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1、过程控制工程第1页，此课件共58页哦简单控制系统概述简单控制系统是复杂控制系统的基础，它是由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所组成的单回路反馈控制系统。简单控制系统方框图由方框图可见，为被控对象，为操纵变量，为干扰信号，与 之间的联系成为控制通道，与 之间的联系称为干扰通道。、分别是控制器、执行器、被控对象、测量变送单元的传递函数。)(sGm)(sGo)(sGv)(1sF)(sQ)(sY)(sFn)(sQ)(sF)(sGc)(sY)(sY第2页，此课件共58页哦简单控制系统概述i简单控制系统的特点：系统结构简单，投资少，易于调整和投运；能满足一般生产过程的控制要求，尤
2、其适用于被控对象时滞和时间常数都较小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。i按被控制的工艺变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制系统。i一个简单控制系统方案的分析设计，需考虑的问题：首先，应分析生产过程中各个变量的性质及其相应关系，分析被控对象的特点；然后，根据工艺的要求选择被控变量、操纵变量，合理选择控制系统中的测量变送装置、控制器和执行器，建立一个较为合理的控制系统。对有多个控制系统的生产过程，还要考虑各个控制系统之间的相互关联和影响，并按可能使每个控制系统对其它控制系统的影响为最小的原则来建立各个控制系统。为了使一个简单控制系统能够正常的运行，还要
3、考虑控制系统的参数整定及投运等问题。第3页，此课件共58页哦简单控制系统控制系统被控变量与操纵变量的选择i被控变量选择的原则是：为某一工艺目的或物料平衡而设置的系统，被控变量可按工艺操作的期望要求直接选定。对于控制产品质量的系统，在可能的情况下，用质量指标参数作为被控变量最直接，也最有效。当不能用工艺过程的质量参数作为被控变量时，应选择与产品质量参数有单值对应关系的间接参数作为被控变量。当干扰进入系统时，该被控变量必须具有足够的灵敏度和变化数值。被控变量的选择必须考虑到工艺过程的合理性、经济性以及国内仪表生产的现状。i操纵变量选择的一般原则：操纵变量的选择，在工艺上首先要合理，符合节能、安全、
4、经济运行要求。从系统考虑，操纵变量对被控变量的影响应比对其它任何干扰都更加灵敏。第4页，此课件共58页哦简单控制系统对象特性对控制质量的影响对象静态特性分析 对于广义对象，设 ，可得控 制系统的偏差为：。对于定值控制系统，所以：根据终值定理，在单位阶跃干扰输入下，可以求得 定值控制系统的余差为：可见，系统的余差与对象的静态特性参数有关。第5页，此课件共58页哦简单控制系统对象特性对控制质量的影响l干扰通道增益 无论对系统的静态或是动态控制质量都是有害的。从 系统的静态质量指标考虑，越小越好，这样可使余差减小，提高控制 质量。l为提高系统的控制质量，操纵变量的选择在满足工艺合理性的前提下，应使
5、大一些。对于具体的系统，值也不能太大，这与控制原理分 析是一致的，超出某一界限会破坏系统的稳定性。第6页，此课件共58页哦简单控制系统对象特性对控制质量的影响i对象动态特性分析扰动通道 、对控制质量的影响i 的影响 对该广义对象，为单位阶跃输入，则干扰通道的输出为 系统的闭环传递函数可改写为 ，则系统的特征方 程为：1）由干扰通道的输出方程可见，应尽可能的小。2）由干扰通道的输出方程可见，越大，干扰通道对扰动信号 的滤波能力越强，干扰对被控变量的影响也越缓和。3）由系统的特征方程可见，越大，过渡过程的动态分量幅值 越小，相应的超调量也越小，使控制质量得到提高。第7页，此课件共58页哦简单控制系
6、统对象特性对控制质量的影响i 的影响 当干扰通道存在时滞时，则 ，系统的闭环传递函数如为 则：引用拉氏变换中的滞后定理，得到带滞后的被控变量关系式为：1）由带时滞的被控变量关系式可见，干扰通道存在时滞，从理论上讲并不影响控制系统的质量，被控变量的过渡 过程仅在时间上平移了一个 距离。第8页，此课件共58页哦简单控制系统对象特性对控制质量的影响干扰作用位置对控制质量的影响 在可能的情况下，应使干扰输入位置尽可能的远离检测点，向控制阀靠近。第9页，此课件共58页哦简单控制系统对象特性对控制质量的影响i对象动态特性分析控制通道 、对控制质量的影响i控制通道的时间常数 的影响 的大小反映了系统动态过程
