[过程控制系统与仪表]第6章-简单控制系统课件.ppt

1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.1简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的阀和一个对象所构成的单闭环控制系统单闭环控制系统。第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统的设计与参数整定的设计与参数整定TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC TT仪表符号标准仪表符号标准过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统原理方框图控制

2、系统原理方框图给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC控制系统工艺流程图控制系统工艺流程图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l单回路过程控制系统示例 换热器温度控制系统被控参数l物料出口温度控制参数l加热剂流量载热体载热体冷流体冷流体换热器换热器温度控制系统温度控制系统过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l单回路过程控制系统示例 水泵压力控制系统被控参数l水泵出口压力控制参数l回流量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l单回路过程

3、控制系统示例 贮罐液位控制系统被控参数l贮罐液位控制参数l出口流量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章精馏塔工艺流程图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2简单控制系统设计简单控制系统设计1.1.过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。安全性、稳定性和经济性三个方面。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l安全性通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。安全性是指在整个生产过程中，确保人员设备的安全，并兼顾环境

4、卫生、生态平衡等社会安全性要求，这是最重要也是最基本的要求。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l稳定性稳定性是过程可控的前提，它指过程在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。依据自动控制理论，这就要求系统除了满足绝对稳定性外，还必须具有适当的稳定裕量；其次要求系统具有良好的动态响应特性（过渡过程时间短，稳态误差小等）。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l经济性通过采用先进的控制手段对生产子过程乃至整个过程进行优化控制是满足工业生产对经济性不断高涨的要求的重要途径。经济性是指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效

5、益。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l2.过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 l 过程控制系统设计包括控制系统方案过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。调节器参数整定等四个主要内容。l 其中控制方案设计是控制系统设计的其中控制方案设计是控制系统设计的核心。核心。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(1)控制方案设计控制方案设计是系统设计的核心。若控制方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过

6、程中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(2)工程设计工程设计是在控制方案正确设计的基础上进行的。工程设计包括仪表或计算机系统选型、控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章TI313FIC307FIC308FIC309FIC306TI336TICA302FIQ305TI321FIC313TI318AIC3020.7MpaSTEAMTI325TI326TI327TI328TI340TI341TI339PIC302ATMOSPHERICTOWERRESIDUEHIGHERP

7、RESSURE GASV1V18 8TI323FIC310ATOMIZEDSTEAMOFFGASFROMVACUUMTOWERHEATCARRIERTI366TI319TI324AIRFROMAIC302FUEL OILTO VACUUMTOWERHEAT CARRIER兰州炼油厂常减压蒸馏装置图名减压塔加热炉日期1999.3.18过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(3)工程安装和仪表调校过程控制系统的正确安装是保证系统正常运行的前提。系统安装完，还要对每台仪表（计算机系统的每个环节）进行单校和对各个控制回路进行联校。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(4)控制

8、器参数整定在控制方案设计正确的前提下，控制器参数整定是系统运行在最佳状态的重要保证，是过程控制系统设计的重要环节之一。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3.过程控制系统设计的步骤过程控制系统设计的步骤过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(1).建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型是过程控制系统设计的第一步。在过程控制系统设计中，首先要解决如何用恰当的数学关系式（或方程式）即所谓数学模型来描述被控过程的特性。只有掌握了过程的数学模型（或深入了解了过程特性），才能深入分析过程的特性和选择正确的控制方案。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(2).选

9、择控制方案根据设计任务和技术指标要求，经过调查研究，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技术实施的可行性、简单性，进行反复比较，选择合理的控制方案。过程控制方案初步确定后，还要应用控制理论并借助计算机辅助分析进行系统静态、动态特性的分析计算，判定系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足系统的品质指标要求。最后才能确定过程控制方案。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(3).检测控制仪表及装置选型根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器（控制规律）与执行器（调节阀）等。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l(4).实验和仿真 实验和仿真是检验系统设计正确

10、与否的重要手段。有些在系统设计过程中难以考虑的因素，可以在实验中考虑，同时通过实验可以检验系统设计的正确性，以及系统的性能。若系统性能指标不能令人满意，则必须进行再设计，直到获得满意的结果为止。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2被控参数与控制变量的选择被控参数与控制变量的选择6.2.2.1被控参数的选择被控参数的选择被控变量被控变量生产过程中希望借助自动控制保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。持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达合理选择被控变量，关系到生产

