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第四章 单回路控制系统


第四章 单回路控制系统

本章主要内容
① 单回路控制系统的基本原理 ② 单回路控制系统主要应用范围 ③ 单回路控制系统设计要点

基本要求
① ② ③ ④

掌握单回路控制系统的基本原理 掌握单回路控制系统的适用范围 掌握单回路控制系统方案的设计方法 掌握单回路控制系统调节器的参数整 定方法

4.1 概述
4.1.1 单回路控制系统的组成及性能
① 液体储罐单回路控制系统示意图 ②
a.

单回路控制系统基本特征:
该系统中只有一个被控参数; 一个控制器;一个检测元件及 变送器;一个执行器。
b.

该控制系统只有一个输入信号 和一个输出信号,与过程中的

1-检测元件、变送器;2-液位控制器; 3-调节阀

其它参数没有或极少关联。


a. b. c. d.

单回路控制系统适用范围:
工艺对被控参数的控制质量要求不高; 过程中的负荷及其它干扰变化比较平缓; 被控过程的纯滞后及容量滞后不十分明显; 在上述情况下,综合考虑系统成本因素。

4.1 概述
4.1.2 单回路控制系统的基本原理
① 单回路控制系统原理方框图

_

Wc ( s ) :控制器;

X ( s ), Z ( s ), E ( s ) :设定值,测量值,偏差;
U ( s ) :控制作用; Q ( s ) :控制参数(操纵量);

Wv (s)
Wo (s) Wm (s)

:执行器(调节阀等); :被控对象; :检测及变送装置;

F ( s), Y ( s ) :扰动,被控参数;

图中:1、控制系统的各组成环节及系统参数均以传递函数表示; 2、箭头表示各方框之间的信号传递方向,不表示物料传输方向;

4.1 概述
4.1.2 单回路控制系统的基本原理
② 单回路控制系统输入输出关系数学描述

由控制理论可知,闭环系统的输出与输入的关系式为: W f ( s) Wc ( s )Wv ( s )Wo ( s ) Y ( s) ? X (s) ? F (s) 1 ? Wc ( s )Wv ( s)Wo ( s )W m ( s ) 1 ? Wc ( s )Wv ( s )Wo ( s )W m ( s ) 其中 Wf (s) 为扰动通道的传递函数 上述关系式右侧: 第一项为设定值X(S)的变化对被控量Y(S)的影响; 第二项为扰动量F(S)的变化对被控量Y(S)的影响。

4.1 概述
4.1.3 控制系统设计的基本内容

① 方案设计:主要包括被控参数和控制参数选择与确认,检测点的初步选择及
系统组成,调节器正/反作用方式的确定及其控制规律的选取,调节阀的选 择,绘制出带控制点的工艺流程图,编写控制方案设计说明书等。

② 工程设计:基于控制方案进行仪表和控制装置选型及图表绘制,设计控制室、
供电供气系统、仪表配管和配线及联锁保护系统等。工程设计总体可以分为 初步设计和施工图设计两个阶段;

③ 工程安装与仪表的调校: ④ 控制器参数整定:目的是使控制器特性与对象特性相匹配,使被控参数的变
化满足工艺指标要求。 方案设计和调节器参数整定是系统设计的两个核心研究内容。

4.2 被控参数与控制参数的选择
4.2.1 被控参数的选择
① 选择被控参数的基本要求及方法
a. 被控参数:在生产过程中需要进行自动控制的工艺参数。 b. 被控参数的选择和基本要求: ? 基于生产工艺技术指标和生产安全运行的要求,选择生产过程 中相对关键的变量作为被控参数; ? 该变量要能够很好地反映生产过程中工艺状态的变化; ? 该变量要能测能控,且对控制作用的反应具有足够的灵敏度。
c. 选择被控参数的基本方法: ? ? ? 对于那些以温度、压力、流量、液位作为操作指标的生产过程,可直接 选择温度、压力、流量、液位作为被控参数; 对于那些以产品质量作为操作指标的生产过程,只要测量装置能供满足 控制要求,也应该直接选择质量参数作为被控参数; 若工艺确定的被控参数无法直接测量(或信号微弱、测量滞后太大), 可以选用与直接参数有单值函数关系、具有足够大的灵敏度反映直接参 数变化的、可以直接测量的间接参数作为被控参数。

4.2 被控参数与控制参数的选择
4.2.1 被控参数的选择
② 选择被控参数_事例
a. 在控制锅炉蒸汽质量的生产过程中,可供选择的被控参数有如下三种方案: ? ? ? b. 蒸汽压力P和温度T皆为被控变量; 蒸汽温度T为被控变量; 蒸汽压力P为被控变量。

相关工艺的专业知识:根据物理化学中的相律关系,蒸汽质量控制的自由 度计算公式为: F=C-P+2 式中,F为自由度;C为组分数;P为相数。

c. 蒸汽质量要求(工艺控制要求): ? 饱和蒸汽:其实质上存在气液两相(P=2),而组分皆为水( C=1),故 自由度F=1,即独立变量只有一个,被控变量只能选择压力或温度中之一。 过热蒸气:蒸气在过热状态下只存在一个气相(P=1),故自由度F=2, 因此可以把压力P和温度T都选为被控变量。

?

4.2 被控参数与控制参数的选择
4.2.1 被控参数的选择
② 选择被控参数_事例
a.

控制饱和蒸汽的供汽质量时,可以选饱和蒸汽压力为被控参数。其与燃 料量构成的控制系统解决蒸汽负荷变化与燃料波动对蒸汽质量的影响。

b.
?

控制过热蒸气的供汽质量时,选过热蒸气压力和温度作为被控参数。 必要性:过热蒸气温度过高,过热器易损坏,汽轮机内部过度的热膨 胀,影响运行安全;过热蒸气温度过低,设备效率降低,汽轮机后级 蒸汽湿度增加,引起叶片磨损。蒸气压力控制是克服蒸气负荷或燃料 状况波动影响过热蒸气温度稳定的有效手段。
?

可行性:过热蒸气温度可测,且可以通过控制减温器的喷水量,控制 过热蒸汽温度。过热蒸气压力可测,且可以通过控制锅炉燃料量或汽 轮机进汽阀开度,控制过热蒸汽压力。

4.2 被控参数与控制参数的选择
4.2.2 控制参数的选择
① 选择控制参数的基本要求和方法
a. 控制参数(操纵量) :可以通过执行器进行调整、且能够克服扰动对被 控参数影响的工艺参数。 b. 对控制参数的定性要求: ? ? 可控性:工艺上能够实现对其控制,且工艺上允许对其进行控制; 静态特性:对被控参数的调整能力,控制通道比扰动通道具有更强 的作用(K0 > Kf); ? 动态特性:被控参数对控制通道的动态响应比扰动通道快(T0<Tf)。

c. 选择控制参数的定量分析的基本思路:
基于控制通道和扰动通道的过程参数(K、T、?)对系统品质影响的计算 结果,对比分析静态特性和动态特性。

4.2 被控参数与控制参数的选择
4.2.2 控制参数的选择
② 过程静态特性对控制质量的影响
过程静态特性由过程放大系数k表征,k反映了过程输出对输入的稳态关系。 设:控制器采用纯比例控制作用,被控对象和扰动通道分别为一阶惯性环节。
W (s) ? K c W o (s) ? W f (s) ? Ko To s ? 1 K
f

扰动通道传函 被控对象传函 调节器传函

F (s)

W f (s )

Tf s ?1 1 s 1 X (s) ? s F (s) ?