7、控制作用的强弱：1）若 太大，操作反应迟钝，控制作用受到削弱。在控制系统中，因控制器传递函数与对 象控制通道的传递函数相串，可以通过调整控制器微分时间 ，使相串传递函数总的时 间常数相应减小，提高系统校正的速度，减小 对控制质量的影响。2）若 太小，控制作用过于灵敏，操作频繁，容易引起过程振荡。一般可以在控制器输出端增设反微分器，使前向通道相串环节总 传递函数的时间常数相应增大，避免控制动作过于频繁。在一定 范围内，实现系统总动态性能指标的补偿调整。此外，系统稳定性与 的大小有关。越大，稳定性越好，过程平稳；越小，过程变化 越剧烈，稳定性下降。第10页，此课件共58页哦简单控制系统对象特性对控
8、制质量的影响i 的影响 1）在系统分析中时滞往往用 比进行系统质量评价。它反映了 对系统质量相对影响的 程度。当 较大时，的值可以相对大些，虽然过渡过程慢些，但容易稳定；反之，若 较小，即使 值不 大，但对系统的影响却很大，容易产生剧烈振荡。2）对象中 是客观存在的，只能通过合理设计尽可能减小 。如合理选择控制点位置，尽可能使控制阀的安装位置想检测点靠近，或改进工艺减小 。第11页，此课件共58页哦简单控制系统对象特性对控制质量的影响负荷变化对控制质量的影响 通过常规控制方法进行变负荷补偿。如采用串级控制，通过副环的快速克服扰动，提高变负荷的自适应能力。又如在系统中通过选择合适的控制阀流量特性
9、，利用控制阀增益 随符合相应变化的原理进行控制对象增益补偿，使变负荷对象具有一定的自适应能力。消除时滞的一般办法 当 时，必须采用时滞 补偿。一般情况应考虑设计复杂控制 系统，如前馈、串级等。或设置 Smith补偿器，以完全抵消广义被控 对象时滞。第12页，此课件共58页哦简单控制系统测量变送对控制质量的影响i时滞时滞的引入：检测点位置，测量仪表 本身。减小时滞的措施：1）合理选择检测点位置；2）选择时滞较小的测量变送仪表；3）采用带时滞补偿模块的可编程控制器；4）采用Smith预估补偿器等。第13页，此课件共58页哦简单控制系统测量变送对控制质量的影响i测量时滞测量时滞是指检测元件本身的时间
10、常数 所引起的动态误差。减小 的措施：1）选择快速测量元件；2）引入微分环节；3）正确选择安装位置。i信号传送时滞由于现场一次表到控制室二次表彼此有一定距离，导致相互信号传送滞后。这种滞后对于电信号来讲可忽略不计，但气信号的传送滞后则需考虑。克服信号传递滞后的措施：1）尽量缩短气信号传输管线；2）应用气电、电气转换器和阀门定位器；3）在气路50 60m距离间安装一台气动继动器，以提高气信号传输功率，起到减少传输 时间的作用；4）在控制器至控制阀的信号管线上设置微分单元，以增强动态响应。第14页，此课件共58页哦简单控制系统测量变送对控制质量的影响i脉动信号的测量与变送流体输送过程中，由于输送机
11、械自身运行的不连续性，以及流体冲击、机械振动、环境条件变化等，都会使得管路特性发送变化，从而导致测量信号波动。调整措施：1）在测量管线设置气阻、气容，目的是对脉动信号进行滤波。2）在测量管线内加一个内径0.5 2mm左右的垫片，进行输入侧信号限尼。3）调整测量仪表本身的阻尼时间常数。4）在变送器输出端外置阻尼环节。5）电信号测量时，其脉动成分的消除可直接在检测端并一个50 200 F的接地大电容。6）若非工艺过程引起的脉动变送信号输出时，应考虑变送器正、负压室引压时间常数，当时，会造成变送器脉动输出。所以应谨慎调整充压管道压力，尽可能是两根引压管 线有相等的时间常数。第15页，此课件共58页哦
12、简单控制系统控制阀的选择i控制阀流量特性及其选择气动控制阀的特性一般可以用一阶滞后环节 形式描述。放大系数 是阀 的静态特性；时间常数 反映阀的动态特性。流量特性的定义：是指流体通过阀门的相对流量与相对开度之间的函数关系。式中，相对流量。即控制阀在某一开度下的流量与最大流量之比。相对开度。即控制阀在某一开度下的行程与全行程之比。第16页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择常用理想流量特性 1、控制阀理想流量特性主要是指阀的前、后压差恒定时，流体通过 阀门的流量与开度之间的关系。其中，称为可调比，一般 。2、理想流量特性主要取决于阀芯的形状。3、常用理想流量特性1）线性特性指控制阀相对流量