11、工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量键变量作为被控变量-直接参数直接参数过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1 储槽液位控制系统储槽液位控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。就应以储槽液位为被控变量。LC TTh过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2 换热器出口温度控制系统换热器出口温度控制系统工艺要

12、求出口温度为定值。那么设计的控制系工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。统就应以出口温度为被控变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2、当不能用直接、当不能用直接工艺工艺参数作为被控变量时，应选择与直接参数作为被控变量时，应选择与直接工艺工艺参数有单值函数关系的间接参数有单值函数关系的间接工艺工艺参数作为被控变量。参数作为被控变量。-间接参数间接参数例例3 化工的精馏物纯化工的精馏物纯度控制系统度控制系统精馏工艺是利用被分精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度离物中各组分的挥发温

13、度不同，将各组分分离。不同，将各组分分离。如图将苯如图将苯甲苯混合甲苯混合液进行分离。液进行分离。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 该精馏塔的工艺该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔要求是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定的底）馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的纯度。按照被控变量的选择原则选择原则1，塔顶（或，塔顶（或塔底）馏出物的组分应塔底）馏出物的组分应作为被控变量。作为被控变量。但是，没有合适但是，没有合适的仪表在线检测的仪表在线检测馏出物馏出物的纯度的纯度，则不能直接作，则不能直接作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与

14、仪表过程控制系统与仪表 第第6章章只好在与馏出物的只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺参数中，找出合适的变参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行量作为被控变量，进行间接参数控制。间接参数控制。经工艺分析发现，经工艺分析发现，塔内压力和塔内温度都塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变验，选出一个合适的变量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章间接控制参数的确定间接控制参数的确定经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与

15、压力和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3 3、被控变量必须有足够大的灵敏度、被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。被控变量必须灵敏，容易被测量。4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控变量。上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控

16、变量。上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采用简单控制系统，统，会相互干扰，存在关联。因此，若采用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。特别说明：被控参数一特别说明：被控参数一般由工艺工程师确定，控制般由工艺工程师确定，控制工程师无多大选择余地。工程师无多大选择余地。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2.2控制变量选择控制变量选择把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制把用来克服干扰对被控变量的影响，实现

17、控制作用的变量称为作用的变量称为控制变量控制变量或或操纵变量操纵变量。最常见的操。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。纵变量的。LC TTh过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制变量的确定控制变量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。可控的，有些是不可控的。q在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且

18、便于控制的变量，作为控制变量；变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；q其它未被选中的因素则视为系统的干扰。其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量被控变量影响变量影响变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章一阶被控过程控制通道的动态方程为：一阶被控过程控制通道的动态方程为：一阶被控过程扰动通道的动态方程为：一阶被控过程扰动通道的动态方程为：()()()ood c tc tq tdtTK()()()ffd c tc tf tdtTK0()q t有纯滞后有纯滞后过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章其中：其中：,o 、f 分别为控制通道、分别为控制通道、扰动通道的时

19、间常数扰动通道的时间常数、放大系数和放大系数和纯滞后纯滞后.-过程特性参数过程特性参数,ofofT TKK过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对象特性对象特性(Kf、K0、Tf、To、f、o)对控制品质影响对控制品质影响的分析：的分析：1过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s)控制器的传递函数；控制器的传递函数；Go(s)广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s)扰动通道的传递函数。扰动通道的传递函数。Gc(s

20、)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 被控参数被控参数y(t)受到设定信号受到设定信号x(t)和干扰信号和干扰信号f(t)的的共同影响：共同影响：000()()()()X()()1()()1()()fcccGsGs GsY ssFsGs GsGs Gs干扰通道干扰通道控制通道控制通道 Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：)()()(sYsXsE将将 可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一

21、样的。将分母是一样的。将Gc(s)、Go(s)代入：代入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000()()()()X()()1()()1()()fcccGsGs GsY ssFsGs GsGs Gs 1sTKsWKsW1sTKsWfffcc00o过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)()1()1)(1()1()

22、()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+=+=vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小；vK0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的闭环稳定性越低。系统的闭环稳定性越低。vKf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用越强，稳态误差越大。故应选放大系数大的变量作为控制变量。故应选放大系数大的变量作为控制变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l被控量Y（s）对扰动F（s）的闭环传递函数为 1sTKK1sT1sTK1sTsFsYfcofofo过程控制系