定值系统: 随动系统:

X (s)+ E (s)
-

W (s)

U (s)

Wo ( s)

+

+ Y (s)

Z (s)
单回路控制系统结构框图

4.2 被控参数与控制参数的选择
4.2.2 控制参数的选择
② 过程静态特性对控制质量的影响
定值系统—过程静态特性对系统静差的影响: 定值系统输入输出关系为:

W f (s) K f (To S ? 1) Y ( s) 闭环传函为: ? ? ; F ( s ) 1 ? W ( s )Wo ( s ) [(To S ? 1) ? K c K o ](T f S ? 1) 系统静差为: y (? ) ? lim y (t ) ? lim s
t ?? s?0

W f (s) s[1 ? W ( s )Wo ( s )]

?

Kf 1? Kc Ko

?

Kf 1? K



结论1 :扰动增益 K f 愈大,系统偏差愈大; 控制通道增益 K 0 愈大,抑制干扰作用愈 强。

4.2 被控参数与控制参数的选择
4.2.2 控制参数的选择
② 过程静态特性对控制质量的影响
随动系统—过程静态特性对系统静差的影响: 随动系统输入输出关系为:

W ( s )Wo ( s ) Kc K0 Y ( s) 闭环传函为: ? ? ; X ( s ) 1 ? W ( s )Wo ( s ) [(To S ? 1) ? K c K o ] 1 Kc K0 系统偏差为: E ( s ) ? X ( s ) ? Y ( s ) ? ? s s[(To S ? 1) ? K c K o ] 系统静差为: E (?) ? lim E (t ) ? lim s
t ?? s ?0

To S ? 1 1 1 ? ? s[(To S ? 1) ? K c K o ] 1 ? K c K o 1 ? K

结论 2:在?、T相同的条件下,控制通 道增益K 0 愈大,系统的跟随特性 愈好。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
a. 扰动通道_时间常数 T f 的影响:

F ( s)

Kf Tf s ?1

Y (s)

一阶惯性环节的扰动通道为一个一阶滤波器,其时间常数 T f 愈大,则滤 波能力愈强,扰动 F ( s )对被控参数 Y ( s ) 的影响愈平缓,克服这种扰动的影响就 越容易。

结论3:扰动通道的时间常数越大越好。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
b. 扰动通道_纯滞后时间? f 的影响:
当扰动通道有纯滞后时,在扰动作用下的闭环传递函数为:

Y ( s) ? F ( s) 1 ? W ( s )Wo ( s)
当扰动通道无纯滞后时,在扰动作用下的闭环传递函数为:

W f ( s )e

?? f s

W f ( s) Y ?( s) ? F ( s) 1 ? W ( s)Wo ( s)
则:

Y ( s ) ? Y ?( s )e

?? f s

y (t ) ? y?(t ? ? f )

扰动通道的纯滞后时间并不改变系统的控制质量,它仅使扰动对被 控参数的影响迁移了一个纯滞后时间。

结论4:扰动通道的纯滞后时间对控制质量无影响。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
c. 扰动通道_扰动作用点位置对控制质量的影响: 图中的扰动通道1是由 三个一阶惯性环节组 成;扰动通道2是由两 个一阶惯性环节组成; 扰动通道3是由一个一 阶惯性环节组成。
F1 (s) X (s) ? F2 (s) Wo2 (s) F3 (s) Wo3 (s) Y (s)
3#
2#

f1

1#

f2

LC

f3 LT

W (s)

Wv (s)

Wo1 (s)

Wm (s)

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
c. 扰动通道动态特性_扰动作用点位置对控制质量的影响:

F1 ( s ) X (s) ? -

F2 ( s ) Wo 2 ( s )

F3 ( s ) Wo3 ( s ) Y (s)

W ( s)

Wv ( s )

Wo1 ( s )

Wm ( s)

结论5:扰动通道的作用点离被控参数越远越好、扰动通道阻力环节 越多越好(容量滞后越大越好)。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
d. 控制通道动态特性的影响_可控性指标分析方法
分析1:在设计过程控制系统时,对同一被控参数,往往有多个变量可以作为 控制参数选择。由于选择的变量不同,控制的难易程度也不同。即“过程可控 性”存在差异。 分析2:决定控制系统品质的因素大体可归结为系统增益 K 和振荡频率 ? ,即 K 愈大,则系统余差愈小;而 ? 愈大,则过渡过程进行得愈快。系统增益和振荡 频率的大小主要决定于该系统的最大增益 K max 和临界频率 ? c (即在纯比例作 用时,系统处于稳定边界下的增益和振荡频率)。

定义:最大增益和临界频率反映了过程的动态特性,在一定程度上代表 了被控过程的控制性能。所以 K max ? c 被称为衡量过程控制难易程度的指 标,即可控性指标。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
e. 控制通道动态特性的影响_可控性指标的应用
应用1:对不同的被控过程,在采用相同模式调节器的情况下,要比较它 们的可控性,可在相同扰动作用下,将调节器参数整定到最佳。在最
K 和 ? 是不同的。对此,可以根据已知的广义对 佳整定的情况下,

象频率特性,应用可控性指标 K max ? c 比较其工作性能。
应用2:对同一被控过程,在采用不同模式的调节器情况下,要比较它们的 可控性,可在相同扰动作用下,将调节器参数整定到最佳。在最佳整定
K 和 ? 是不同的。对此,可以根据已知的广义对象频率特 的情况下,

性,应用可控性指标 K max ? c 比较其工作性能。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
f. 控制通道_时间常数 T0对控制品质的影响: ? 若控制通道的时间常数太大,则控制作用太弱,被控参数对控制参 数的响应迟钝,过渡过程时间太长,控制品质下降。
? 若控制通道的时间常数过小,则被控参数对控制参数的响应过于敏 感,容易引起过渡过程的多次振荡,使被控量难于稳定下来,即

系统稳定性受到影响。

结论6:选择控制参数,应使控制通道的时间常数应适当小一些。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
g. 控制通道动态特性_滞后时间对控制质量的影响
控制通道滞后包括纯滞后 ? o 和容量滞后 ? c 。

它们对控制质量的影响均不利,尤其是? o 的影响最为严重。

纯滞后对系统过渡过程超调的影响:纯滞后 ? o 会使调节器的校正作用滞 后一个纯滞后时间 ? 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。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
f. 控制通道动态特性_滞后时间对控制质量的影响
纯滞后 ? o 对系统稳定性的影响:
W (s) ? K c Wo ( s ) ? Ko To s ? 1

