,02:04,控制規(guī)律,比例積分微分控制（PID）,同時具有比例、積分、微分三種控制作用的控制器稱為比例積分微分控制器。,比例度（或者比例增益Kc）、積分時間 TI和微分時間 TD。,可調參數有哪些？,02:04,,怎樣使一個PID控制器變成純比例控制器？,當比例積分微分控制器的積分時間趨于無窮大，微分時間為零的時候，這時的控制器

10、相當于純比例控制器。,02:04,02:04,02:04,控制器,系統(tǒng)正常運行,負反饋系統(tǒng),,如何保證能構成負反饋系統(tǒng)？,02:04,作用方向的規(guī)定,各環(huán)節(jié)正、反作用的確定,當該環(huán)節(jié)的輸入信號增加時，如果輸出信號也隨之增加， 該環(huán)節(jié)為正作用。,執(zhí)行器,氣開式為正作用方向,氣關式為反作用方向,02:04,測量變送環(huán)節(jié),一般都為正,被控變量增加,,測量值增加,被控對象,操縱變量增加,,,被控變量增加,被控變量減小,,,正,反,02:04,控制器,偏差的計算：,正作用：,e(t)=y(t)-SP,反作用：,e(t)=SP-y(t),當設定值不變，被控變量的測量值增加，控制器輸出量增加， 當被控變量的

11、測量值不變，設定值減小，控制器輸出量增加， 為正作用。,當設定值不變，被控變量的測量值增加，控制器輸出量減小， 當被控變量的測量值不變，設定值減小，控制器輸出量減小， 為反作用。,02:04,如何構成負反饋系統(tǒng)？,,,,,“”,“”,“”,,兩個“”、“”或者三個“”,02:04,控制器正、反作用的確定步驟：,,執(zhí)行器,,氣開式“” 氣關式“”,,被控對象,,確定“”“”,,測量變送,,“”,,控制器,,根據反饋準則，確定“”“”,02:04,例題,如圖所示為一臺釜式反應器的溫度控制系統(tǒng)示意圖。為維持一定的反應溫度需用蒸氣進行加熱，但如果溫度過高，會有爆炸的危險，則下列有關控制閥及控制采取的形

12、式及作用方向合理的是（ ）。,A控制閥為氣開型，控制器為正作用式 B控制閥為氣開型，控制器為反作用式 C控制閥為氣關型，控制器為反作用式 D控制閥為氣關型，控制器為正作用式,B,02:04,精餾塔,被控變量是塔內溫度,回流閥,執(zhí)行器？,被控對象？,測量變送？,控制器？,02:04,02:04,02:04,簡單控制系統(tǒng)的設計概述,1、確定控制方案（被控變量的選擇與確認、操縱變量的選擇與確認、檢測點的初步選擇，繪制工藝流程圖等等）。 2、儀表及裝置的選型（檢測儀表、控制器、執(zhí)行器）。 3、相關工程內容的設計（控制室設計、供電、供氣系統(tǒng)、儀表配管配線，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的設計等等）。,02:04,閱讀教材

13、回答以下問題： 1、所謂關鍵變量是指什么？ 2、什么是直接參數？ 3、什么情況下選用間接參數作為被控變量？ 4、所選用的間接指標需滿足什么條件？,1、被控變量的選擇,02:04,1、被控變量的選擇,被控變量的選擇 “關鍵”變量：對產品的產量、質量以及安全具有決定性的作用，人工操作難以滿足要求，或者人工操作可以滿足要求，但是這種操作既緊張又頻繁，勞動強度很大。,方法一：選擇能直接反映生產過程中產品產量、質量和安全又易于測量的參數作為被控變量，稱為直接參數法。例如溫度、壓力、液位、流量反映等生產工藝狀態(tài)的參數。,02:04,方法二：選擇那些能間接反映產品產量和質量又與直接參數有單值對應關系、靈敏、

14、易于測量的參數作為被控變量，稱為間接參數法。例如組分（某物質含量）、轉化率等。,1、被控變量的選擇,單值對應關系：單值對應也叫映射。對于集合A與B， 如果按照某種對應關系f，使A的任何一個元素a，在B 中都有唯一的元素b和它對應，這樣的對應關系 叫做從集合A到集合B的“單值對應”。（一對一）,02:04,被控變量的選擇原則, 被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量。, 被控變量在工藝操作過程中經常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調節(jié)。, 盡量采用直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與

15、直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。,02:04, 選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內儀表產品現狀。, 被控變量應能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。, 被控變量應是獨立可控的。,被控變量的選擇原則,一個好的產品它的生產過程絕不能隨心所欲，必須要按照一定的規(guī)范標準來實施。這一規(guī)范標準就稱之為工藝。,02:04,舉例,精餾工藝,閱讀教材： 1、精餾塔的作用及工作原理？ 2、精餾工藝要求有哪些？ 3、擾動量有哪些？,02:04,從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量 第一，如塔壓波動，就會破壞原來的氣液平衡，影響相對揮發(fā)度，使塔處于不良工況。同時，隨著塔壓的變化，往往還會引

16、起與之相關的其他物料量的變化，影響塔的物料平衡，引起負荷的波動。經濟性。 第二，在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應關系。,02:04,合成氨,氨合成塔中，N2與H2氣體在催化劑（鐵觸媒(以鐵為主，混合的催化劑)）作用下合成 NH3。（放熱反應） 成分：滯后大，成本高，不宜作為被控變量。（直接變量） 溫度：單值對應關系，間接反映合成率。（間接變量）,02:04,操縱變量,1、定義 用來克服擾動對被控變量的影響、實現控制作用的變量稱為操縱變量。 操縱變量是執(zhí)行器的輸出。,操縱變量對被控變量影響顯著且可控性好。,最常見的操縱