23、统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l由于系统是稳定的，所以在阶跃扰动作用下，系统稳态值可应用终值定理求得l过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。coffc0foof0stKK1K1sTKK1sT1sTs1sTKslimtYlimY过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l扰动通道静态放大系数Kf愈大，则系统的稳态误差也愈大，这表示在相同的阶跃扰动作用下，将使被控参数偏离给定值愈大，显著地降低控制质量。l控制通道的静态放大系数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，控制效果愈显著。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l仿真结果：K

24、f从0.51.5，曲线从蓝色到黑色过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l仿真结果：Ko从1.50.5，曲线从黑色到蓝色过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l结论1:小结小结：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希望适当大适当大些，以使控制通道灵敏些。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（通道）动态特性对控制品质的影响1）干扰通道动态特性对控制品质的影响）干扰通道动态特性对控制品质的影响 f()(1)Y(s)()()1()()(1)(1)

25、(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s干扰通道的惯性因子（干扰通道的惯性因子（Tf s+1）使干扰作用）使干扰作用的的影响缓慢。影响缓慢。vTf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。有利于控制。f()(1)Y(s)()()1()()(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l因为Wf（s）为一个一阶惯性环节，它对扰动F（s）起着滤波作用，抑制扰动对被控参数的影响。l扰动通道的时间常

26、数Tf愈大，容积愈多，则扰动对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l仿真结果：Tf从2s10s，曲线从蓝色到黑色过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 因为，因为，f 使干扰对被使干扰对被控变量的影响推迟了控变量的影响推迟了f 时间时间，则控制作用也推迟则控制作用也推迟f 时间时间，整个过渡过程曲线也推迟整个过渡过程曲线也推迟时间时间f，但控制品质未变。但控制品质未变。v干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f不影响控制质量。不影响控制质量。f()(1)Y(s)()()1()()(1)(1)(1)ff ocoofo c fGsKT sFsFsG

27、sGsT s Ts K KTs 含有含有e f s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l仿真结果：f从2s10s，曲线从蓝色到红色过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l扰动引入系统的位扰动引入系统的位置不同，对被控参置不同，对被控参数的影响也不同。数的影响也不同。l如图所示串联工作如图所示串联工作的的3个水箱，为了个水箱，为了实现实现3#水箱水位不水箱水位不变，设计图示的控变，设计图示的控制系统。其中扰动制系统。其中扰动f1、f2、f3由三处分由三处分别引入系统。别引入系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：例：某控制系统中，干扰某控制系统中，干扰f1

28、、f2、f3分别在三个分别在三个位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y()()1()()csF sGs Gs0201012100G()G(s)()()()1()()1()()ccsGsFsF sGs GsGs Gs过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 f1(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大快；当控制作用见效时，被调参数

29、已经变化较大造成动态偏差较大。造成动态偏差较大。所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。远，干扰对被控参数影响越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l干扰进入系统的位置离被控变量检测点越干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则远，则Tf 越大，控制时最大偏差越小。越大，控制时最大偏差越小。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l结论2:l过程的过程的干扰通道干扰通道时间常数时间常数Tf

30、越大越好越大越好，相相当于对扰动信号进行滤波当于对扰动信号进行滤波。l干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f不影响控制质量不影响控制质量.l干扰进入系统的位置离被控变量检测点越干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则远，则Tf 越大，控制时最大偏差越小。越大，控制时最大偏差越小。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l系统控制性能评价指标-Kmaxcl控制系统处于稳定边界下的放大系数，称为临界放大系数，用Kmax表示。相应的振荡频率，称为临界振荡频率，用c表示。l控制系统的临界放大系数Kmax，临界振荡频率c，以及它们的乘积Kmaxc可在一定程度上代表了被控过程的控制性能，并为研究控制通道

31、动态特性（即时间常数和时延）对系统控制质量的影响提供了方便。lKmaxc称为可控性指标。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章返回过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l不同被控过程的Kmax、c与KmaxcKmax7.9423.1987.9422.512c1.720.730.350.9Kmaxc13.662.3342.782.2631s151s131s513s1se过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章lKmax越大，可选放大系数K越大，从而系统稳态误差越小；c越大，可选系统工作频率越大，过渡过程越快。l控制通道中时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将使过程的Km