系统开环传递函数为:
WK ( s ) ? W ( s )Wo ( s ) ? Kc Ko To s ? 1
X (s)

当被控过程无纯滞后时,闭环系统是 稳定的。 奈氏判据

W ( s)

Wo ( s)

Y ( s)

-

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
g. 控制通道动态特性_滞后时间对控制质量的影响 当过程具有纯滞后时,系统开环传递函数为:
WK ( s ) ? W ( s )Wo ( s)e ?? 0 s ? K c K o ?? 0 s e To s ? 1

随着 K c K o的增大, W ?( j?) 有可能包围 ( ?1, j 0) 点。 当 ? o 值愈大时,则这种可能性将更大。可见, 纯滞后时间 ? o 的存在将严重影响系统的稳定性。

结论7:控制通道的滞后时间对控制 系统的超调及稳定性等都有严重的影 响,因此,选择控制参数应使控制通 道的滞后时间尽可能的小。

W0 ( s )e ?? 0 s

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
② 过程动态特性对控制质量的影响
h. 控制通道动态特性_过程的时间常数匹配对控制质量的影响
W0 ( s ) ? 1 (T1s ? 1)(T2 s ? 1)(T3 s ? 1)

结论8:在选择控制参数时,使广义过程特性中的几个时间常数数值错 开,减小中间的时间常数。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
③ 选择控制参数的基本原则: a. :扰动通道的放大系数越小越好,控制通道的放大系数适当大即可。 b. :扰动通道的时间常数越大越好。 c. :扰动通道的纯滞后时间对控制质量无影响。 d. :扰动通道的作用点离被控参数越远越好、扰动通道阻力环节越多越 好(容量滞后越大越好)。 e. :控制通道的时间常数应适当小一些。 f. :控制通道的滞后时间对控制系统的超调及稳定性都有严重的影响, 因此,选择控制参数应使控制通道的滞后时间尽可能的小。 g. :广义过程特性中的几个时间常数数值错开,减小中间的时间常数。 h. :注意工艺上的合理性的要求。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
④ 控制参数的选择事例_工艺对象 :
某合成氨厂变换炉(它将一氧化碳 和蒸汽进行反应,变换为氢气和二氧 化碳,为放热反应)自控系统如图所 示,其中炉温是被控参数。 工艺要求: 在变换过程中,要求CO变换率要 高;蒸汽消耗量小;触媒寿命长。 可选控制参数: 冷激料液流量、煤气流量、蒸汽 流量。

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
④ 控制参数的选择事例_静态测试放大系数:
冷激量对反应温度通道 绝对放大系数: K 1 ? 其相对放大系数: K 1' ? 温度变化量 10 ?C ? ? 0 .1 3 冷激量变化量 100 m h

温度变化的百分数 10 / 500 ? ? 0 .8 冷激量变化的百分数 100 / 4000 温度变化量 2 .5 ?C ? ? 0.025 3 煤气量变化量 100 m h

煤气量对反应温度通道 绝对放大系数: K 2 ?
' 其相对放大系数: K 2 ?

温度变化的百分数 2 .5 / 500 ? ? 0.31 煤气量变化的百分数 100 / 6250 温度变化量 14 .5 ?C ? ? 14 .5 蒸汽量变化量 1 t h

蒸汽量对反应温度通道 绝对放大系数: K 3 ?
' 其相对放大系数: K 3 ?

温度变化的百分数 14 .5 / 500 ? ? 0 .48 蒸汽量变化的百分数 1 / 16 .5

4.2 被控参数与控制参数的选择原则
4.2.2 控制参数的选择
④ 控制参数的选择事例_静态测试放大系数分析:
冷激料液流量控制通道放大倍数大,调节能力强;但变换炉温度对冷激 量变化过于敏感,系统稳定性差,故不易选作控制参数。该通道用于开 /停车或手动粗调,平时阀门关闭。 ? 若选煤气量为控制参数,而蒸汽量变化作为主要干扰,则因干扰通道放 大系数较大,对控制指标中的“余差”、和“超调量”调整是不利的。 ? 若选蒸汽量为控制参数,而煤气量的变化为主要干扰,则由于干扰通道 对反应温度的静态影响较小,系统能有效克服干扰对被控制量的影响。 小结:根据上述比较和分析,最终选择蒸汽量作为控制参数。

?

4.3 系统设计中的测量变送问题
① 测量和变送就是被控参数信息的获取和传递问题 a. 原理框图:

b. 输入输出关系式:

y (t ) ? f [c (t ), t ] e ?? m s 在可线性化的情况下, 检测元件及变送器的传 函为:H m ( s ) ? K m Tm s ? 1

c. 测量变送中的时间常数和纯滞后问题:
时间常数:主要是由测量元件本身的特性造成的。如温度测量过程中,由于 热电偶或热电阻自身存在传热阻力和热容,测量值往往滞后于被测温度的实 际变化。 纯滞后:因检测点与检测仪表彼此之间有一定的传输距离,而传输速度有 限,因此产生测量信号的传输滞后。

4.3 系统设计中的测量变送问题
① 测量和变送就是被控参数信息的获取和传递问题 d. 检测环节的时间常数 时间常数的选择: 1. 通常可以采用快速测量元件克服测量滞后; 2、使检测环节、被控对象、执行器三者的时间常数匹 配,即增大最大与次大时间常数的比值。例如,对快 速响应的过程:例如流量、压力对象等,有时需要增 大检测变送环节的时间常数,可以采用并联大容量电 容或气容、串联阻容滤波环节等措施。 对纯滞后时间的考虑: 1. 正确选择检测点,减少传输距离,提高传输速度。 2. 要减少纯滞后与时间常数的比值。
y (t ) z (t ) y (t )

z (t )
t

4.3 系统设计中的测量变送问题
② 测量信号的处理 a. 测量信号的校正: 在被控参数的检测过程中,测量值往往受到其它一些参数的影响,为 了保证测量精度,必须要对测量信号进行校正处理。 例如:气体流量检测时,若检测点的温度或压力与设计之不同,则需要进 行温度和压力的补偿校正。 b. 信号线性化处理: 选用硬件设备处理方法。 例如,对热电偶配用温度变送器;对测流量的 节流 装置,选配开方器。 计算机软件处理方法。例如,用计算机软件程序实现变送器的线性化处 理功能。

4.3 系统设计中的测量变送问题
② 测量信号的处理 c. 测量信号的噪声滤波:

? 低通滤波:对高频的随机噪声或呈周期性的脉动信号进行处理, 提高控制系统的稳定性; ? 高通滤波法:对低频干扰信号进行处理,隔断直流分量、减小零 漂,提高检测信号准确性; ? 信号滤波包括模拟和数字两种方式,尽管数字滤波效果不一定优 于模拟滤波器,但在实施和调整上比较方便。

4.3 系统设计中的测量变送问题
② 测量信号的处理 c. 测量信号的噪声滤波: 一阶数字低通滤波器的算法之一:
? ? ?

y ( k ) ? y (k ? 1) ? ? [ y ( k ) ? y ( k ? 1)]
?