13、与相对开度呈线性关系。2）对数（等百分比）特性指单位相对位移变化所引起的相对 流量变化与该点的相对流量成正比 关系。3）快开特性指单位相对唯一的变化所引起的相对流量变化与 该点相对流量值的倒数成正比关系。4）抛物线特性指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与 该点相对流量值的平方根成正比关系。第17页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择工作流量特性 1、串联管道中的工作流量特性 当控制阀串联安装于工艺管道时，由于整个工艺管路除控制阀外，还有装置、设备、管道等都存在着阻力，该阻力损失随着通过管道的流 量成平方关系变化。因此，当系统有关工艺管路两端总压差 一定时，控制阀上的压差就会随着流量的
14、增加而减小。这种压差变化又会引起通 过控制阀的流量变化，从而使阀的理想流量特性转变为工作流量特性。上述情形可用 值来描述：式中，控制阀全开时的压降；包括控制阀在内的全部管路系统总压降。系数 值一方面反映了工艺生产过程的能耗，值越大能耗也越大；另一方面反映了理想流量特性畸变的程度。值越小，分配到控制阀上 的压降越小，流量特性曲线下移，畸变越严重。一般设计要求 值不小 于0.3。第18页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择 2、并联管道中的工作流量特性 控制阀装于并联管路时，一般都装有手动旁路阀。设置手动旁路 阀的主要目的在于当控制系统失灵时手动控制之用，保证工艺过程继 续进行。此外，也可满
15、足特殊要求增加流量的需要。这时，控制阀理 想流量特性将发生变化成为工作流量特性。上述情形可用 值来描述：式中，控制阀全开时通过的流量；工艺总管流体通过的最大流量。系数 值主要反映理想流量特性畸变的严重程度。随 值的减小，虽然控制阀本身的流量特性曲线没有变化，但管道系统的可控比将大 大降低，泄漏量增大，另外，实际系统总是同时存在串联管道阻力的 影响，其阀上压差随流量的增加而降低，使得系统的可控比进一步下 降。导致控制阀实际可调的变化流量范围更小，甚至不起控制作用。设计中，一般要求 值不应低于0.8，即旁路阀流量最多只能占总流量 的百分之十几。第19页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择 流
16、量特性的选择 1、控制阀流量特性的选择方法：1）计算法需知道控制系统各环节的数学模型，工程上较少应用。2）经验法准则：希望广义对象的静态增益 不变，即：式中，被控对象静态增益；控制阀静态增益。有些对象静态增益是不变的，而多数对象静态增益是受工作 点、工艺条件变化影响的，因此，我们选择的阀门增益应考虑有 一定的补偿作用，使 在变负荷情况下也能维持恒定。2、选择阀理想流量特性的一般步骤：1）首先根据对象特性选择控制阀的工作流量特性；2）然后依据现场配管情况，从需要的工作流量特性出发，推断出理想 流量特性，即制造厂标明的流量特性。第20页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择 控制阀开、关形式选
17、择 当控制系统中某一环节出现故障或意外中断气源时，应依次逐级 考虑以下三方面：1）主要考虑人身、设备装置的安全；2）其次考虑介质性质；3）还要考虑减少经济损失。第21页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择i控制阀的口径计算流通能力 的计算 流通方程式为：若 的单位取 ；的单位取 ；的单位取 ；的单位取 ，上式改写为：，式中，称为流量系数。从上式可知，正比于 ，因此，在控制阀中称 为阀的流通能力。因 的值正比于流通面积 ，而 取决于阀芯直径 ；又因 正比于 ，而阻力系数 取决于阀的结构，因此，为了反映不同口径，不同结构的控制阀流通能力的大小，需规定一个统一的实验条件。于是流通能力 被定义为