32、ax与c值变小，从而使控制性能变差。l应选择时间常数较小，纯滞后小的通道作为控制通道。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l控制通道时间常数To的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。l若控制通道时间常数To太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降。l若控制通道时间常数To太小，虽控制作用强，控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定性下降，亦不能保证控制质量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l仿真结果：To从5s12s，曲线从蓝色到黑色过程控制系统与仪

33、表过程控制系统与仪表 第第6章章l在系统设计时，要求控制通道时间常数To适当小一点，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l控制通道的时间滞后包括纯滞后o和容量滞后c两种。它们对控制质量的影响不利，尤其是o影响最不利。l在图示系统中，设被控过程纯滞后o0，即 1sTKsWooo ccKsW过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l系统开环传递函数为l根据奈氏判据，无论系统开环放大系数KcKo为多大，闭环系统总是稳定的，其频率特性如图所示。1sTKKsWsWsWoocock过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l若上述系统中，纯滞

34、后o0，即l则系统开环传递函数为l由于存在o，将使相角滞后增加o弧度。sooooe1sTKsW ccKsW soocockoe1sTKKsWsWsW过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l当o0时，随着KcKo的增大，Wk（j）有可能包围（1，j0）点。当o值愈大时，则这种可能将愈大。可见，纯滞后o的存在将降低系统的稳定性。l当控制通道存在纯滞后时，控制器的校正作用将要滞后一个时间o，从而使超调量增加，使被控参数的最大偏差增大，引起系统动态指标下降。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l控制通道的容量滞后c同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降。但是c的影响比纯滞后o对

35、系统的影响缓和。l若引入微分作用，对于克服c对控制质量的影响有显著的效果。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l仿真结果：o从0.5s4s，曲线从蓝色到黑色过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章结论3:控制通道时间常数控制通道时间常数T0 小一些好。表明控制变量小一些好。表明控制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。对被控变量的影响迅速，有利于控制。控制通道纯滞后控制通道纯滞后0越小越好。越小越好。0会使控制时间会使控制时间延长、最大偏差增大。延长、最大偏差增大。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l控制系统的开环传递函数（包括控制器、调节阀、被控过程以及测量

36、变送器）大多可表示为多个一阶环节的串联。l设某系统的开环传递函数为l其中T110s，T25s，T32s。l若每次改变其中一个或两个时间常数，可求得一组Kmax、c、Kmaxc值。1111321sTsTsTsWsWsWsWvmoc过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章T1T2T3KmaxcKmaxc原始数据105212.60.415.2减小T15529.80.494.8减小T2102.5213.50.547.3减小T3105119.80.5711.2增大T1205219.20.377.1减小T2、T3102.5119.30.7414.2过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l

37、减小过程中最大的时间常数T1，反而引起控制质量下降；l增大最大时间常数T1，虽c略有下降，但Kmax增大，有助于提高控制指标；l减小T2或T3都能提高控制性能指标，若同时减小T2、T3，则提高性能指标的效果更好。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l在选择控制通道，以及选择调节阀、测量变送器和设计控制器时，使开环传递函数中（包括控制器、调节阀、被控过程以及测量变送器）的几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l若过程本身存在多个时间常数，则最大的时间常数往往涉及生产设

38、备的核心，不能轻易改动。但是减小第二、第三个时间常数是比较容易实现的。l结论4:l将几个时间常数错开的原则可以用来指导选择过程的控制通道。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l1.控制通道的放大系数要适当大一些；时间常数到要适当小一些；纯滞后o愈小愈好。l2.在有纯滞后o的情况下，o和To之比应小一些，且小于1，若其比值过大，则不利于控制。l3.扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置（指框图中的位置）要靠近调节阀。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l4.当过程本身存在多个时间常数，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一

39、个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。l5.控制器、调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1中，影响储槽液位的主要因素有：液体流中，影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和。这两个变量影响力相当，显然，液体流出入量和。这两个变量影响力相当，显然，液体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。量可控。故选液体流出量作为控制变量。LC TThQiQo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2中，影响出口中，影响出口温度温度的主要因素有：载热介的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物