0 ? ? ? 1;

y ( k )和y ( k )分别是滤波器的输出和 输入;

?越小,对高频信号削弱 得越厉害。
一阶数字高通滤波器的算法之一:
? ?

y ( k ) ? ? y ( k ? 1) ? (1 ? ? )[ y ( k ) ? y ( k ? 1)]

? 越小,对低频信号削弱 得越厉害。

4.3 系统设计中的测量变送问题
③ 检测仪表的精度和量程选择 a. 精度选择:
S? Δm 100% Δm绝对误差最大值, X仪表量程 X

仪表出厂时的精度等级,反映的是在校验条件下存在的百分误差的上 限。工业上一般取0.5—1级,物性和成分仪表可再放宽些。 b. 量程选择: 对于同样精度的仪表,量程越宽,误差的绝对数值越大。例如, 同样 是0.5级的测温仪表,当测量范围是0—1100?C时,可能出现的最大误差 是±5.5?C;如果测量范围改为500—600?C时,最大误差将不超过 ±0.5?C。因此,在满足实际应用需要的情况下,量程应该尽可能选得 窄一些,提高检测环节的增益Km值。

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.1 概述
调节阀的选择包括流量特性、口径大小以及作用方式等内容。 最常用的流量特性有直线特性和对数特性,有理论计算法和经验法两种选 择方法,目前常用经验法。 执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构将控制器的输出信号 转换成直线位移或角位移,两者之间为比例关系。调节机构则将致信机构 的输出转换成流通截面积的变化,最终改变操纵变量的大小。 按驱动能源不同,调节阀可分为: ? 气动调节阀:压缩空气为驱动能源 ? 电动调节阀:标准电信号(4~20mA,1~5V)为驱动能源 ? 液动调节阀:高压液体为驱动能源。
电动操 作器

Ii If

伺服放 大器

伺服电 动机

减速器

放大器

位置发 送器

执行机构

电动执行器原理

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.2 气动调节阀的结构及工作原理
气动执行机构的工作原理:
1 2

PA ? Kx

P――调节阀的输入压力 A――膜片的有效面积 K――弹簧的弹性系数 x――推杆位移
7 5

4

3

执 行 机 构

6

执行器推杆位移与输入信 号压力成正比。

调 节 机 构

1.上盖 2.膜片 3.平衡弹簧 4.阀杆 5.阀心 6.阀座 7.阀体

气动执行器

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.2 气动调节阀的结构及工作原理
? 气动调节阀有正作用和反作用两种形式。 正作用的调节阀是指输入气压信号增加时,阀体的流通面积增大,即气开阀。 反作用的调节阀是指输入气压信号增加时,阀体的流通面积缩小,即气关阀。

气关阀

气开阀

气开阀

气关阀

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
调节阀的流量特性是指介质流过阀门的流量与阀杆行程之间 的关系,通常用相对值来表示,即:

qV

qV max

l ? f( ) L

qV qV max 相对流量,即调节阀某一开度流量与全开时最大流量之比;
l L 相对开度,即调节阀某一开度推杆行程与全开时向最大行程之比。

流过调节阀的流量不仅与阀的开度(流通截面)有关,而且还与阀门前后的压差 有关。调节阀接在管路中工作时,阀门开度一变,随着流量的变化,阀门前后的压 差也发生变化。 理想流量特性:假设调节阀前后压差不变时得到的调节阀流量特性。 工作流量特性:考虑调节阀前后压差变化时得到的调节阀流量特性。 流 量 系 数:阀全开时阀两端压力与管道系统的总压差的比;以此衡量调节阀实 际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度。

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
① 调节阀的理想流量特性
调节阀的理想流量特性完全取决于阀心的形状。 a. 直线流量特性 指调节阀的相对流量与阀心的相对开度成直线关系,即调节阀相对开度变化 所引起的相对流量变化为一常数。

? qV ? ?l? ? d? d ? ? ? Kv ?q ? ? L? ? V max ? 对上式积分得 qV l ? Kv ? c qV max L
已知边界条件:当 l ? 0 时 qV ? qV min ; qV ? qV max 。 当 l ? L 时,
c ? q Vmin q Vmax K v ? 1 ? q Vmin q Vmax

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
① 调节阀的理想流量特性
a. 线性流量特性基本关系

dq ? K v dl 且 则 L ? 0时,Q ? Q min ; L ? L max时,Q ? Qmax ? qVmin qV ?? 1? ? qVmax ? qVmax ? l qVmin ? ? ?L q Vmax ?

定义调节阀的可调范围: R ? q V max q V min

通常国产调节阀的可调比为30。

线性阀流量特性为: qV 1 ? l 1 l 1 ? ? ?1 ? ? ? ? Kv ? q V max R?L R L R ? 1 ? ? 增益为: K v ? ? 1 ? ? R? ? 线性阀的增益只与可调比有关,是常数。线性阀在小开度时,控制作用强,易引起振 荡;在大开度时,控制作用平缓,其适合在较大开度下工作。

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
① 调节阀的理想流量特性
b. 对数流量特性基本关系式

dq ? K v qdl

单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成正比。 已知边界条件:
100 80
1

L ? 0时,Q ? Q min ; L ? L max时,Q ? Qmax
对数阀流量特性为:

q?

Q ?R Qmax

? l ? ? ? ? 1 ?L ? ? max ?

60 40 20 3.3 0 20 40

2 3 4

Q 其增益为:K v ? ln R Lmax

60

80

100

(l / L )%

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
① 调节阀的理想流量特性
b. 对数流量特性 对数阀在不同开度时,单位相对开度变化所引起的相对流量的相对变化量 相同,所以对数阀也被称为等百分比阀。
d (l L) ? 10% 时线性阀与对数阀对比
l/L
线性阀 相对流量 对数阀 线性阀 相对流量的变化 对数阀 线性阀 相对流量的相对 变化量 对数阀

10% 0.13 0.047 0.097 0.016 74.6% 34%

50% 0.52 0.183 0.097 0.062 18.7% 34%

80% 0.81 0.506 0.097 0.172 12% 34%

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
① 调节阀的理想流量特性
c. 抛物线流量特性 抛物线流量特性指相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系(见曲线3), 即相对流量与相对开度成平方关系。它介于直线与对数流量特性之间,通常 可用对数流量特性来代替。 100 d. 快开流量特性 快开流量特性在小开度时流量就 比较大,随着开度的增大流量很快就 达到最大,故称为快开特性(见曲线 1)。快开流量特性调节阀主要适用于 要求迅速开、闭的位式控制。

80 60 40 20
3.3 0

1

2

3 4

20

40

60

80

100

(l / L )%

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
② 调节阀的工作流量特性
a. 调节阀与管道串联的工作流量特性 调节阀与管道设备串联时,当管路总压差 ?p 一定时,随着阀门开度增大,流 量增加,管道设备上的压降将随流量平方增大;调节阀前后的压差将逐渐减小, 导致调节阀的流量特性将发生变化。 为了衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度,定义压 降分配比(流量系数): ?pmin S? p ?p系统
?pmin、?p系统 调节阀全开时阀门前后的压差、系统总压差。
?p

qV o qV

a)调节阀与管道设备串联

b)压力分布

?p

?p K

? pV

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
② 调节阀的工作流量特性
a. 调节阀与管道串联的工作流量特性

S?

