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承德石油高等专科学校重点课程建设热工仪表及自动化（适用于热工、制冷、储运、智建专业）热工仪表教研室,第六章常用自动控制系统分析,主要内容单回路自控系统分析及整定串级控制系统分析及整定前馈--反馈控制系统分析其它控制系统分析,6-1单回路自控系统分析及整定,搞清楚单回路控制系统设计的一般原则，了解系统投运的过程被控变量的选择操纵变量的选择在系统设计时对检测变送环节的考虑调节器控制规律的选择,一、单回路控制系统的设计,被控变量的选择,,,储罐,,HT,,,,,,,,HC,差压变送器,液位调节器,执行器,直接控制变量,被控变量的选择,,间接控制,操纵变量的选择,控制通道特性对控制质量的影响放大系数K的影响时间常数T的影响纯滞后τ0的影响扰动通道特性对控制质量的影响操纵变量必须是工艺上允许控制的变量操纵变量对被控变量的影响应比扰动对被控变量的影响更灵敏应使主要扰动进入的位置靠近调节阀，远离被控变量的检测元件,对检测变送环节的考虑,纯滞后,,PH值控制系统示意图,式中分别为主管道，支管道的长度和液体流速,对检测变送环节的考虑,Y,Y,T,减小滞后的办法正确选择检测元件的安装位置选用快速检测元件在检测元件之后引入微分作用，以补偿测量滞后的动态误差,信号传送滞后,信号传送滞后是指气压信号在管路传送过程中所引起的滞后减小的的办法尽量缩短气压信号的的长度使用气-电转换器按实际情况采用基地式调节器，以消除变送器到调节器之间的信号传送滞后,调节器控制规律的选择,控制规律对控制质量的影响,Y,T,PI,P,PID,PD,各种控制作用过渡过程比较,调节器控制规律的选择,控制规律的的选择位式调节器适用于滞后较小，负荷变化不大，控制质量要求不高比较控制是最基本的控制规律，它的输入，输出成比例比例积分控制用于控制通道滞后小，负荷变化不大，工艺上允许有余差的场合比例微分控制能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小加快了控制过程，改善了控制质量,二、单回路控制系统整定,调节器参数的整定就是在一个已经调校好的控制系统中，去选择和设置合适的调节器的比例度、积分时间和微分时间，使调节器与过程的特性相适应，来改善系统的静态和动态特性，获取最佳控制效果系统整定方法临界比例度法衰减曲线法经验法,临界比例度法,具体整定方法在闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大，Td置零，系统处于纯比例作用之下根据临界过程参数即δk和Tk，按经验公式计算出调节器的各个参数值δ、Ti、Td。将比例度调在比计算值略大一点，积分时间和微分时间分别置于计算值上，观察过渡过程曲线逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修改Ti和Td，直至获得满意的过渡过程曲线为止,衰减曲线法,具体整定方法在闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零，使系统处于纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳定用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比直到出现41衰减比为止，记下此时的比例度δs，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts根据δs、Ts、按表5-2中的经验公式计算出调节器的各个参数值δs、Ts、Ti、Td。将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上，Ti、Td分别置于计算值上，观察过渡过程曲线，逐渐将比例度降至计算值上，圩至过渡过程曲线满意为止,经验法,经验凑试法的两种整定顺序认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微分的顺序闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零、δ取经验数据，改变设定值加入扰动，观察记录曲线，若超调量大且趋于非周期，应减小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，使系统达到41衰减振荡的过渡过程为止,,在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大10-20，然后再将积分时间Ti由大到小进行凑试，若曲线回复时间很长，应减小Ti；若曲线