第七章简单控制系统讲解学习
第七章 简单控制系统
操纵变量的选择 操纵变量的选择
在自动控制系统中，把用来克服干扰对 被控变量的影响，实现控制作用的变量称为 操纵变量。 最常见的操纵变量是介质的流量。
操作变量 通过工艺分析
确定
系统的干扰
16
第三节 操纵变量的选择
举例
如果根据工艺要 求，选择提馏段某 块塔板（一般为灵 敏板）的温度作为 被控变量。
图7-7 精馏塔流程图
31
举例
加热炉出口温度控制系统 为了在控制阀气源突然 断气时,炉温不继续升高, 断气时,炉温不继续升高,采 停气时关闭) 用了气开阀 (停气时关闭) , 方向。 是“正”方向。炉温是随燃 料的增多而升高的, 料的增多而升高的,以炉子也 方向作用的。 是“正”方向作用的。变送 器是随炉温升高,输出增大, 器是随炉温升高,输出增大, 也是“ 方向。 也是“正”方向。所以控制 器必须为“反方向” 器必须为“反方向”,才能当 炉温升高时,使阀门关小, 炉温升高时,使阀门关小,炉 温下降。 温下降。
19
图7-9 干扰通道与控制通道示 意图
对象静态特性的影响-放大系数K 对象静态特性的影响-放大系数K
控制通道的放大系数控制通道的放大系数-适当范围 干扰通道的放大系数，越小越好 干扰通道的放大系数，
20
对象动态特性的影响
时间常数
控制通道： 控制通道：不能太大 干扰通道：大些有利于控制 干扰通道：
11
举例
被控变量的选择 被控变量的选择
图7-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图7-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
图7-6 苯-甲苯溶液的 p-x图
12
从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。 从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。 原因 在精馏塔操作中，压力往往需要固定。 在精馏塔操作中 ，压力往往需要固定。 只有 将塔操作在规定的压力下， 将塔操作在规定的压力下 ， 才易于保证塔的分 离纯度，保证塔的效率和经济性。 离纯度，保证塔的效率和经济性。 在塔压固定的情况下， 在塔压固定的情况下 ，精馏塔各层塔板上的 压力基本上是不变的， 压力基本上是不变的 ， 这样各层塔板上的温度 与组分之间就有一定的单值对应关系。 与组分之间就有一定的单值对应关系。 所选变量有足够的灵敏度。 所选变量有足够的灵敏度。
第7章 简单控制系统1
第7章简单控制系统随着现代石油化工等过程装置的日益大型化、复杂化，智能仪表和计算机控制系统的日益普及，各类控制系统特别是复杂控制和先进控制系统在生产过程中的作用越来越显得重要。
目前，占控制系统绝大多数的仍然是简单控制系统，简单控制系统也是各类复杂控制和先进控制系统的基础。
因此，掌握简单控制系统的基本原理和设计方法非常重要。
由于简单控制系统的工作原理在前述章节已做介绍与讨论，本章以简单控制系统的设计、投运与整定为主要内容。
7.1 简单控制系统结构与组成从第一章已知，自动控制系统是由被控对象和自动化装置两大部分组成，即测量元件及变送器自动化装置自动控制器（调节器）自动控制系统（起控制作用）执行器（控制阀）被控对象受控制的物理装置（生产设备）（对象）由于构成自动控制系统的这两大部分(主要是指自动化装置)的数量、连接方式及其目的不同，自动控制系统可以有许多类型。
所谓简单控制系统，通常是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。
图7-l所示的液位控制系统与图7-2所示的温度控制系统都是简单控制系统的例子。
图7-1所示的液位控制系统中，贮槽是被控对象，液位是被控变量，变送器LT将反映液位高低的信号送往液位控制器LC。
控制器的输出信号送往执行器，改变控制阀开度使贮槽输出流量发生变化以维持液位稳定。
图7-1 液位控制系统图7-2 温度控制系统图7-2所示的温度控制系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持换热器出口物料的温度在工艺规定的数值上。
需要说明的是在本系统中画出了变送器LT及TT这个环节，根据第一章中所介绍的控制流程图，按自控设计规范，测量变送环节是被省略不画的，所以在本书以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。
图7-3是图7-1和图7-2所示控制系统的方块图，也简单控制系统的典型方块图。
化工自动化进仪表第七章简单控制系统 第三节简单控制系统的投运与参数整定
7.3.2 控制器参数整定 工程整定法有三种：