?pmin ?p系统

当S=1时,管道压降为零,调节阀前后的压差等于系统的总压差,故工作流 量特性即为理想流量特性。 当 S<1时,由于串联管道设备阻力的影响,流量特性发生两个变化,一个是调 节阀全开时流量减小,即调节阀可调范围变小;另一个是流量特性曲线向上拱,理 想直线特性变成快开特性。S 值越小,畸变越严重,对控制越不利。所以,在实际 使用中要求S 不低于0.3~0.5。 理想情况调节阀最大流量

Qmax ? ? ?p系统

? ? ? ?pmin ? ? s?p系统 ? sQmax 实际情况调节阀最大流量 Qmax

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
② 调节阀的工作流量特性
a. 调节阀与管道串联的工作流量特性

S?

?pmin ?p系统

qv / qv max

线性阀工作流量特性曲线

qv / qv max

对数阀工作流量特性曲线

串联管道调节阀工作特性曲线

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.3 调节阀的流量特性
② 调节阀的工作流量特性
b. 调节阀与管道并联的工作流量特性 在现场使用中,为了便于手动操作和维护,调节阀还与管道设备并联工作。 ? 当与管道系统并联(旁路)的调节阀关闭时,即S=1时,工作流量特性与理想流 量特性是一致的。 ? 随着旁路阀逐渐打开,其旁路流量逐步增加,S逐渐减小,调节阀可调范围大大 下降;同时总存在串联管道阻力的影响,这将使调节阀所能控制的流量变化很 小,甚至不起控制作用。 ? 根据现场使用经验,旁路流量只能为总流量的百分之十几,S值不能低于0.8。

a)并联管道线性阀工作流量特性

b)并联管道对数阀工作流量特性

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.4 调节阀的选择
① 调节阀的流量特性和开/关方式的选择 a. 流量特性选择的原则:力图使系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。 b. 开/关方式的选择:应考虑以下情况: 。 ? 确保工艺设备的安全,不致发生事故。如锅炉供水控制阀,为了保证控制系统故障时
不致把锅炉烧坏,就应选择气(电)关阀。

? 保证产品质量。如精馏塔回流量调节阀通常选用气关阀,保证塔顶产品的质量。 ? 有利于降低原料和动力的损耗。如控制精馏塔进料的控制阀常采用气开式。这样一旦
出现故障,阀门是处于关闭状态的,不再给塔投料,从而减少浪费。而精馏塔釜加热蒸汽 控制阀一般选用气开式,以保证发生故障时不浪费蒸汽。

? 考虑介质特点。有些生产装置内是易结晶、易凝结的物料时,则加热蒸汽控制阀应考虑
选用气关式控制阀。这样,在事故状态下控制阀全开以防止由于停止了蒸汽的供给而导致 釜内液体的结晶或凝聚而毁坏设备。

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.4 调节阀的选择
② 调节阀口径的选择 a. 口径选得过大,调节阀将经常处于小开度下工作,阀的特性将会发生畸变,阀 性能就较差。如果口径选得太小,在正常情况下都在大开度下工作,阀的特性 也不好。口径大小是通过计算调节阀流通能力CV的大小来决定的。

Qv ?

40 Dg 2

?

?p ; ?

Cv ?

40 Dg 2

?

? —阻力系数,其主要取决于阀的结构。 式中: Dg — 接管直径(公称通径);

b. 当生产工艺中流体密度ρ一定,所需流量 Qv 和阀前后压差Dp 决定后,只要 算出CV的大小,就可以确定阀的口径尺寸,即公称通径和阀座直径。

4.4 调节阀(执行器)的选择
4.4.4 调节阀的选择
③ 调节阀口径确定的基本步骤 a. 根据生产能力、设备负荷决定出最大流量 Qv max b. 根据所选的流量特性及过程特点,选定S值(S ? ?p v / ?p ),然后求出阀 门全开时的压差。 c. 根据流通能力计算公式,求出最大流量时的 C v max 。 d. 根据 C v max,在所选产品型号的标准系列中选取大于 C v max 并最接近的 C v 值,从而确定阀门口径。 e. 验证调节阀开度和可调比,一般要求最大流量时阀开度不超过90%,最小 流量时发开度不小于10%。 f. 验证合格后,根据 C v 确定调节阀的公称通径和阀座直径。

4.5 控制器的选择
4.5.1 三类常规控制器
比例积分微分(PID)控制器:
t

1 de(t ) u (t ) ? k c [e(t ) ? ? e(t )dt ? Td ] ? u0 Ti 0 dt
式中,U(t)为控制其输出信号,e(t)为设定值与测量变送信号之差,Uo为偏差 e(t)等于零时控制器的输出信号,它反映了控制器的工作点。控制器由 比例、积分、微分三大功能部分组成。kc为控制增益,Ti为积分时间, Td为微分时间,这三个参数大小可以改变,进而相应改变控制规律。 ?若Ti为?, Td为0,积分和微分功能不起作用,则为比例控制器。 ?若Td为0,微分功能不起作用,则为比例积分控制器。 ?若Ti为?,积分功能不起作用,则为比例微分控制器。

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
一、比例控制作用对控制质量的影响 在扰动作用下,系统闭环传递函数为:

Y ( s) ? F ( s) 1 ?

1 K c K v K1 K 2 (T1s ? 1)(T2 s ? 1)

?

(T1s ? 1)(T2 s ? 1) [T1T2 s 2 ? (T1 ? T2 ) s ? (1 ? K c K )]

T1T2 s 2 ? ?T1 ? T2 ?s ? ?1 ? K c K ? ? 0 系统的特征方程为:
F ( s)
X ( s) +
_ Kc Kv
K1 T1 s ? 1

K2 T2 s ? 1

+

+

Y (s)

比例控制系统

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
一、比例控制作用对控制质量的影响 T1T2 s 2 ? ?T1 ? T2 ?s ? ?1 ? K c K ? ? 0 系统的特征方程为: 特征方程的根:

s1、 2 ? ?
2

? ?T1 ? T2 ? ? ? ?T1 ? T2 ? ?

