简单控制系统的方案设计.ppt

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广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院第二节简单控制系统的方案设计第六章第六章简单控制系统的设计简单控制系统的设计广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院对于过程控制系统的工程设计与应用来说，控对于过程控制系统的工程设计与应用来说，控制方案的设计是制方案的设计是核心核心。

简单控制系统的系统结构已确定，控制方案设简单控制系统的系统结构已确定，控制方案设计所包含的内容是：

计所包含的内容是：

依据生产工艺要求合理选择系统性能指标，合理选依据生产工艺要求合理选择系统性能指标，合理选择被控参数和控制变量择被控参数和控制变量合理选择控制装置及控制规律合理选择控制装置及控制规律测量变送装置、执行器（调节阀）的选择测量变送装置、执行器（调节阀）的选择调节器调节器调节阀调节阀过过程程测量变送装置测量变送装置给定值给定值偏差偏差干扰干扰被控参数被控参数（操纵变量操纵变量）控制参数控制参数广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院一、被控参数的选择一、被控参数的选择被控参数，又称被控变量、被控量。

被控参数，又称被控变量、被控量。

选择被控参数是控制方案设计中的重要一环，选择被控参数是控制方案设计中的重要一环，对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节能、对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节能、改善劳动条件、保护环境卫生等具有决定性意改善劳动条件、保护环境卫生等具有决定性意义。

义。

若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制装置，制系统，选用多么先进的过程检测控制装置，均不能达到预期的控制效果。

均不能达到预期的控制效果。

广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院1、选择被控参数的意义、选择被控参数的意义根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护保护等具有等具有决定性决定性作用，能较好反映工艺生产作用，能较好反映工艺生产状态变化的参数，这些参数又是人工控制难以状态变化的参数，这些参数又是人工控制难以满足要求，或操作十分紧张、劳动强度很大，满足要求，或操作十分紧张、劳动强度很大，客观上要求进行自动控制的参数作为被控参数。

客观上要求进行自动控制的参数作为被控参数。

广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院2、被控参数的选择方法、被控参数的选择方法被控参数的选择一般有两种方法，一是被控参数的选择一般有两种方法，一是直接参直接参数法数法，二是，二是间接参数法间接参数法。

直接参数法直接参数法选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控参数。

测量的参数作为被控参数。

间接参数法间接参数法选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。

有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。

当选择直接参数有困难时，如直接参数检测很困难当选择直接参数有困难时，如直接参数检测很困难或根本无法进行检测，可采用间接参数法。

或根本无法进行检测，可采用间接参数法。

广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院被控参数的选择被控参数的选择方法方法-直接参数法例例1储罐液位控制系统储罐液位控制系统工艺要求储罐液位稳定。

那么设计的控制系统工艺要求储罐液位稳定。

那么设计的控制系统就应以就应以储罐液位储罐液位为被控参数。

为被控参数。

储罐LTLC差压变送器液位调节器执行器广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院被控参数的选择被控参数的选择方法方法-直接参数法例例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统就应以出口温度出口温度为被控参数。

为被控参数。

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TTTC广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院例例3化工的精馏物化工的精馏物纯度控制系统纯度控制系统精馏塔是利用混合精馏塔是利用混合物各成分挥发度不物各成分挥发度不同，将混合物分离同，将混合物分离成较纯组分产品或成较纯组分产品或中间产品的设备。

中间产品的设备。

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被控参数的选择方法被控参数的选择方法-间接参数法广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院精馏过程要求产品达到规定精馏过程要求产品达到规定的纯度，并希望在额定生产的纯度，并希望在额定生产负荷下，尽可能地节省能源。

负荷下，尽可能地节省能源。

塔顶馏出物（或塔底残液）塔顶馏出物（或塔底残液）的浓度应选作被控变量，因的浓度应选作被控变量，因为它最直接地反映了产品的为它最直接地反映了产品的质量。

质量。

但目前对成分的测量尚有一但目前对成分的测量尚有一定的困难，没有合适的仪表定的困难，没有合适的仪表在线检测馏出物的纯度，则在线检测馏出物的纯度，则不能直接作为被控变量。

不能直接作为被控变量。

苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯被控参数的选择方法被控参数的选择方法-间接参数法广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院只好在与馏出物的纯只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺度有单值关系的工艺参数中，找出合适的参数中，找出合适的变量作为被控变量，变量作为被控变量，进行间接参数控制。

进行间接参数控制。

经工艺分析发现，塔经工艺分析发现，塔内压力和塔内温度都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需要对二者进行比较试验，选出一个合适试验，选出一个合适的变量。

的变量。

苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯被控参数的选择方法被控参数的选择方法-间接参数法广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院间接被控变量的确定间接被控变量的确定经经试试验验得得出出，塔塔顶顶馏馏出出物物苯苯的的浓浓度度分分别别与与压压力力和和温温度度有有单单值值对对应应关关系系。