•临界比例度法 •经验法 •衰减曲线法
•临界比例度法 •该方法是先将控制器设置为纯比例作用且比例度δ放 在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比 例度δ并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡 的过渡过程，如图7-9所示。这时的比例度就叫做临界 比例度δk，振荡周期就叫做临界振荡周期Tk。根据δk 和Tk从表7-2中查找控制器应该采用的参数值。
40～100 30～70
0.3～1 0.4～3
PID
20～60 3～10 0.5～3
•δ、TI、TD对过渡过程曲线的影响
(1)比例度δ 比例度越大（放大倍数Kp越小），过渡过程越平缓， 余差越大； 比例度越小（放大倍数Kp越大），过渡过 程振荡越激烈，余差越小，δ过小，甚至成为发散振 荡的不稳定系统。
图7-9 临界比例度法
表7-2 临界比例度法控制器参数表
应采用的 控制规律
δ （%）
TI
TD
（min） （min）
P
2δk
PI
2.2δk
0.85 Tk
PID
1.7δk
0.5 Tk
0.125 Tk
临界比例度法目前使用的比较多，它简单易用， 适用面较广。但要注意的是： (1)对于工艺上不允许有等幅振荡的，不能使用; (2)如δk很小，不适用。因为δk很小，即Kp很大，容易 使被控变量超出允许范围。
图7-11 衰减曲线法（10：1）
表7-4 衰减曲线法控制器参数表（10：1）
应采用的 控制规律
P
PI
PID
δ （%）
δs
1.2δs 0.8δs
TI
TD
（min） （min）
简单控制系统思维导图
热电效应
守恒定律
场定律
应变压阻效应
传感器
变送器
显示器
绝对误差
相对误差
最大相对百分误差
精度等级
参数
检测原理 检测仪表 测量误差
测量变送环节
简单控制系统
执行器
执行机构 调节机构 辅助装置
气动执行
薄膜式执行机构 活塞式执行机构
电动执行
液动执行
角形调节阀
适用于：高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒 底进侧出、侧近底出
温差不宜过大<150
三通阀
分流阀
合流阀
蝶阀
低压差、大口径、大流量
偏心旋转阀
流体阻力小、黏度可大
O形球阀
快开特性
被控对象
主机电路 过程输入通道 过程输出通道
系统程序 用户程序
余差 容量滞后 阶跃信号
硬件电路
软件 位式控制 比例控制 比例积分 比例微分 比例积分微分
影响因素 正反作用 数字式控制器
控制规律
控制器
热电偶 热电阻
温度
电磁流量计
流量
成分
液位
弹性式压力检测
电气式压力检测 活塞式压力检测
压力
液柱
周三多管理学课件第七章控制
周三多管理学课件_第七章_控制第 7 章控制6 3>. 1 控制概述6 . 2 控制的过程与类型6 . 3 控制的技术与方法【学习目标】1.了解控制的概念及其与计划的关系。
2.明确控制的目的及导致控制更加重要的因素。
3.熟悉控制的过程、类型及关键控制点的使用。
4.掌握行为控制法、预算控制法、生产控制法等控制方法。
引言麦当劳公司以经营快餐闻名遐迩。
1955年，克洛克在美国创办了第一家麦当劳餐厅，其菜单上的品种不多，但食品质量高，价格廉，供应迅速，环境优美。
连锁店迅速发展到每个州，至1983年，国内分店已超过6000家。
1967年，麦当劳在加拿大开办了首家国外分店，以后国外业务发展很快。
到1985年，国外销售额约占它的销售总额的1／5。
在40多个国家里，每天都有1800多万人光顾麦当劳。
目前，在全球拥有超过3万家连锁店，其中在中国有700家。
麦当劳金色的拱门允诺：每个餐厅的菜单基本相同，而且“质量超群，服务优良，清洁卫生，货真价实”。
它的产品、加工和烹制程序乃至厨房布置，都是标准化的，严格控制的。
它撤消了在法国的第一批特许经营权，因为他们尽管盈利可观，但未能达到在快速服务和清洁方面的标准。
麦当劳的各分店都由当地人所有和经营管理。
鉴于在快餐饮食业中维持产品质量和服务水平是其经营成功的关键，因此，麦当劳公司在采取特许连锁经营这种战略开辟分店和实现地域扩张的同时，就特别注意对各连锁店的管理控制。
如果管理控制不当，使顾客吃到不对味的汉堡包或受到不友善的接待，其后果就不仅是这家分店将失去这批顾客及其影响人光顾的问题，还会波及影响到其他分店的生意，乃至损害整个公司的信誉。
为此，麦当劳公司制定了一套全面、周密的控制办法。
麦当劳公司主要是通过授予特许权的方式来开辟连锁分店。
其考虑之一，就是使购买特许经营权的人在成为分店经理人员的同时也成为该分店的所有者，从而在直接分享利润的激励机制中把分店经营得更出色。