?T1 ? T2 ?2 ? 4T1T2 ?1 ? K c K ?
2T1T2

?T1 ? T2 ?2 ? 4T1T2 K c K
2T1T2

随着 ?T1 ? T2 ? ? 4T1T2 K c K 的取值不同 (大于零,或小于零,或等于零),其 特征根的性质也不同。 当?T1 ? T2 ? ? 4T1T2 K c K ? 0 时,两特征根为不相等的负实根。这时控制系统的 过渡过程将不振荡。 当?T1 ? T2 ? ? 4T1T2 K c K ? 0 时,特征根两个相等的负实根。这时控制系统处于 振荡与不振荡之间的临界状态。 当?T1 ? T2 ? ? 4T1T2 K c K ? 0 时,特征根为s左半平面的两个共轭复根。这时控制 系统处于振荡状态。
2 2 2

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
一、比例控制作用对控制质量的影响

T1T2 s 2 ? ?T1 ? T2 ?s ? ?1 ? K c K ? ? 0 系统的特征方程为:
将系统的特征方程式改写成:
2 s 2 ? 2? P?n s ? ?n ?0

式中

1 ? Kc K ? ? T1T2
2 n

?P ?

T1 ? T2 2 T1T2 ?1 ? K c K ?

当K c 较小时, ? 值较大,并有可能大于1,这时过渡过程为不振荡过 ? 值将逐渐减小,直至等于1,相应的过渡过程将由不 程.随着K c 的增加, ? 继续减 振荡过程而变为不振荡与振荡的临界情况,随 K c 的继续增大, 小,过渡过程的振荡加剧,但 ? 不可能小于或等于零,因而这个系统不可 能出现发散振荡,即该系统总是稳定的。 结论1:随着比例系数的增大,控制系统的稳定性下降。

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
一、比例控制作用对控制质量的影响 由系统闭环传递函数

Y ( s) (T1s ? 1)(T2 s ? 1) ? F ( s) [T1T2 s 2 ? (T1 ? T2 ) s ? (1 ? K c K )]
可知,在阶跃扰动信号 F ( s ) ? A s 作用下,系统余差为:

? A ? (T1s ? 1)(T2 s ? 1) A C ? ? y (?) ? ? lim ? s ? ? ? ? 2 s?0 s [ T T s ? ( T ? T ) s ? ( 1 ? K K )] 1 ? Kc K 1 2 1 2 c ? ?

结论1:随着比例系数的增大,余差将逐渐减小,但用不能消除系统的余差。
比例控制作用通常只能起到“粗调”的作用。

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
二、积分控制作用对控制质量的影响 由下图,可得系统闭环传递函数 Y (s) ? F (s) 1 TI s?Ts ? 1? ? ? 1 ?? K ? TI s?Ts ? 1? ? K c K ?TI s ? 1? 1 ? Kc ? 1 ? ? T s? ?? Ts ? 1 ? ? ? I ?? s 作用下,系统余差为:

可知,在阶跃扰动信号 F ( s ) ? A

? ? ? ? A 1 ??0 C ? ?Y (?) ? lim ?s ? ? s ?0 ? s ? 1 ?? K ? ? ? ? 1 ? K 1 ? ? c? ?? Ts ? 1 ? ? T s ?? ? I ?? ? ? ?
X (s) +

F (s)
K Ts ? 1 +

+

结论:积分控制作用可以消 除系统余差。

-

1 K c (1 ? ) TI s

Y (s)

比例积分控制系统

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
二、积分控制作用对控制质量的影响 由系统闭环传递函数,可得其特征方程为: TI Ts 2 ? ?K c K ? 1?TI s ? K c K ? 0
2 特征根的性质可由 TI ?K c K ? 1? ? 4TI TK c K 的情况来判别。 2 当 TI ?K c K ? 1? ? 4TI TK c K ? 0时,即: ?K c K ? 1?2 ? 4TK c K TI TI 较大时,两特征根为不相等的负实根。这时控制系统的过渡过程将不振荡。 2 2

随着 TI 的减小,当 TI ?K c K ? 1? ? 4TI TK c K ? 0 时,特征根为两个相等的负实 根。这时,控制系统的过渡过程处于振荡与非振荡的临界状态。
2

2

随TI 的进一步减小,当 TI ?K c K ? 1? ? 4TI TK c K ? 0 时,特征根为s左半平面的 一对共轭复根,控制系统的过渡过程处于振荡状态,并且随着 TI 的进一步减小, 振荡加剧。
2

2

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
二、积分控制作用对控制质量的影响 由系统闭环传递函数,可得其特征方程为: TI Ts 2 ? ?K c K ? 1?TI s ? K c K ? 0 将系统的特征方程式改写成:
2 s 2 ? 2? I ?n s ? ?n ?0

式中
2 ?n ?

Kc K TI T

?I ?

(1 ? K c K ) TI 2 K c KT

当TI 较大时, ? 值较大,并有可能大于1,这时过渡过程为不振荡过程.随 着 TI 值逐渐减小, ? 直至等于1,相应的过渡过程将由不振荡过程而变为不振荡 ? 继续减小,过渡过程的振荡加剧。但 与振荡的临界情况,随 TI 的继续减小, 是,只要TI ? 0 ,? 不可能小于或等于零,因而这个系统不可能出现发散振荡,即 该系统总是稳定的。

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
二、积分控制作用对控制质量的影响

结论: 积分控制作用能消除系统余差,但降低了系统的稳定性,特别是 当TI 比较小时,稳定性下降较为严重。 控制器在参数整定时,如欲得到纯比例作用时相同的稳定性,在 引入积分作用之后,应当适当减少K c ,以补偿积分作用造成的稳定性 下降。

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
三、微分控制作用对控制质量的影响 由下图,可得系统闭环传递函数

?T1s ? 1??T2 s ? 1? 1 ? ? K1 K 2 ? ?T1s ? 1??T2 s ? 1? ? K c K1K 2 ?1 ? TD s ? 1 ? K c ?1 ? TD s ?? ? ? T s ?1 T s ?1? ? ? 1 2 ? ?T1 s ? 1??T2 s ? 1? ? T1T2 s 2 ? ?T1 ? T2 ? K c KT D ?s ? ?1 ? K c K ? 特征方程式为:
Y (s) ? F (s)

T1T2 s 2 ? ?T1 ? T2 ? K c KTD ?s ? ?1 ? K c K ? ? 0
K c (1 ? TD s)

比例微分控制系统

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
三、微分控制作用对控制质量的影响 将闭环系统特征方程式

T1T2 s 2 ? ?T1 ? T2 ? K c KTD ?s ? ?1 ? K c K ? ? 0
改写成:
2 s 2 ? 2? D?n s ? ?n ?0

则:
2? D? n ? T1 ? T2 ? K c KTD T1 ? T2
2 ?n ?

1? KcK T1T2

?D ?

T1 ? T2 ? K c KTD 2 T1T2 ?1 ? K c K ?

纯比例控制作用下(TD=0)的系统阻尼系数 T1 ? T2 ?P ? 2 T1T2 ?1 ? K c K ?