17、變量是介質的流量。,02:04,U表示操縱變量，F表示擾動，Y表示被控變量 被控對象的輸入輸出關系如下圖：,擾動與操縱變量同時影響被控變量,02:04,1、通道：某個參數影響另一個參數的通路。 2、擾動通道：擾動影響被控變量的通路。 3、控制通道：控制變量影響被控變量的通路。,4、擾動作用與控制作用之間的關系？,相互對立而依存,控制作用抑制擾動的影響，沒有擾動就無須控制,02:04,操縱變量的選擇的原則,1、可控，變化范圍是生產允許的。 2、對被控變量影響最大。 3、工藝的合理性，生產的經濟性。 注意：不宜選生產負荷作為操縱變量，以免 產量受到波動。,02:04,舉例,把乳化物制作成干燥顆粒

18、,被控變量？,可選擇的操縱變量？,溫度,乳化物的流量 空氣流量 蒸汽流量,操縱變量？,空氣流量,02:04,參數整定：,對于PID控制規(guī)律，比例度、積分時間TI和微分時間TD大小決定比例、積分、微分控制的強弱和控制的品質。,穩(wěn) 準 快,02:04,理論計算的方法和工程整定法,比例度、積分時間TI和微分時間TD的確定方法：,理論計算的法：數學模型已經準確確定，復雜,工程整定法,,Oh no！,02:04,工程整定法,（1）經驗湊試法,（2）臨界比例度法,（3）衰減曲線法,02:04,（1）經驗湊試法,規(guī)定順序，對比例度、積分時間TI和微分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。,02:04

19、,整定的步驟,1.先在表10-1中選用一個較大的比例度，用純比例作用 進行湊試。通過改變給定值施加干擾（一般給定值的變 化不超過給定值的5%），觀察被控變量的過渡過程是否 出現4:1衰減曲線。經過反復改變進行湊試，直到過渡 過程符合要求為止。 2.將比例度適當增加10%20%，再根據表10-1中積分范 圍值選取一個積分時間，加入給定值干擾，觀察曲線過 渡過程。通過對積分時間進行反復湊試，直到出現滿意的曲線。 3.如系統(tǒng)需要加入微分控制，可取TD(1/31/4)TI，然后 適當減小和TI，通過反復改變微分時間進行湊試。直至 滿足工藝要求為止。,理想曲線兩個波，前高后低4比1,02:04,（2）臨

20、界比例度法,在純比例作用下，先通過反復試湊得到臨界振蕩過渡過程，記錄下曲線的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk，然后根據經驗數據表求出控制器各參數值。,,,02:04,表 臨界振蕩曲線法控制器參數經驗數據表 （4：1衰減比）,適當微調參數，達到理想的過渡過程曲線,理想曲線兩個波，前高后低4比1,02:04,（3）衰減曲線法,1、先將控制器變?yōu)榧儽壤饔茫⒈壤阮A置在較大的數值上（一般為100%）。在達到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后減小比例度，直至出現41或10 1衰減比為止。記錄下此時的比例度s 和衰減周期TS 。,適當微調參數，達到理想的

21、過渡過程曲線,理想曲線兩個波，前高后低4比1,02:04,簡單控制系統(tǒng)的投運,控制系統(tǒng)投運通過適當的方法使控制器從手動工作狀態(tài)平穩(wěn)地轉到自動工作狀態(tài)。,02:04,手動,控制器,自動,調節(jié)閥,手動輸出,自動輸出,手動輸出,自動輸出,If,,,擾動、破壞系統(tǒng)原本的平衡,NO！,02:04,投運前的準備工作（檢查）： 1. 熟悉工藝要求、控制指標，了解各工藝變量間的關系。 2. 系統(tǒng)各組成部件（控制器、執(zhí)行器、測量變送裝置安裝的位置）、管線走向要清楚。 3. 氣源、電源、管路進行全面檢查，保證處于正常狀態(tài)。 4. 調節(jié)閥的氣開、氣關形式，設置好控制器正反作用和PID參數。 5. 進行聯(lián)動試驗。,變

22、送器輸入端施加信號，觀察顯示儀表、控制器、 調節(jié)閥是否正常工作。,02:04,系統(tǒng)的投運：,系統(tǒng)投運主要完成控制器和執(zhí)行器（調節(jié)閥）的投運,,,將控制器置于“手動”位置， 關閉截止閥1和閥2。 手動操作旁路閥3直至工況穩(wěn)定， 轉入手動遙控。,02:04,待被控變量穩(wěn)定并接近設定值時， 將控制器從“手動”切換到“自動”。,用控制器的手操電路進行遙控。 控制器處于手動狀態(tài)。,將閥1全開，然后慢慢開大閥2,并關小閥3，同時調整氣壓P， 逐步增大通過調節(jié)閥的流量。,保持操縱變量的穩(wěn)定以保證控制量的基本不變。直到截止閥2全開旁路閥3全關為止。,自動控制不代表過渡過程滿足要求，接下來調整PID參數。,02:04,如果記錄曲線突變，記錄指針在最大或最小位置時，故障多半出自儀表。（因為工藝參數一般是緩慢變化的，并且有一定規(guī)律性。） 如果記錄曲線呈直線不變，或者記錄曲線原來是波動的，突然變成一條直線。也可判斷故障一般出自儀表，因為工藝參數一般會變化。 （可以人為改變某一參數，觀察一下被控變量的變化情況，如果仍舊不變，可判斷儀表出了故障。） 如果記錄曲線一直正常波動，但記錄曲線逐步變得無規(guī)則，或者系統(tǒng)慢慢變得難以控制，甚至手動控制也難以實現。此類故障一般出自工藝故障。,常見故障,教材P188,