波动较大则应增大Ti，直到系统达到41衰减振荡的过渡过程为止若系统需加入微分作用，δ应取得比纯比例作用时更小些，Ti也应减小些，一般先取Td1/3～1/4Ti，将微分时间Td由小到大凑试，若曲线超调量大而衰减慢，应增大Td；若曲线振荡厉害则应减小Td，同时观察曲线，适当调整Ti、δ，以使过渡时间短、超调量小，控制质量达到工艺要求为止,调节器参数的经验值,调节器参数,控制规律,经验法,经验整定法的关键是──看曲线、调参数一般情况下，调节器的比例度过小、或积分时间过短、或微分时间过长，都会产生周期性的剧烈振荡，甚至等幅振荡如果比例度过大或积分时间过长，都会使过渡过程变化缓慢，不能较快达到稳定状态整定过程过程中，除调节器参数影响过程曲线外，系统中的变送器、调节器、调节阀等调校不良、选择不当以及系统中存在正弦干扰等等原因，都会引起被控变量的振荡，都会在过渡过程曲线中反映出来，要进行具体分析，正确判别其原因,三、单回路控制系统的投运,准备工作熟悉工艺过程现场校验检查调节器的正、反作用方向及调节阀的气开、气关形式系统投放安装示意图DTL-121型调节器组成控制的投放QTL-500型气动调节器组成控制系统的投放,锅炉水位控制系统,锅炉汽包水位控制系统，调节阀采用气关式，一旦调节阀的输入信号中断时，阀门自动打开，给锅炉供水，以防止锅炉烧干而出事故,换热器出口温度控制,换热器出口温度控制系统。调节阀采用气开式，一旦调节阀的输入信号中断时，阀门自动关闭，以防止换热器温度不断升高而使被加热物料分解,系统投运,系统投运一般要经过现场人工操作、手动遥控、自运控制等三个步骤,6-2串级控制系统分析及整定,串联控制系统概述加热炉出口温度与炉膛温度串联控制系统串联控制系统的构成及其方块图串联控制的工作过程串联控制系统的特点及适用场合对进入副回路的扰动有较快，较强的能力可以改善过程的特性可以消除副过程和调节阀非线形特性的影响,一、串级控制系统,串联控制系统的设计副变量的选择和副回路的设计副回路必须包括主要扰动和较多个扰动副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞适当匹配主、副回路变量间在工艺上有一定的内在联系、考虑工艺的合理和经济性主、副调节器控制规律的选择主、副调节器正、反作用的确定,加热炉出口温度与炉膛温度的串联控制系统,管式加热炉出口温度控制系统,系统能把所有的扰动都包括在控制回路之中，并用一个温度调节器来教正扰动的影响,加热炉出楼温度串联控制系统,解决滞后时间大与控制质量要求高之间的矛盾，保持加热炉出口温度为某一定值,串联控制系统的构成及其方块图,串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、一个调节阀组成的。两个调节器是串联工作的，其中主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出才送往调节阀，其组成方块图如图,系统方框图,串联控制系统的工作过程,串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。以加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统为例,加热出口温度串联控制系统方框图,串联控制系统的工作过程,一旦系统受到扰动破坏了平衡，引起主、副变量偏离设定值时，系统的主、副调节器便进行工作，根据扰动进入系统的位置的不同，可分为以下三种情况扰动作用于副回路扰动作用于主过程扰动同时作用于副回路和主过程,串级控制系统特点及适用场合,在串级控制系统中，由于副回路的存在，对于进入其中的扰动具有较强的克服能力；由于副回路的存在，改善了过程的动态特性，加快了系统的工作频率，提高了控制质量。此外，副回路的快速随动特性，使串级控制系统具有一定的自适应能力。因此当过程的时间常数大，滞后大，负荷变化大，扰动作用大而频繁，对于控制品质要求又高，单回路控制不能满足要求时，则宜采用串级控制系统。在热力生产过程中，锅炉给水控制系统、过热蒸汽温度控制系统、燃烧过程自动控制系统都大量采用串级控制系统,副回路必须包括主要扰动和较多个扰动,加热炉出口温度与燃料流量串联控制系统,加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中，若主要扰动是炉膛压力和燃料热值的变化，它们都要先反映,在炉膛温度的变化上，故选炉膛温度为副变量，使主要扰动进入副回路,聚合釜串级控制系统,副过程的动态特性将大大改善，可以充分发挥副回路的长处，构成加热炉出口温度与燃料流量串级的控制系统。如图。