（塔塔底底馏馏出出物物甲甲苯苯也也一一样样）从工艺合理性考虑，选择从工艺合理性考虑，选择温度温度作为被控变量。

作为被控变量。

被控参数的选择方法被控参数的选择方法-间接参数法广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院一般采用一般采用塔顶（或塔塔顶（或塔底）温度底）温度代替浓度作代替浓度作为被控参数。

为被控参数。

间接控制变量间接控制变量被控参数的选择方法被控参数的选择方法-间接参数法广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院3、选取被控参数的一般原则、选取被控参数的一般原则优先选择对产品的产量和质量、安全生产、经优先选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有济运行和环境保护具有决定性决定性作用的、可作用的、可直接直接测量测量的工艺参数为被控参数。

的工艺参数为被控参数。

当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有一个与直接参数有单值函数关系的间接参数单值函数关系的间接参数作作为被控参数。

为被控参数。

被控参数必须具有被控参数必须具有足够高的灵敏度足够高的灵敏度。

被控参数的选取，必须考虑工艺过程的被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性合理性。

必须考虑过程检测控制仪表及装置的现状。

必须考虑过程检测控制仪表及装置的现状。

对于一个已经运行的生产过程，被控变量往往是由工艺要求事先确定的。

对于一个已经运行的生产过程，被控变量往往是由工艺要求事先确定的。

广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院二、控制变量的选择二、控制变量的选择在正确选择被控参数后，就要确定构成一个怎在正确选择被控参数后，就要确定构成一个怎样的控制回路。

样的控制回路。

确定一个控制回路，实质上就是选择控制变量确定一个控制回路，实质上就是选择控制变量的问题。

的问题。

控制变量又称控制参数、控制量、操纵变量控制变量又称控制参数、控制量、操纵变量把用来克服干扰对被控参数的影响，把用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量。

实现控制作用的变量。

广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院被控参数选定以后，应对工艺进行分析，被控参数选定以后，应对工艺进行分析，找出所有找出所有影响被控参数的因素影响被控参数的因素。

在这些变量中，有些是可控。

在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。

的，有些是不可控的。

在诸多影响被控参数的因素中在诸多影响被控参数的因素中选择一个选择一个对被控参数对被控参数影响显著且便于控制的变量，影响显著且便于控制的变量，作为控制变量作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的其它未被选中的因素则视为系统的干扰干扰。

被控变量被控变量影响变量影响变量1、选择控制变量的意义、选择控制变量的意义广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院扰动量对被控参数的作用通道称为扰动量对被控参数的作用通道称为扰动通道扰动通道；控制变量对被控参数作用的通道称为控制变量对被控参数作用的通道称为控制通道控制通道。

扰动量通过扰动通道对被控参数产生影响，使扰动量通过扰动通道对被控参数产生影响，使被控参数偏离给定值。

被控参数偏离给定值。

控制作用通过控制通道对被控参数起主导影响，控制作用通过控制通道对被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数回复到给定值。

抵消扰动影响，以使被控参数回复到给定值。

确定一个控制回路，实质上就是选择控制变量确定一个控制回路，实质上就是选择控制变量的问题。

的问题。

广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院在有的生产过程中，控制变量的选择是很明显在有的生产过程中，控制变量的选择是很明显的，是唯一确定的。

的，是唯一确定的。

但是在有的生产过程中，可能有几个控制变量但是在有的生产过程中，可能有几个控制变量可供选择，这就要可供选择，这就要通过分析比较通过分析比较不同的控制通不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出合理的选择。

合理的选择。

正确选择控制变量，就是正确选择控制通道的正确选择控制变量，就是正确选择控制通道的问题。

问题。

广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院阀阀1阀阀2LCLTLCLT广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院确定控制变量的确定控制变量的基本方法基本方法：

通过对工艺过程的分析，找出影响被控参数变通过对工艺过程的分析，找出影响被控参数变化的因素，根据对象控制通道特性和扰动通道化的因素，根据对象控制通道特性和扰动通道特性对控制质量的影响，正确选择特性对控制质量的影响，正确选择可控性良好可控性良好的变量作为控制变量。

的变量作为控制变量。

阀阀1阀阀2广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院2、过程静态特性的分析、过程静态特性的分析简单控制系统的框图如图所示简单控制系统的框图如图所示Wc（s）为控制器与执行机构的传递函数为控制器与执行机构的传递函数Wo（s）为控制通道的传递函数为控制通道的传递函数Wf（s）为扰动通道的传递函数为扰动通道的传递函数并设并设广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院过程静态特性的分析过程静态特性的分析被控量被控量Y（s）对扰动）对扰动F（s）的闭环传递函数为）的闭环传递函数为广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院广西大学电气工程学院过程静态特性的分析过程静态特性的分析由于系统是稳定的，所以在阶跃扰动作用下，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系统稳态值可应用终值定理求得过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制变量的一个重