第十三章 自动控制系统.docx
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第十三章自动控制系统
第十三章自动控制系统
第一节 概述
一、自动控制系统的组成
自动控制系统在化工生产过程中经常用到，它一般由被控对象、检测元件（包括变送器）、控制器和调节阀四部分组成。
方块图如下：
扰动f
设定x ＋ 偏差e 操纵变量 被控变量
-
z
测量
（1）被控对象：
需要实现控制的设备或生产过程，称为被控对象。
（2）被控变量：
被控对象内要求保持设定值的物理量称为被控变量。
（3）操纵变量：
受控制器操作，用以使被控变量保持设定值的物料量称为操纵变量。
（4）干扰（扰动）：
除操纵变量外，作用于对象，并能引起被控变量变化的因素称为干扰（扰动）
（5）设定值：
被控变量的目标值称为设定值。
（6）偏差：
偏差是指被测变量的设定值与实际值之差，但是在实际生产过程中能够直接获取的是被控变量的测量值信号，而不是实际值，因此通常把给定值与测量值之差称为偏差。
二、控制系统的分类
控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、成份等控制系统。
按系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统。
按被控变量的多少来分，有单变量和多变量控制系统。
但是最基本的分类方法有下列几种：
（一）按系统的结构特点来分
1、反馈控制系统（闭环控制系统）
反馈控制系统是指系统的输出（被控变量）通过变送器环节，又返回到系统的输入端，与给定信号相比较，以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用。
由于整个系统构成了一个封闭的反馈回路，所以该系统也称为闭环控制系统。
该系统是根据被控变量与给定值的偏差进行工作的。
偏差是控制的依据，最后要达到减小或消除偏差的目的。
它是控制系统中一种最基本的形式。
2、前馈控制系统（开环控制系统）
控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统称为前馈控制系统，也称为开环控制系统。
前馈控制系统是根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。
由于前馈控制系统最终无法检查控制的效果，因而在实际生产过程中是不能单独采用的。
3、复合控制系统（前馈－反馈控制系统）
在反馈控制系统中引入前馈控制，构成复合控制系统，从而可以提高控制质量。
（二）按给定信号的特点来分
1、定值控制系统：
所谓定值控制系统是指这类控制系统的给定值是恒定的。
该系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，即在扰动作用下仍能使被控变量保持在设定值（给定值）或在允许范围内。
2、随动控制系统：
随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间任意变化的控制系统。
它的主要作用是克服一切扰动，使被控变量随时跟踪给定值。
在化工生产过程中，有些比值控制系统就属于此类。
3、顺序控制系统：
顺序控制系统是被控量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。
三、控制系统的过渡过程及品质指标
（一）控制系统的过渡过程
一个处于平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用后，被控变量发生变化；与此同时控制系统的控制作用将被控变量重新稳定下来，并力图使其回到设定值或设定值附近。
一个控制系统在外界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为控制系统的过渡过程。
控制系统的过渡过程有以下几种形式：
1、发散振荡过程：
控制系统受到干扰作用后，非但不能使被控变量回到设定值，反而使它越来越剧烈地振荡起来。
2、等幅振荡过程：
系统受到干扰后，被调参数做振幅恒定的振荡而不能稳定下来。
3、衰减振荡过程：
被控变量经过一段时间的衰减振荡后，最终能够重新稳定下来。
4、非周期衰减过程：
被控变量最终也能稳定下来，但过程缓慢，而且被控变量长期偏离设定值一边。
也称为单调过程。
（二）、过渡过程品质指标
一个合格的、稳定的控制系统，当受到外界干扰后，被控变量的变化应是一条衰减的曲线。
常采用以下几个指标来衡量一个过渡过程：
1、衰减比：
它是表征系统受到干扰后，被控变量衰减程度的指标。
其值为该衰减曲线上前后两个相邻峰值之比，一般希望在4:
1至10:
1之间。
2、余差：
它是指控制系统受到干扰后，过渡过程结束时被控变量的残余偏差，即被控变量在扰动后的稳态值与设定值之差。
余差要满足要求。
3、最大偏差：
它表示被控变量偏离给定值的最大程度。
4、过渡过程时间：