40、料温度、冷物料流量质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量等等。显然，。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量作为控制变量。载热介质流量作为控制变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TCQrQiTiTr过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例3中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度T灵灵的因的因素主要有：素主要有：TT进料的流量（进料的流量（Q入入）、）、进料的成分（进料的成分（x入入）、）

41、、进料的温度（进料的温度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的温度（回流的温度（T回回），），加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷却温度等。冷凝器冷却温度等。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素其它基本为不可控因素 TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1、蒸汽流量对提馏、蒸汽流量对提馏段温度影响比回流量段温度影响比回流量对提馏段温度影响更对提馏段温度影响更迅速、更显著。迅速、更显

42、著。2、从节能角度来讲，、从节能角度来讲，控制蒸汽流量比控制控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要回流量消耗的能量要小。小。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：因为：TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3检测环节、执行器及调节器正负作用选择检测环节、执行器及调节器正负作用选择 6.2.3.1传感器、变送器选择传感器、变送器选择1按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。送器合适的测量范围（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽

43、可能选测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。择时间常数小的传感器、变送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 选择快速测量元件选择快速测量元件。正确选择测量元件的安装位置正确选择测量元件的安装位置。在自动控制系统中，以。在自动控制系统中，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迅速

44、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。减小纯滞后。正确使用微分器。正确使用微分器。正确使用微分器，合理引入微分特性正确使用微分器，合理引入微分特性的超前作用，对克服测量滞后，改善控制质量是一种有效的超前作用，对克服测量滞后，改善控制质量是一种有效的方法。的方法。(TdS+1)KmTmS+1Y(S)Z(S)U(S)测量、变送装置与微分器连接示意图测量、变送装置与微分器连接示意图)()1(1)(SYSTSTKSUdmm过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3合理选

45、择检测点，避免测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制系统图 pHT LT LC pHC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽l04测量信号的处理测量信号的处理 测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。量信号的线性化处理。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 6.2.3.2执行器的选择执行器的选择 1调节阀工作区间的选择调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。间。据此原则计算、确定控制阀的口

46、径尺寸。2调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。按补偿对象特性的原则选取。3调节阀的气开、气关作用方式选择调节阀的气开、气关作用方式选择 按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。确定。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3.3调节器正反作用的选择调节器正反作用的选择负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确变量值回复到给定值。为了保证

47、负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。选择调节器的正反作用。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统中，各个环节的作用方向组合不当控制系统中，各个环节的作用方向组合不当的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，反而会破坏生产过程的稳定。反而会破坏生产过程的稳定。因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。偏差

48、偏差控制器控制器Kc执行器执行器Kv对象对象Ko变送器变送器Km给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测量值测量值正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l闭环系统的传递函数 sGsGsGsG1sGsGsGsRsYmpvcpvc过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l控制器有正作用和反作用两种方式，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。l根据负反馈准则，要求控制系统开环总静态放大系数为正。l单回路由被控过程、检测变送装置、执行器和控制器组成，要构成负反馈，则要求KoKmKvKc0。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章

49、l组成控制系统的各环节静态放大系数的正负由该环节输入输出之间的关系确定。当环节的输入增大时，其输出也增大，则该环节为正作用，它的静态放大系数为正。当环节的输入增大时，输出减小，则该环节为反作用，它的静态放大系数为负。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l开环总静态放大系数是各组成环节的放大系数之积。因而，控制器正、反作用的确定与被控过程、检测变送装置、执行器的作用方式有关。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l被控过程的正、反作用当被控过程的输入增大时，其输出亦增大，此时称此被控过程为正作用。正作用过程的静态放大系数Ko0。当被控过程的输入增大时，其输出减小，此时称此被

50、控过程反作用。反作用过程的静态放大系数Ko0。注意：被控过程的输入是指控制参数，即通过调节阀的物料或能源的流量，输出是被控参数。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l调节阀的正、反作用气开式调节阀的输入信号增大时，其开度增大，调节阀的物料或能源的流量（控制参数）也增大，因此气开式调节阀为正作用，静态放大系数Kv0。气关式调节阀的输入信号增大时，其开度减小，调节阀的物料或能源的流量（控制参数）也减小，因此气关式调节阀为反作用，静态放大系数Kv0。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l检测变送装置的正、反作用检测变送装置的输入是被控参数，输出是测量值。大多数检测变送装置的输