18、：当控制阀全开时，阀两端的压差 为 流体密度 为 ，每小时流经控制阀的流量，以 计。若 改用 作单位，而 的定义式不变，则流通方程式改写为：，即第22页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择口径计算步骤 1、根据现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，确定最大工作流量 和最小工作流 量 。2、根据系统特点选定 值，然后计算压差，即控制阀全开时压差。3、根据控制介质类型和工况，选用合适的 值计算公式，求最大和最小流量时流通能力 和 。4、根据 值，在所选用的产品型式标准系列中，选取大于 并最接近的一档 值。各类控制阀的 值有汇总表。5、开度验算。6、实际可控比验算。7、压差校核。8、上述各项验
19、算合格，则所选控制阀口径合格，否则需重定 值 和口径，再验算至合格。第23页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择i控制阀的结构型式选择s主要从控制介质的工艺条件和物理性质出发：工艺条件：阀前后压差的大小；流体静压的大小；介质的温度；对泄漏量的要求等。物理性质：是否易燃、易暴、易腐蚀、易结晶；粘度大小；是否含有悬浮颗粒，气态或 液态等；s常用的控制阀：直通单座阀：1）结构特点：阀体内只有一个阀芯和阀座。2）使用场合：适用于泄漏量小、阀前后压降较低、小管径的场合。直通双座阀：1）结构特点：阀体内有两个阀芯和阀座。2）使用场合：适用于泄漏量大、阀前后压降较大、大管径的场合。第24页，此课件共5
20、8页哦简单控制系统控制阀的选择角型阀：1）结构特点：阀体为角型，其它结构与单座阀类似。2）使用场合：适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物流体的场合。三通阀：1）结构特点：有三个出入口与管道相连接。按作用方式可分为合流和分流两种。2）使用场合：一般用于替代两个直通阀进行热交换器的旁通控制。隔膜阀：1）结构特点：采用带有耐腐蚀村里的阀体和耐腐蚀隔膜。2）使用场合：适用于强酸、强碱、强腐蚀性流体的控制，和有毒性、易燃、易爆、贵重 流体的控制。碟阀：1）结构特点：有常温型、低温型和高温型之分。2）使用场合：特别适用于大流量、大管径、低压差的场合。第25页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择小
21、流量阀：1）结构特点：结构简单，体积较小，重量轻，便于安装维护。2）使用场合：适用于要求小流量控制的场合。套筒阀：1）结构特点：采用平衡型阀芯结构，采用阀芯和套筒侧面导向，空化对节流材质破坏小，由此引起的振动和噪声也小，提高了阀的使用寿命。2）使用场合：适用于阀两端压差较大，并且要求噪声低，气蚀小，响应快的场合，也适 用于高粘度或含有悬浮物的介质控制。第26页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择i阀门定位器的使用是气动执行机构的主要附件，它与气动执行器配套使用，组成闭环，利用阀杆位移反馈提高阀门定位精度与灵敏度。它能输出较大功率的气源信号，克服阀杆的磨檫力和介质的不平衡影响，从而使控制阀
22、位置按控制器送来的操纵信号实现确定位。应用场合：1）用于控制阀高精度定位，及工作可靠性高的控制场合；2）用于阀前后压差较大（）的场合，克服不平衡力，使阀杆正确定位；3）用于控制高压介质，克服较大不平衡力与干磨檫力；4）用于大口径、大膜头的场合（），或控制阀与控制器相距较远（60m）时，克服滞后，提高执行速度；5）用于高温或低温介质的场合，克服阀门填料与阀杆之间较大的干磨檫力；6）用于流体介质中含固体悬浮物或粘性较大的场合，克服介质对阀杆移动所产生的较大阻 力；第27页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择 7）用于改变控制阀气开、气关形式；8）用于分程控制，一个控制器输出信号带动两个以上的