也称调节时间，它是指干扰产生后，直至被控变量建立新的平衡状态为止的这段时间。
过渡过程时间愈短愈好。
5、振荡周期：
被控变量两个相邻波峰之间的时间叫振荡周期，一般也希望振荡周期越短越好。
第二节简单控制系统
一、简单控制系统的组成
简单控制系统又称单回路反馈控制系统，是指由一个被控对象，一个测量变送器，一个控制器和一台调节阀组成的单回路闭合控制系统。
简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位、成分等五种控制系统。
1、选择被控变量
被控变量选择是十分重要的，应该从生产过程对自动控制的要求出发，合理地选择被控变量。
被控变量的选择原则为：
（1）选用质量指标作为被控变量，它最直接也最有效。
（2）当不能用质量指标作为被控变量时，应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为被控变量。
（3）当被表征的质量指标变化时，被控变量必须有足够的灵敏度和足够大小的信号。
（4）选择被控变量时，必须考虑到工艺过程的合理性、安全性以及国内外仪表生产现状等。
2、选择操纵变量
操纵变量的选择要根据对象控制通道和扰动通道特性对控制质量的影响合理地选择操纵变量。
选择操纵变量时，必须考虑以下几个原则：
（1）首先从工艺考虑，它应允许在一定范围内变化。
（2）选择操纵变量时，应使扰动通道的时间常数大些；从而使控制通道的时间常数适当小些。
控制通道的纯滞后时间越小越好。
（3）被选的操纵变量的控制通道放大系数要大。
这样对克服扰动有利。
（4）应尽量使扰动作用点靠近调节阀处。
（5）被选的操纵变量应对装置中其它控制系统的影响和关联少，不会对其它控制系统的运行产生较大的扰动。
另外，要组成一个好的控制系统，除了正确选择被控变量和操纵变量外，还应注意以下问题：
（1）纯滞后：
纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的实际值。
（2）测量滞后：
是指由检测元件时间常数引起的动态误差
（3）传递滞后。
以上三项要尽量克服、减少这三方面的滞后对控制系统的影响。
（4）要选择适当的控制规律：
对滞后较大的控制回路（如温度、成分等）可选用带微分作用的调节器。
对滞后特别大的系统（特别是纯滞后存在），可采用串级控制系统，一般的压力、流量、液位等简单控制系统可采用比例积分作用即可。
二、调节器的选择及调节规律
由控制理论可知，为了使系统正常运行，必须保证系统是负反馈，在控制系统设计时，负反馈的实现是靠确定调节器的正反作用来保证的
1、常用调节器的调节规律及选用原则：
（1）比例控制规律（P）
比例控制规律是最基本的调节规律，它能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来。
它是依据偏差的大小来动作，它的输出与偏差的大小形成比例。
比例调节及时、有力，但有余差。
它用比例度δ来表示其作用的强弱，δ越小，调节作用越强，但比例作用太强时，会引起振荡。
它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。
（2）比例积分控制规律（PI）
在工程上，PI规律是应用最广泛的一种控制规律，积分调节是依据“偏差是否存在”来动作的。
它的输出与偏差对时间的积分成比例，其作用是消除余差，当余差消失时，积分作用才会停止。
但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。
它用积分作用时间Ti来表示其作用的强弱，Ti越小，作用越强，但积分作用太强时，也会引起振荡。
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。
（3）比例微分控制规律（PD）
微分调节依据“偏差变化速度”来动作。
它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节作用，对滞后大的对象有很好的效果。
它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消除）。
它用微分时间Td来表示其作用的强弱，Td越大，作用越强，但Td太大，也会引起振荡。
它适用于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合。
（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，它在比例的基础上加入积分，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的场合。
2、确定调节器的正反作用
调节器有正作用和反作用调节器两种。
调节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。
被控过程也分正反两种。