这种串级控制方案的应用是很多的,副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞适当匹配,在串级控制系统中，由于主、副调节器是串联工作的，主、副回路间的动态联系十分密切，具有相互关联作用。当主、副过程的时间常数相近时，主、副回路的工作频率也就很接近，这样，在扰动作用下，不论哪个变量发生振荡，必然引起另一个变量也振荡，它们相互影响，使主、副变量大幅度地变化，系统不能正常工作，产生“共振”。共振现象对系统的运行很不利，其防止的措施是在设计时应将主、副过程的时间的常数错开；在运行中整定调节器参数时把主、副回路的工作频率拉开。,主、副变量间在工艺上应有一定的内在联系,在串级控制中引入副变量，是为了提高和保证主变量的控制质量。当主变量选定以后，选择的副变量与主变量之间必须要有一定的对应关系。从串级控制系统的方块图上看，操纵变量的变化，首先是影响副变量，再由副变量去影响主变量，主、副变量间在工艺上有串联对应的关系。也就是说，控制好所选的副变量就能使主变量尽快回到或稳定在设定值上。,主、副调节器控制规律的选择,不同情况下选用的控制规律,主副调节器正、反作用的确定,在串级控制系统中，主、副调节器是串联工作的，在系统投运和整定之前，必须确定主副调节器的正、反作用。串级控制系统中，副调节器的正、反作用是根据调节阀气开、气关决定的；主调节器的正、反作用是根据副变量对主量的影响确定的，一般与调节阀气开、气关形式无关，只有在要求系统进行主控时，才考虑调节阀气开、气关形式。,6-3前馈--反馈控制系统分析,前馈控制系统反馈控制能将引起被控变化的所有扰动都包括在系统之中，调节器是按偏差进行工作的。因此只有在扰动使被控变量偏离设定值以后，调节器才进行控制，以克服扰动对被控变量的影响。前馈控制是改善和克服反馈控制不及时性的另一种控制方法。它是利用补偿原理，采用开环结构，按扰动作用的大小进行控制的前馈--反馈控制系统,工艺要求保持加热器出口温度为某一定值。影响加热器出口温度的因素很多，有进料流量和温度的变化（用扰动ｆ1表示）、加热蒸汽压力的变化（用扰动ｆ2表示）等等。加热器出口温度的反馈控制系统如图所示,如果进料流量的变化很大而且频繁，是影响加热器出口温度的主要扰动，加热器的滞后现象又较显著单回路反馈控制达不到工艺的要求，这时可以采用前馈控制，如图,反馈控制与前馈控制的不同,系统的检测信号不同。前者是被控变量，后者是扰动量系统控制的依据不同。前者是偏差的大小，后者是扰动量的大小控制模式不同。前者采用常规的ＰＩＤ调节器，能校正包括在系统中的全部扰动（ｆ1、ｆ2等），而后者只能对引入补偿装置的扰动量进行校正,,图是换热器的前馈－反馈控制系统，它是单回路反馈控制与前馈控制的组合。系统中前馈控制补偿进料量的变化，反馈控制则克服其它扰动因素。系统的校正作用是前馈补偿装置FFC和温度调节器TC输出信号的叠加，通过加法器相加以后送往调节阀，能较快地把物料出口温度稳定在设定值上,图是加热炉的前馈－反馈控制系统。若负荷变化是主要扰动原料的流量检测信号直接送往前馈补偿装置FFC，补偿后的输出与炉出口温度调节器TC的输出相叠加以后，去控制燃料流量，这样的控制系统能使炉出口温度的稳定程度大大提高,,锅炉蒸汽压力选择性控制系统,图为辅助锅炉蒸汽压力与燃料压力组成的选择性控制系统。蒸汽符合随用户的需要多少经常性的波动，蒸汽压力与进入炉膛的燃料有关。,水温控制系统,谷物湿度控制系统,6-4其它控制系统分析（1学时）,比值控制系统的类型单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统变比值控制系统比值控制系统的构成方案一类是相乘的方案一类是相除的方案,一、比值控制系统,,,,,单闭环比值控制系统的原理如图6-13所示，系统中主流量Q1处于开环，副流量Q2构成了闭环。主流量Q1的测量信号经比值运算器乘以K作为副流量调节器F2C的设定，副流量系统作为一个随动控制系统，使副流量能依一定的比值关系跟随主流量而变化,双闭环比值系统,,,如果主流量、副流量都由闭合回路来控制，而且两者之间通过比值器实现一定的比值关系，就构成了双闭环比值控制。右图所示为双闭环比值控制系统,变比值控制系统,变比值控制系统是以比值系统作为串级的副回路，通过自动校正比值来提高主变量的控制精度。由于系统中的主流量、副流量是在主变量的校正下在一定范围内变化的，因此这种系统又称为串级比值控制系统。系统中的主调节器，按串级控制系统中主调节器要求选择，比值系统按单闭环比值控制系统来确定。,选择性控制系统,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,汽包,给水,炉膛,蒸汽,燃料,反,反,LS,图为辅助锅炉蒸汽压力与燃料压力组成的选择性控制系统。蒸汽符合随用户的需要多少经常性的波动，蒸汽压力与进入炉膛的燃料有关。,