23、控制阀，即每个控制阀只占用控制 器一段输出，走完全程；9）用于改变阀门流量特性，通过改变定位器反馈凸轮的形状，可使控制阀的线性、快开、等百分比流量特性互换。第28页，此课件共58页哦简单控制系统控制阀的选择控制阀的安装使用 安装时应注意的：1）安装前，控制阀和阀门定位器应经过检查调校，包括始、终点偏差、非线性偏差、正反行 程边差等项目。阀门定位器的输出不应有持续振荡。2）安装位置应便于维护，尽可能远离高温、机械振动及腐蚀性场合。3）控制阀最好垂直安装在水平管道上，特殊情况需要水平或倾斜安装时（除小口径阀外）一 般要加支撑。4）对无手轮机构的控制阀，或虽有手轮但属重要控制的场合，应设置旁路控制，
24、并安装切断 阀（上、下游各一个）。5）控制阀流向不能装反，连接口径不同时，应特制锥形大小头连接。6）在高压装置中，控制阀前后压差较大，液态流体通过阀要产生空化现象，阀后要串联限流 降压孔板。7）平时要对填料密封、阀杆移动、气路接头、膜片等定期检查，看其是否正常。第29页，此课件共58页哦简单控制系统常规控制器的控制规律及其选择iP控制器（比例控制器）特点：能比较迅速地克服扰动影响，亦能较快地稳定下来。使用场合：适用于干扰变化幅度小，自平衡能力强，对象滞后（指 ）较小，控制质量要 求不高，且系统允许有一定范围余差的场合。对系统各项性能指标的影响：使K增加，控制作用增强，其结果是余差减小，最大偏差
25、减小，工作频率提高；周期缩短，振荡倾向增加，稳定性下降。iPI控制器（比例积分控制器）特点：由于引入积分作用，系统具有消除余差的能力。使用场合：工艺要求静态无余差，控制对象容量滞后较小，负荷 变化幅值较大，但变化过程又较缓慢的场合。对系统各项性能指标的影响：越小，积分作用越强，系统的稳定性也相应地下降，消除余差能力增强。在某些系统中会出现积分饱和现象，应考虑采取抗积分饱和措施。第30页，此课件共58页哦简单控制系统常规控制器的控制规律及其选择iPD控制器（比例微分控制器）特点：由于引入微分作用，使系统具有超前控制功能，减小了动态偏差。使用场合：适用于控制对象 较大的场合（尤其是简单控制系统）。
26、对系统各项性能指标的影响：只要微分时间设置得当，系统的动态品质、稳定性都会有所提 高，过渡过程时间也会相应缩短。对于滞后很小，测量信号有噪音或周期性干扰的系统，不能采用微分作用。iPID控制器（比例积分微分控制器）使用场合：适用于负荷变化和对象容量滞后都较大，时滞不太大，且控制质量要求又较高，被控变量变化缓慢的场合。i控制器正、反作用的确定控制器设置正、反两种作用方式。从仪表的制造角度来讲，定义偏 差 ，即 增加，相应控制器输出增加，控制器为正 作用方式，放大倍数 的符号也为正，反之为负。但在系统中，一般定义偏差为 ，即 。第31页，此课件共58页哦简单控制系统常规控制器的控制规律及其选择 具
27、体地讲，当测量值 增加，要求控制器输出相应增加时，应选正作用控制器，反之应选反作用控制器。由于系统与仪表制造对偏差定义上的差别，所以在系统中选用正作用控制器时，对应的放大倍数 符号应为负。若选反作用方式，对应的 应为正。确定控制器作用方式的一般步骤：1）从安全、介质特性、减少经济损失方面考虑，首先确定控制阀的气开、气关形式；2）判断控制回路各环节的符号特性；3）选配满足系统各环节符号乘积为正的控制器作用方式；4）检验控制过程的正确性。第32页，此课件共58页哦简单控制系统系统间关联及减少关联途径 控制系统间的关联，从本质上讲，是由物理、化学性质之间的内在联系引起的。常用的减少关联的方法与途径：
28、i合理选择操纵变量i关联系统的控制器参数整定i合理匹配控制通道增益i串级控制法i设置解耦器第33页，此课件共58页哦简单控制系统简单控制系统的整定及投运i系统投运前的准备三熟悉电、气线路检查一次表与变送器的检查控制器的检查控制阀的检查综合检查i控制系统的投运通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地转到自动工作 状态。带有偏差表的控制器投运方法步骤：1）控制器给定开关置内给定，正、反作用置正确位置。按经验法先设置一组PID参数，控 制器切换开关置手动位置；2）用控制器的手动拨盘（或软、硬手动，或手操器）手动遥控控制阀；第34页，此课件共58页哦简单控制系统简单控制系统的整定及投运 3）当被控变