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），此时称其被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称其过程为反作用。
一个控制系统能够正常工作，则其组成的各个环节的极性（可用其静态放大系数表示）相乘必须为正。
由于变送器的静态放大系数Km通常为正极性，故只需调节器静态放大系数Kc，调节阀静态放大系数Kv和过程的静态放大系数Ko极性相乘必须为正即可。
对于控制系统各环节的极性是这样规定的：
正作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其Kc取负；反作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其Kc取正。
气开阀Kv取正，气闭阀Kv取负。
正作用被控过程，其Ko取正，反作用被控过程，其Ko取负。
确定调节器的正反作用次序为：
首先根据工艺安全等原则确定调节阀的气开、气闭形式，然后根据被控过程特性，确定其正反作用；最后根据上述组成该系统的各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正反作用形式。
三、简单控制系统的投运
控制系统的投运是指当系统设计、安装就绪或者经过停车检修之后，使控制系统投入使用的过程。
投运步骤如下：
1、现场工艺手动操作，并将检测系统投入运行，待工况稳定后，可以转入手动遥控调节。
2、手动遥控：
逐渐改变调节阀的开度，使被控量基本不变，待工况稳定后，即被控变量等于或接近设定值后，可由手动遥控切换到自动控制。
3、系统投运：
完成以上两步后，就满足了工艺开车的需要，待回路工况稳定后可投入自动。
为此，首先检查调节器的正反作用是否正确，然后把调节器PID参数设置合适位置，当其偏差接近零时，即将调节器由手动切换到自动。
再观察系统过渡过程曲线，若还不够理想，则继续调整调节器参数，直到满意为止。
四、调节器参数整定
调节器参数整定是指设定调节器的比例度δ、积分时间Ti和、微分时间Td的具体数值。
整定的实质是通过改变调节器参数，使其特性与过程特性相匹配，以改变系统的静态特性和动态特性，取得最佳控制效果。
整定调节器参数的方法很多，归纳起来分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。
理论计算整定法通常用于科研中。
下面重点介绍工程整定法。
工程整定法有经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。
1、经验凑试法：
经验法是根据参数整定的实际经验，对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等四大控制系统进行整定。
将调节器参数预先放置在常见范围（见表14-2-1）的某些数值上，然后改变设定值，观察控制系统的过渡过程曲线。
如曲线不理想，则按一定的顺序改变参数，这样反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。
表14-2-1 各种控制系统PID参数经验表
被控变量
调节器参数
比例度δ%
积分时间Timin
微分时间Tdmin
温度
20－60
3－10
0.5－3
液位
20－80
1－5
压力
30－70
0.4－3
流量
40－100
0.1－1
具体整定步骤为：
（1）先把调节器的积分时间Ti调至最大，微分时间Td改为0；比例度δ取表14-2-1中常见范围内的某一数值后，把控制系统投入自动，若过渡过程时间太长，则应减小比例度δ；若振荡过于激烈，则应加大比例度δ。
直到取得满意的4：
1过渡过程曲线为止。
（2）引入积分作用（此时应将原设的比例度δ放大1.2倍），然后将积分时间Ti由大到小不断地凑试，直到获得满意的过渡过程。
（3）若需引入微分作用时，则将微分时间Td按照经验或者按（微分时间约为积分时间的1/3－1/4）设置，而且比例度δ放得要比纯比例作用更小些，积分时间Ti也可相应地减小些。
若曲线超调量大而衰减慢，则需增大微分时间Td。
若曲线振荡厉害，则应减小微分时间Td。
观察曲线，适当调整比例度δ和积分时间Ti，反复调试，直至获得满意的过渡过程曲线为止。
关于经验法的几点说明：
（1）表14-2-1所列的各类数据是各类控制系统的参数的常见范围，但也有特殊情况。
（2）凡是比例度δ太大或积分时间Ti太长时，都会使被控变量变化缓慢，不能使系统很快地达到稳定状态，这二者的区别是：
比例度δ较大，曲线漂移较大，变化不规则；积分时间Ti过长，曲线虽然带有振荡分量，但它漂移在给定值的一边；而且逐渐地靠近给定值。
（3）凡是δ过小，Ti过小或Td过大，都会使系统产生剧烈振荡，甚至是等幅振荡。
它们的区别是：
Ti过小时，系统振荡的周期较长，Td太大时系统振荡的周期较短；δ较小时，振荡周期介于上述两者之间。
（4）等幅振荡不一定都是由于参数的设置不当引起的，一些外部因素也可能使被控变量等幅振荡。