特许经营使麦当劳公司在独特的激励机制中形成了对其扩展中的业务的强有力控制。
简单控制系统的组成精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版●简单控制系统的组成四个基本组成部分：被控对象、检测与变送仪表、调节器（控制器）、执行机构。
简单控制系统的工作过程变量、执行器、控制器类型的确定●串级控制系统的组成四个基本组成部分：两个被控对象、两套检测与变送仪表、两个调节器（控制器）、执行机构。
系统主副控制器正、反作用方向的确定：先副后主特点：在系统结构上，它是由两个闭环回路，副回路起快速的“粗调”作用，主回路则起“细调”作用，系统的鲁棒性好，副回路是一个随动控制系统，所以系统对负荷的改变有一定的自适应能力●均匀控制系统的特点结构上无特殊性，区别在控制目的和参数的整定工艺参数应在允许的范围内缓慢变化●比值控制系统使一中物料随另一种物料按一定的比例变化的控制系统比值和比值系数的计算●前馈控制系统是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上● 分程控制系统是一台调节器的输出仅操纵一个调节阀, 若一台调节器去控制两个以上的调节阀, 并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门, 这种控制方式习惯上称为分程控制。
● 选择控制系统是生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。
至操作极限时，通过选择器把一个用于控制不安全情况的备用控制系统取代正常工况下，待回到正常工况后又切回到正常工况下。
● 图为锅炉汽包液位控制系统，生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。
1）指出该系统为什么样的系统；2）指出被控参数和控制参数3）确定调节阀应该选气开还是气关？并说明原因。
4）调节器的控制规律及其正、反作用方式？并说明原因答；1）、单回路控制系统（2）、被控参数为汽包液位、控制参数给水流量（3）应选择气关式。
因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以保证锅炉不被烧干 （ 4）调节阀应选择气关式，则液位控制器应为正作用，当检测到液位增加时，控制器应加大输出，则调节阀关小，使汽包液位稳定或当检测到液位增减小时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使汽包液位稳定● 如下图所示的管式加热炉出口温度控制系统，主要扰动来自燃料流量的波动，试分析：（1）该系统是一个什么类型的控制系统？画出其方框图（2）确定调节阀的气开气关形式，并说明原因（3）确定两个调节器的正反作用。
简单控制系统
第7章简朴控制系统随着现代石油化工等过程装置的日益大型化、复杂化，智能仪表和计算机控制系统的日益普及，各类控制系统特别是复杂控制和先进控制系统在生产过程中的作用越来越显得重要。
目前，占控制系统绝大多数的仍然是简朴控制系统，简朴控制系统也是各类复杂控制和先进控制系统的基础。
因此，掌握简朴控制系统的基本原理和设计方法非常重要。
由于简朴控制系统的工作原理在前述章节已做介绍与讨论，本章以简朴控制系统的设计、投运与整定为重要内容。
7.1 简朴控制系统结构与组成从第一章已知，自动控制系统是由被控对象和自动化装置两大部分组成，即测量元件及变送器自动化装置自动控制器（调节器）自动控制系统（起控制作用）执行器（控制阀）被控对象受控制的物理装置（生产设备）（对象）由于构成自动控制系统的这两大部分(重要是指自动化装置)的数量、连接方式及其目的不同，自动控制系统可以有许多类型。
所谓简朴控制系统，通常是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。
图7-l所示的液位控制系统与图7-2所示的温度控制系统都是简朴控制系统的例子。
图7-1所示的液位控制系统中，贮槽是被控对象，液位是被控变量，变送器LT将反映液位高低的信号送往液位控制器LC。
控制器的输出信号送往执行器，改变控制阀开度使贮槽输出流量发生变化以维持液位稳定。
图7-1 液位控制系统图7-2 温度控制系统图7-2所示的温度控制系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持换热器出口物料的温度在工艺规定的数值上。
需要说明的是在本系统中画出了变送器LT及TT这个环节，根据第一章中所介绍的控制流程图，按自控设计规范，测量变送环节是被省略不画的，所以在本书以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注旨在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。