?D ? ?P 。 可见,当比例作用相同时,

在纯比例作用的基础上增加微分作用提高了系统的稳定性。

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响
三、微分控制作用对控制质量的影响 由比例微分作用下,系统闭环传递函数
Y (s) ?T1s ? 1??T2 s ? 1? ? F ( s) T1T2 s 2 ? ?T1 ? T2 ? K c KTD ?s ? ?1 ? K c K ?

可知,在阶跃扰动信号 F ( s ) ? A

s

作用下,系统余差为:

? ? A?T1S ? 1??T2 S ? 1? A C ? ? y (?) ? ? lim ? s ? ? ? 2 s ?0 1 ? Kc K ? s[T1T2 s ? ?T1 ? T2 ? K c KTD ?s ? ?1 ? K c K ?] ?

可见,微分作用无法消除余差。

4.5 控制器的选择
4.5.2 PID控制规律对控制质量的影响 总结:
比例控制作用不能消除系统的余差。随着比例放大系数的增大,余 差将逐渐减小;但随着比例放大系数的增大系统的稳定性会逐渐下降。 积分控制作用能消除系统余差,但降低了系统的稳定性,特别是当积 分时间常数比较小时,稳定性下降较为严重。 控制器在参数整定时,如欲得到纯比例作用时相同的稳定性,当引 入积分作用之后,应当适当减少比例放大系数,以补偿积分作用造成的 稳定性下降。 微分作用无法消除余差,在纯比例作用的基础上增加微分作用提高了 系统的稳定性。

4.5 控制器的选择
4.5.3 PID控制规律的选择
一、根据? 0 T0 的比值来选择控制规律 ?当 ? 0 T0 ? 0.2 时,可选择P或PI控制规律。 ?当 0.2 ? ? 0 T0 ?1.0 时,可选择PI或PID控制规律。 ?当 ? 0 T0 ?1.0 时,采用单回路控制方法往往满足不了工艺要求,应根据 具体情况采用其它的控制方案。 二、根据过程特性选择控制器的控制规律 1.比例控制规律P P是最基本的控制规律,能较快的克服扰动的影响,使系统稳定下来。P不能 消除系统的余差。随着P作用的增强,系统余差减小,但系统稳定性会有所下降。 适用于:控制通道滞后较小,负荷变化不大,控制要求不高的场合。
如:储槽液位控制、储气罐压力控制等。

4.5 控制器的选择
4.5.3 PID控制规律的选择
二、根据过程特性选择控制器的控制规律 2.比例积分控制规律(PI) 比例积分控制规律是在工程上应用最广泛的一种控制规律。由于积分能 消除余差,它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有 余差的场合。如某些流量、压力和液位等要求无余差的控制系统。 3.比例微分控制规律(PD) 利用微分的超前作用,将微分控制规律引入具有容量滞后的过程控制通 道,对于改善系统的动态性能指标有显著的效果。 因此,对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合,为了提高系统 的稳定性,减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。
如:温度控制。

4.5 控制器的选择
4.5.3 PID控制规律的选择
二、根据过程特性选择控制器的控制规律 4.比例积分微分控制规律(PID) PID控制规律是一种最理想的控制规律,它在比例的基础上引入积分, 可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系统的稳定性。 它适用于过程控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。
如温度控制、PH控制等。

调节器PID控制规律是要根据过程特性和工艺要求来选取的,并非选 择了PID控制规律就一定取得好的控制效果。 当采用PID控制规律仍无法达到工艺要求时,则应考虑其他复杂的控 制方案。

4.5 控制器的选择
4.5.4 控制器正反作用方式的选择
?控制器分正作用控制器和反作用控制器两种。
正作用控制器:当系统的测量值增大时,控制器的输出亦增大,其静态放 大系数 K c 的特性定义为“-”。 反作用控制器:当系统的测量值增大时,控制器的输出减小,其静态放大 系数 K c 的特性定义为“+”。 ?控制器正、反作用的选择原则:使控制系统构成负反馈。 控制器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。 ?调节阀按其作用方式分气开、气关两种类型。 定义气开阀的静态放大系数 K v 的特性为“+”; 定义气关阀的静态放大系数 K v 的特性为“-”;

4.5 控制器的选择
4.5.4 控制器正反作用方式的选择
?被控过程的特性也分正、反两种。 当被控过程的输入量(通过调节阀的物料或能量)增加(或减小)时,其输出(被控 参数)亦增加(或减小),此时称此被控过程为正对象;定义其静态放大系数的特 性为“+”; 当被控过程的输入量(通过调节阀的物料或能量)增加(或减小)时,其输出(被控 参数)减小(或增加),此时称此被控过程为负(反)对象;定义其静态放大系数 的特性为“-”; 过程控制系统构成负反馈,则组成该系统的各个环节的极性(可用其静态放大 系数表示)相乘必须为正。
R

u
Z

Q

Y

" K c "?" K v "?" K 0 " ?"?"

单回路控制系统

4.5 控制器的选择
4.5.4 控制器正反作用方式的选择

控制器正反作用方式的确定步骤:
1. 根据具体工艺情况确定调节阀的开、关方式。 2. 根据被控过程的输入输出量之间的关系确定对象的正反特性。 3. 根据原则" K c "?" K v "?" K 0 " ?"?" ,确定控制器的正反作用方式。 4. 根据过程控制系统的工作过程,对确定结果进行检验。

4.5 控制器的选择
4.5.4 控制器正反作用方式的选择
例:发电厂过热蒸汽温度控制器正反作用方式确定
正作用方式 “-” 气开阀 “+” 负对象 “-”

过热蒸汽温度单回路控制系统 检验:假设扰动作用下使T?? 控制输出u?? 调节阀开度?? 减温水流量?? T?

4.6 控制器参数的整定
调节器参数整定,是指决定调节器的比例度 ? 、积分时间 TI 和微分时间 TD 的具体数值。 1 ?? Kc 参数整定原则:通过改变调节器的参数,使其特性和过程特性相匹配。 一、经验凑试法_基本步骤
TD ? 0 ,将比例度放在较大数值位置,逐步减小 ? ,观察被 1.置 TI ? ? 、 控量的过渡过程曲线,直到曲线满意为止。

2.如采用PI控制规律,在比例作用的基础上引入积分作用,此时将 ? 变为原 来的1.2倍,对积分作用给系统带来的稳定性下降加以补偿。 3.如采用PID控制规律,置 TD ? (1 3 ~ 1 4)T I ,观察曲线,再适当调整参数,直 至曲线满意为止。

4.6 控制器参数的整定
经验凑试法_总体思路 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 若观察到曲线振荡频繁,则需减小比例作用; 若曲线最大偏差大、且趋于非周期过程,则需增强比例作用。 当曲线波动较大时,应减小积分作用; 若曲线偏离设定值后长时间不能回来,则需增强积分作用; 若曲线振荡得厉害,需把微分作用减到最小或者暂时不加微分作用; 若曲线最大偏差大而衰减慢,则需增强微分作用。 看曲线调参数,力图使过渡过程两个周期基本稳定。 经验凑试法_优缺点 a. b. 优点:适用于于各种控制系统,特别是干扰频繁、记录曲线不大规则的 控制系统。 缺点:需反复凑试较为费时间;较多依赖经验,整定质量因人而异。