29、量通过一次表观察已接近工艺给定值，并相对稳定一段时间后，置被控变量在 控制器给定刻度值，使测量针与给定针重合。将控制器切换开关从手动望自动切换，因 电动 控制器有自动电流跟踪保持，所以，切换过程是无扰动的。此时，系统处于自动 控制状态。当控制器从自动切向硬手动时，应先调硬手动拨杆或拨盘，使其刻度与自动电流相同。同理，软手动向硬手动切换时，也要使硬拨杆对应的刻度与自动电流输出值一致，以保证 切换过程无扰动。不带偏差表头的控制器投运步骤同上。第35页，此课件共58页哦简单控制系统简单控制系统的整定及投运i控制器的参数整定方法：i理论计算参数整定法已知广义对象的数学模型，然后根据系统的各项质量指标要
30、求，通 过计算确定相应的PID参数。i现场工程整定法条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行的。1）经验法 2）衰减曲线法 3）临界比例度法 4）反应曲线法整定中应注意的问题l注意工艺条件l注意现场与实验室的整定差别l注意衰减比的选择l注意控制器参数间的匹配l注意新型控制仪表的特点和应用第36页，此课件共58页哦简单控制系统在线控制系统的故障分析i概述i就仪表部分的整个故障来讲，故障比例较大的是执行机构，其次是测量元件和一次表。i分析故障要做到“两了解”i应比较透彻地了解控制系统的设计意图、结构特点、控制器参数要求等。i应了解有关系统的工艺情况及其特殊条件。i一般性故障判断i记录曲线突变，记录指针
31、在最大或最小位置时，故障多半出于仪表部分。i记录曲线呈直线状不变化，或记录曲线原来一直有波动，突然变成了一条直线，故障极有可能出在仪表部分。i记录曲线一直正常波动，但记录曲线慢慢地变得无规则，或慢慢地使 系统难以自控，甚至手控也没有办法，故障极有可能出于工艺部分。第37页，此课件共58页哦复杂控制系统串级控制系统基本原理及结构 在多回路控制系统中，用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这样的系统称为串级控制系统。方块图：串级控制系统方块图 在串级控制系统中，对象（图中虚线所示部分）被分为主对象 与副对象 两部分。它们的输出分别为主被控变量 和副被控变量 。和 分别为主、
32、副被控变量的检测变送单元。接受主被控变量测量值 的控制器称为主控制器，接受副被控变量测量值 的控制器称为副控制器。副控制器的设定值 为主控制器的输出 ，显然副控制器是在外设定情况下工作的，它的输出 操纵执行器 ，通过改变单个操纵变量 来满足主、副被控变量的某种组合所提出的要求。第38页，此课件共58页哦复杂控制系统串级控制系统可见，在任意给定时刻，只能有一个独立的设定值，即主设定值 。一般来说，主被控变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数，使它保持平稳，并等于工艺规定的设定值是控制的主要目标。副被控变量的设置通常只是为了保证和提高主被控变量的控制质量，而对其本身一般都没有很严格的要
33、求，它依赖于主控制器的输出 。因此，整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。主回路由主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。第39页，此课件共58页哦复杂控制系统串级控制系统i串级控制系统的特点对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。改善主控制器 的广义对象的特性；对负荷和操作条件的变化有一定的自适应能力；副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。第40页，此课件共58页哦复杂控制系统串级控制系统i串级控制系统的应用场合用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰设计时把变化剧烈和幅值大的干扰包含在副回路中，并把副控制器的增