例如阀门定位器、调节器、变送器调校不良。
经验法的实质是：
看曲线，作分析，调参数，寻最佳。
2、临界比例度法
临界比例度法是目前工程应用最广泛的一种调节器的整定方法。
在闭合的控制系统里将调节器置于纯比例作用下，由大到小逐渐改变调节器的比例度δ，得到等幅振荡的过渡过程。
此时的比例度称为临界比例度δk，相邻两个波峰间的时间间隔称为临界振荡周期Tk。
通过计算即可求得调节器的整定参数，具体步骤为：
（1）将调节器的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置零，比例度δ适当，平稳操作一段时间，，把系统投入自动。
（2）将比例度δ逐渐减小，得到一个等幅振荡过程，记下临界比例度δk值和临界振荡周期Tk值。
（3）根据δk和Tk值采用表14-2-2中的经验公式，计算出调节器各个参数。
表14-2-2 临界振荡整定公式
调节器参数控制规律
δ（%）
Ti（min）
Td（min）
P
2δk
PI
2.2δk
0.85Tk
PID
1.6δk
0.5Tk
0.25Ti
3、衰减曲线法
衰减曲线法是在总结临界比例度法的基础上，经过反复实验提出来的。
衰减曲线法较为简单，而且可直接求得比例度，衰减曲线法分为4：
1衰减曲线法和10：
1衰减曲线法两种。
（1）4：
1衰减曲线法，其整定步骤如下：
a、先把过程控制系统中调节器参数设成纯比例作用（Ti＝∞，Td=0）,使系统投入运行。
再把比例度δ从大逐渐调小，直到出现4：
1衰减过程曲线，此时的比例度为4：
1衰减比例度δs，两个相邻波峰间的时间间隔称为4：
1衰减振荡周期Ts。
b、据δs和Ts，使用表14-2-3所示公式，即可计算出调节器的各个参数。
c、按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数放置到调节器上，再观察整定曲线，若不太理想，还可作适当调整。
（2）10：
1衰减曲线法：
有的生产过程，由于采用4：
1的衰减仍嫌振荡太强，则可采用10：
1衰减曲线法，方法同上。
只是计算公式不一样，见表2-4，其中δs为衰减比例度，Tr为达到第一个波峰时的响应时间。
表14-2-3 4：
1衰减曲线法整定计算公式
控制规律
δ%
Ti（min）
Td（min）
P
δs
PI
1.2δs
0.5Ts
PID
0.8δs
0.3Ts
0.1Ts
表14-2-410:
1衰减曲线法整定计算公式
控制规律
δ%
Ti（min）
Td（min）
P
δs
PI
1.2δs
2Tr
PID
0.8δs
1.2Tr
0.4Tr
应用衰减曲线法整定调节器参数时需注意以下情况：
（1）加给定干扰时，干扰不能太大，要根据工艺操作要求来定，一般为5%左右（全量程）
（2）必须在工况稳定的情况下才能加设定干扰，否则得不到正确的δs、Ts和Tr值。
（3）对于快速反应的系统，如流量、压力等控制系统，想在记录纸上得到理想的4：
1曲线是不可能的。
此时，通常一被控变量来回波动两次而达到稳定时，就近似地认为是4：
1的衰减过程。
（4）对于扰动频繁或控制过程不规则的系统，不允许用这种方法
第三节串级控制系统。
控制系统一般分为简单控制系统和复杂控制系统。
凡是多参数、具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上调节阀组成的多回路的自动调节系统称为复杂控制系统。
复杂控制系统有串级、比值、分程、前馈-反馈、选择性、三冲量等系统，串级是其中的一种、
一串级系统的结构
串级系统是应用最早、效果最好、使用最广泛的一种复杂控制系统。
它的特点是两个控制器相串接，主控制器的输出作为副控制器的设定，适用于时间常数及纯滞后较大的控制对象。
1、串级系统的基本概念与方块图
图14-3-1所示为加热炉原油出口温度控制系统。
若采用简单温度控制，当负荷发生变化时，由温度变送器、控制器和调节阀组成一个单回路控制系统，去克服由于负荷变化而引起的原油出口温度的波动，以保持出口温度在设定值上，但是，当燃料气压力波动大且频繁时，由于加热炉滞后很大，将引起原油出口温度t的大幅度波动。
为此，先构成一个燃料气压力（或流量）的控制系统（回路Ⅱ），首先稳定燃料气压力的输出，作为压力调节器PC的设定值，形成回路I，使压力调节器随着原油出口温度控制器的需要而动作，这样就构成了如图中所示的温度－压力串级控制系统。
。
燃料气 原料
图14-3-1 加热炉出口温度与燃料气压力串级控制系统
串级控制系统的方块图14-3-2。
x1e1x2e2y2y1
z1z2
图14-3-2 串级控制系统方块图
2、串级控制系统的名词术语
为了便于分析问题，下面介绍串级控制系统常用的名词术语。
主被控参数――在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
副被控参数――串级控制系统中为了稳定主参数而引入的中间辅助参数。
主被控过程――由主被控参数表征其特性的生产过程，其输入量为副被控参数。