4.6 控制器参数的整定
二、临界比例度法_基本步骤 1.置调节器的积分时间 TI ? ? ,微分时间 TD ? 0 ,比例度 ? 适当,平稳操作 一段时间,把系统投入自动运行。 2.将比例度逐渐减小,得到下图所示等幅振荡过程,记下临界比例度 ? K 和临 界振荡周期 TK 值。 3.根据 ? K 和 TK 值,采用经验公式,计算出调节器各个参数,即 ? 、TI 和 TD 的值。 4.按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。然后观察 其 运行曲线,若还不够满意,可再作进一步调整。
y (t ) TK

o

t

等幅振荡过程

4.6 控制器参数的整定
临界比例度法_优缺点
a. b. 优点:方法简便,过程曲线易于判断,整定质量较好,适用于一般的 温度,压力、流量和液位控制系统。 缺点:对于临界比例度很小、工艺生产约束条件严格、过渡过程不允 许出现等幅振荡的控制系统不适用。

临界比例度法_应注意的问题
① 临界比例度法的关键是准确地测定临界比例度和临界振荡周期,因而控 制器的刻度和记录仪应调校准确。 ② 有的控制系统临界比例度很小,控制器的比例度已放到最小刻度而系统 仍不产生等幅振荡时,就把最小刻度的比例度作为临界比例度进行控制 器的参数整定。 ③ 对于有些过程控制系统,它的临界比例度很小,常使调节阀处于全开或 全关状态,使系统接近位式控制状态,对生产不利,因而不宜采用此法 进行控制器的参数整定;某些生产工艺不允许被控量作较长时间的等幅 振荡时,也不能采用此法。

4.6 控制器参数的整定
三、衰减曲线法 1.将 TI ? ? 、TD ? 0 ,从大到小调整比例度,直到出现4:1(或10:1)衰减过 程为止。此时的比例度为 ? s,振荡周期为 Ts,如下图所示。
Ts 值,按经验公式算出控制器的参数 ? 、TI 和 TD 。 2.根据 ? s 、

3.按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。然后观察其 运行曲线,若还不够满意,可再作进一步调整。
r设定量 y被控量 1 4

o

t

o Ts

t

4:1衰减过程曲线

4.6 控制器参数的整定
衰减曲线法_优缺点 a. b. 优点:较为准确可靠,而且安全,整定质量较高。 缺点:若系统的响应曲线变化不规则,并且难以判别其衰减比和衰减 周期,则不适宜采用此法。 10:1衰减曲线法整定计算公式
调节器参数 调节器参 数 控制规 律 P

4:1 衰减曲线法整定计算公式

?
1.2

(%)

TI


(min)

TD (min)

控制规 律 P

?

(%)

TI (min)


TD

(min)

?s
?s ?s

?s
1.2

' '



— PI

PI

0.5 0.3

Ts
Ts

— PID 0.8 0.1T

?s

2 1.2

Tr Tr

— 0.4

PID

0.8

?s'

Tr

s

Tr为第一次达到波峰时的响应时间。

4.6 控制器参数的整定
四、响应曲线法及优缺点 1) 2) 3)
r

具体方法:置控制器于手动方式,控制器输出阶跃信号,记录被控变 量的响应曲线图。在反应曲线拐点A处作一切线,根据该切线与被控 变量初值及终值的交点,可获得一阶加纯滞后表示的广义对象特性 优点:根据对象特性来确定控制器的整定参数,整定的控制器参数精 度比较高; 缺点:需要知道对象的特性;需要测量开环广义过程阶跃响应曲线, 比较麻烦。
y (? ) C

?r o t o

A

?0

T0

t

被控变量的响应曲线图

4.6 控制器参数的整定
响应曲线法_求取对象参数K0
按下式求取广义对象的放大系数K0:

Ko ?

?y y max ? y min

?P Pmax ? Pmin

式中:Ymax-Ymin—测量仪表的刻度范围;Pmax-Pmin—控制器输出变化范围; ?Y—被控量测量值的变化量; ?P—控制器输出的变化量。
调节器参数

根据对象的特性参数 、 T0 和 K0,按右表中的公 式确定4:1递减过程控制 器的参数 ? 、TI和TD 。

控制规律

? (%)
K o? 0 ? 100 % To K ? 1 . 1 o 0 ? 100 % To
0 . 85 K o? 0 ? 100 % To

TI

(min)

TD (min)


P



PI

3.3 ?0
2?0



PID

0.5?0

4.7 单回路控制系统设计应用举例
一、生产工艺简介

1.被控参数:干燥器温度 2.控制参数:影响干燥器 温度的主要因素:高位槽流 下的乳液流量,旁路冷风流 量,蒸汽流量。

4.7 单回路控制系统设计应用举例
二、系统设计
f1

2.控制参数(操纵量) 影响干燥器温度的主要因素:高位槽留 下的乳液流量,旁路冷风流量,蒸汽流量。 3.画出控制原理图及方框图
f2

f3

TT TC

方框图1

方框图2

方框图3

4.7 单回路控制系统设计应用举例
二、系统设计

乳液流量为控制参数的控制系统方框图

4.7 单回路控制系统设计应用举例
二、系统设计

冷风流量为控制参数的控制系统方框图

4.7 单回路控制系统设计应用举例
二、系统设计

f1
干燥器

f2

混合过程

风管

干燥器 +

R T - ZT

干燥器 温度控制器

蒸汽流量 调节阀

换热器

混合过程

风管

干燥器 温度对象

+ +

T

干燥器温度检测元件 、 变送器

蒸汽流量为控制参数的控制系统方框图

4.7 单回路控制系统设计应用举例
二、系统设计 4.调节阀的选择 为了避免控制系统故障时,乳液在干燥器内凝固,冷风调节阀应选气关阀。 5.控制控制规律和正反作用方式的选择 控制器选择反作用方式。 6.工作过程

END

气动调节阀

气动单座调节阀

气动薄膜调节阀 ? 输入20~100KPa气源压力信号,控制其运转。 ? 结构简单,维修方便,价格便宜,防火防爆。 ? 需要增设气源相关设备。

气动双座调节阀

return

电动调节阀

电动调节蝶阀

电动球阀

电动套筒调节阀

电动刀形闸阀

? 输入4~20mA电流或1~5V电压信号,控制其运转。 ? 动作迅速,信号便于远传,便于与计算机配合使用。 ? 不适用于防火防爆等生产场合。

return

奈氏判据

如果系统的开环传递函数G (s) 在S右半平面有p个极 点,当频率 w 从 ? ? 变化到 ? ? 时,若系统的开环频率特 性G ( jw) 曲线逆时针包围 (?1, j0) 点的次数N和p相等,则闭 环系统是稳定的;否则就不稳定。(顺时针包围N为 正,逆时针包围N为负。)
0 0

return


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