34、益 整定得比较大，就会使扰动在影响主被控变量之前由副控制器予以校正，从而把干扰对主被控变量的影响减小到最低的程度。用于时滞较大的对象可在离控制阀较近、时滞较小的地方，选择一个辅助参数作为副参数，构成一个副回路。当扰动作用于副回路时，在它通过时滞较大的主对象去影响主参数之前，有副回路实现对主要扰动的控制，从而克服时滞的影响。副回路时滞小，控制及时，可以大大减小扰动对主参数的影响。用于容量滞后较大的对象在工业生产中，许多以温度或质量参数作为被控变量的控制对象，其容量滞后往往比较大。可选择一个滞后较小的辅助参数组成副回路，使等效副对象的时间常数减小，以提高系统的工作频率，加快响应速度。缩短控制稳定时
35、间，从而获得较好的控制质量。用于克服对象的非线性一般工业对象的静特性都有一定的非线形。当负荷比较稳定时，可使用简单控制系统。但当负荷变化较大且频繁时，可将具有较大非线性的部分对象包括在副回路中，构成串级控制系统。第41页，此课件共58页哦复杂控制系统串级控制系统i串级控制系统的参数整定即通过改变主、副控制器的参数，来改善控制系统的 静、动态特性，以求得最佳的控制过程。串级控制系统从主回路看是一个定值控制系统，因而其控制质量指标和简单定值控制系统相似。从副回路看，它是一个随动系统，一般来说，对它的控制质量要求不高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。常用的工程整定方法：1）逐步逼近
36、法 2）两步整定法 3）一步整定法第42页，此课件共58页哦复杂控制系统均匀控制系统i均匀控制的概念均匀控制是在连续生产过程中各种设备前后紧密联系的情况下提出来的一种特殊的液位（或气压）流量控制。其目的在于使液位保持在一个允许的变化范围，而流量保持平稳。均匀控制系统是指控制方案所起的作用而言，从结构上看，它可以是简单控制系统，可以是串级控制系统，也可以是其它控制系统。因此，所谓均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。第43页，此课件共58页哦复杂控制系统均匀控制系统i均匀控制系统的特点表征前后供求矛盾的两参数，在其控制过程
37、中都应该是变化的。控制过程的变化应是缓慢的。这种变化应是局限在一定范围内的。第44页，此课件共58页哦复杂控制系统均匀控制系统i均匀控制系统的结构形式简单均匀方案 1）从控制的目的要求看，定值控制要求保持液位在设定值上，它是以出料量的变化来换取 液位不变；而均匀控制为了协调液位与出料量之间的关系，允许它们在各自许可的范围 内缓慢地变化。2）简单均匀控制方案结构简单，用的仪表少。但是，当后一设备有压力波动或液位对象本 身具有自衡作用时，尽管控制阀开度不变，其出料量仍会发生相应的变化。所以，简单 均匀控制只适用于干扰较小，对流量的均匀程度要求较低的场合。第45页，此课件共58页哦复杂控制系统均匀控
38、制系统串级均匀方案 1）当有其它干扰因素影响流量时，可组成一个流量副回路，采用液位对流量的串级均匀控 制方案。当液位控制器比例度较大，积分时间较长时，两个被控变量都比较平稳。2）从控制的目的要求看，串级控制对主被控变量而言是定值系统；而串级均匀方案为了达 到两参数均匀的目的，允许主、副变量都在各自许可的范围内缓慢地变化。3）串级均匀控制系统由于增加了一个副回路，增强了抗干扰能力，因而控制质量比简单均 匀控制系统高。4）串级均匀控制系统适用于：a）容器内压力或排出端压力较大及液位自衡作用显著的场合。b）采用离心泵抽出，且泵的流量特性受压力波动影响较大的场合。c）当流体为气体时，反映物料贮存量的变
39、量将是压力而不是液位。采用压力对流量的串 级控制系统，只要控制器参数整定合适，也可起到均匀控制的作用。第46页，此课件共58页哦复杂控制系统均匀控制系统i均匀控制系统控制器参数整定理论计算法经验整定法停留时间法第47页，此课件共58页哦复杂控制系统比值控制系统i基本原理及结构有些生产过程常需保持两种物料的流量成一定比例关系，一旦比例失调就会影响产品质量和数量，甚至造成生产和安全事故。在需要保持比例关系的两种物料中，必定有一种物料处于主导地位，称此物料为主动量 ，而另一种物料按主动量进行配比，跟随主动量而变化，称此物料为从动量 。比值控制系统的结构方案可分为三大类：1）开环控制 2）简单控制 a