副被控过程――由副被控参数为输出的生产过程，其输入量为控制参数。
主调节器――按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
副调节器――按副被控参数的测量与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。
主回路――由主回路调节器、调节阀、主副被控过程、主测量变送器组成的闭合回路。
副回路――由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
一次扰动――不包括在副回路内的扰动。
二次扰动――包括在副回路内的扰动。
二、串级控制系统的特点
从总体上看，串级控制系统仍是定值控制系统。
因此，主被控变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式，但是，串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比较有以下几个特点：
1、对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；
2、可以改善对象特性，提高工作频率；
3、可消除调节阀等非线性特性的影响；
4、串级控制系统具有一定的自适应能力。
三、主副调节器、调节规律的选择及主副调节器正反作用的确定
在串级控制中，主调节器起定值控制作用，一般选PI或PID规律，副调节器起随动控制作用，一般选P或PI规律。
对于串级控制系统来说，主副调节器正反作用的选择原则是使整个系统构成负反馈，即其主通道各环节放大系数乘积必须为正。
四、串级控制系统的投运
串级控制系统的投运同简单控制系统的投运一样。
要求投运过程保证做到无扰动切换，一般投运方法为：
先把副控制器投入自动，然后在整个系统比较稳定的情况下，再把主控制投入自动，实现串级控制。
五串级控制系统的参数整定
串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有下列两种。
1、两步整定法：
先整定副控制器参数，后整定主控制器参数的方法叫做两步整定法。
整定过程如下：
A、在稳定工况，主、副控制器都在纯比例作用下运行，将主控制器的比例度固定在100%刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在4：
1或10：
1的衰减过渡过程的比例度δ2s和操作周期T2s；
B、在副控制器比例度等于δ2s的条件下,逐渐减小主控制器的比例度,直至也得到4:
1或10:
1,衰减比下的过度曲线,记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s
C、根据上面得到的δ1s、T1s和δ2s、T2s,按表14-2-3或14-2-4的经验公式,算出主副控制器的比例度,积分时间,和微分时间.
D、按“先副后主”“先比例后积分再加微分”的规律,将计算出的控制器参数加到控制器上.
E、观察被控变量的过程曲线,适当调整,直到获得满意的过渡过程.
2一步整定法:
所谓一步整定法,就是副控制器的参数按经验法放置,主控制器的参数按单回路控制系统进行整定.副控制器的经验参数可参照单回路控制器参数的经验数值,见表14-2-4
整定步骤如下:
A在生产正常,系统为纯比例运行的条件下.按照表14-2-1经验数值,把副控制器的比例度调到某一数值上.
B利用简单控制系统的任一参数整定方法,整定主控制器的参数.
C如果出现“共振”现象,可加大主控制器或减小副控制器参数设定值.
第四节比值控制系统
在化工生产过程中,经常用到要求两种或两种以上的物料,按一定的比例混合后进行化学反应，工业上为保持两种或两种以上物料比值为一定的控制叫比值控制．
在比值控制系统中,首先要明确那种物料是主物料,另一种物料按主物料来配比．系统中主物料或主流量用Ｇ１表示．一般情况下，总以生产中的主要物料作为主流量．另一种物料随主流量的变化而变化，称之为从物料或副流量，用Ｇ２表示．
一 比值控制方案
常见的比值控制系统有单闭环比值、双闭环比值和串级比值三种
１ 单闭环比值控制系统 单闭环控制比值系统的方框图见图14-4-1．从控制部分看，是一个随动的闭环控制回路，而主物料流量的控制部分则是开环的。
主流量G1经比值运算后使输出信号与输入信号成一定比例，并作为副流量控制器的给定信号值。
在稳定状态时，主、副流量满足工艺要求的比值，即K＝G2/G1为一常数。
当主流量负荷变化时，其流量的给定经变送器到比值器，比值器则按预先设置好的比值使输出成比例地变化，即成比例地改变了副流量控制器的给定值，则G2经调节作用自动跟随G1变化，使得在新稳态下G2’/G1’=K保持不变。
当副流量由于扰动作用而变化时，因主流量不变，即控制器的给定值不变，这样，对于副流量的扰动，闭合回路相当于一个定值控制系统加以克服，使工艺要求的流量比值不变。
扰动
＋
－ G2
升级会员 