40、）单闭环 b）双闭环 3）串级控制第48页，此课件共58页哦复杂控制系统比值控制系统i两种实施方案的比较相乘方案 采用相乘方案构成的定比值控制系统，可用比值器，或配比器，或分流器，或乘法器实现比值控制。在变比值控制系统中，则必须用乘法器实现比值控制。相除方案1）由于除法器的输出直接代表两流量信号的比值，所以可直接对它进行比值指示和比值越 限报警，这样比值就很直观，并且比值可直接由控制器进行设定，操作方便。2）缺点：如果控制器参数保持不变，则在负荷增加或减少时，系统的稳定性有很大差别。在大负荷时又变得相当迟钝。同时，调整比值系数时，系统的稳定情况也出现较 大的变化。第49页，此课件共58页哦复杂
41、控制系统比值控制系统i比值系数的设置 工艺上要求的比值 是指两流体的质量或体积流量之比，而通常所用的单元组合仪表使用的是统一标准信号。把工艺上的比值 折算成仪表上的比值系数 ，才能进行比值设定。比值系数的折算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。采用线性流量检测装置的情况采用节流装置，为加开方器的情况第50页，此课件共58页哦复杂控制系统比值控制系统i比值控制系统的几种变型快速跟踪无限可调范围均分控制第51页，此课件共58页哦复杂控制系统前馈控制系统i基本原理及结构前馈控制是按扰动而控制的。常用的前馈控制系统：1）单纯的前馈控制系统2）前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈控制作
42、用相乘3）前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈控制作用相加（代数和）第52页，此课件共58页哦复杂控制系统前馈控制系统i系统设计前馈控制的前提条件：1）扰动必须可测，即指扰动可直接测量，也不排斥可间接测量的。2）扰动必须是显著的和频繁的：显著即指不在乎扰动本身的大小，而是指扰动对被控变量 的数值有显著的影响；频繁即指扰动出现的次数较多。前馈补偿装置的控制算法目前常用的前馈补偿控制装置的控制算法有：1）“”型静态前馈；2）“”及“”型动态前馈在存在阀前扰动时，需引入流量副回路。第53页，此课件共58页哦复杂控制系统分程控制系统i基本原理及结构一个控制器的输出同时送往两个或更多的执行器，
43、而各个执行器的工作范围不同，这样的系统叫做分程控制系统。分程控制系统中的控制器的输出信号一般可分为2 4段，每一段带动一个控制阀动作。从系统结构上看，分程控制系统属简单反馈控制系统。但与简单控制系统相比却又有其特点，即控制阀多而且实现分程控制。分程的目的：1）不同的工况需要不同的控制手段；2）扩大控制阀的可调范围。第54页，此课件共58页哦复杂控制系统分程控制系统i实施时的几个问题控制阀泄漏量的要求在分程控制中，必须做到控制阀在全关的情况下不泄漏或泄漏极小。分程控制可利用阀门定位器或其它仪表来实现合理选择发的流量特性对于旨在扩大可调范围的情况，在实现分程控制的两个控制阀流量特性的交接点处，要求
44、平滑变化。为了缓和在分程点出现的增益突变，习惯上采用信号重叠方法。分程控制系统从本质上将是简单控制系统。控制器的选择和参数整定可参照简单控制系统原则处理。在运行中，如果两个通道特性不同，就是说广义对象特性是两个，那么一组控制器参数是不能同时满足两个对象特性的。遇此情况，只好照顾正常工况下的控制对象特性，即在正常工况下整定控制器的参数，并兼顾另一阀操作时，工艺参数能在允许范围内即可。第55页，此课件共58页哦复杂控制系统选择性控制系统i基本原理及结构选择性控制是过程控制中属于约束性控制一类的控制方案。选择性控制系统根据选择器在其中所处的位置不同，可分为两种基本类型：1）选择器位于两个控制器与一个执行器之间；2）选择器装在几个检测元件（或变送器与控制器之间）。第56页，此课件共58页哦复杂控制系统选择性控制系统i工程设计和实施时的几个问题选择器的类型选择器的选型控制器的防积分饱和措施第57页，此课件共58页哦复杂控制系统预估补偿控制系统i基本原理及结构史密斯预估器的模型补偿原理是在PID控制回路上再并联一个补偿回路，以此抵消被控对象的时滞因素。因此系统的动态质量大大提高。在实际应用中，史密斯预估器并不接在被控对象上，而是反向并接在控制器上。预估补偿控制的弱点是对过程模型精确性的依赖性极大，如模型的 与实际值有差时，系统的品质要下降。第58页，此课件共58页哦