图7-3是图7-1和图7-2所示控制系统的方块图，也简朴控制系统的典型方块图。
自动控制理论第七章 非线性系统讲解
3、在正弦输入下，线性系统的输出是同频率正 弦信号。
非线性系统在正弦输入下，输出是周期和输入相 同、含有高次谐波的非正弦信号。
4、线性系统分析可用迭加原理，在典型输入信 号下系统分析的结果也适用于其它情况。
非线性系统不能应用迭加原理，没有一种通用的 方法来处理各种非线性问题。
对非线性系统分析研究的重点是：（1）系统是否 稳定；（2）有无自持振荡；（3）若存在自持振荡， 确定自持振荡的频率和振幅；（4）研究消除或减 弱自持振荡的方法。
2、相轨迹最后没有到达原
点，即 lime(t) 0 ，说明 t
系统在阶跃信号输入下，存 在稳态误差，引起稳态误差 的原因是死区继电器特性。 系统线性部分的传递函数表 明，系统是Ⅰ型系统，对阶 跃响应的稳态误差应为0，可 见死区继电器非线性对稳态 精度的影响。
Ⅲ区 Ⅱ区 e
Ⅰ区
2
1
A
-1
12
-1
e 平面，根据继电器的
非线性特性，可分为三个区域， Ⅲ区
设初始状态 e(0) 3，e(0) 0 ，
绘制相轨迹如图所示，(设r=3)
Ⅱ区 e
2
1
A
-1
1
根据系统的相轨迹，可对
-1
系统的性能分析如下：
-2
Ⅰ区
e
23
1、系统的相轨迹收敛于A点，是稳定的，奇点为稳定
焦点。e是单调衰减的。
相平面法是分析非线性系统的一种时 域法、图解法，不仅可以分析系统的稳定 性和自振荡（极限环），而且可以求取系 统的动态响应。这种方法只运用于二阶系 统，但由于一般高阶系统又可用二阶系统 来近似，因此相平面法也可用于高阶系统 的近似分析。
-2
例2：非线性系统框图如下
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2）对象动态特性的影响 （1）控制通道时间常数T0 的影响 T0太大或太小都不利于提高控制质量。 控制通道如果是一阶环节，T0小，控制就灵敏。 但太小，控制作用过于灵敏易引起控制过程震荡， 而不稳定。
Q1
h Q2
控制通道如果是二阶环节，T0大，控制作用就 反应迟钝,过渡时间长，控制作用就弱。
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换热器
载热体
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液位控制系统
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实现控制作用的操纵变量。即执行器所控制的参数。 最常见的操纵变量是流量，也有电压、转速等。
一、被控变量选择； 二、操操纵纵变变量量的的选选择择；； 三、测量元件特性的影响； 四、控控制制器器的的选选择择;； 五、控制器参数的工程整定。
确定合理的控制系统方案
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一、被控变量的选择
从生产过程对控制系统的要求出发，找出对 产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。
对象较难控制。
控制通道 0小为好 t
Q2
C
B
A
E D
0
h
t
y
f
Q1
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② 在f 干扰通道对控制质量的影响
f
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y
t
无纯滞后
y
有纯滞后
0
t
0
t
如图 f 并不起作用。被控变量只是推迟 f 时间变化。
No Image
干扰
干扰通道 （ Kf、Tf、f ）
被控变量
操纵变量
对象
控制通道（ K0、T0、0）
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2. 对象特性对选择操纵变量的影响 1）对象静态特性的影响 （ Kf、Tf、f ）
放大系数 K0、Kf ，是对象的（ K 静0、 态T0参、数0）。
第七章简单控制系统
冷流体
温度控制系统
换热器
载热体
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液位控制系统
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设计内容(本节讲述主要内容） 根据工艺的要求 ：
要求苯、甲苯达到一定 的纯度，因此，馏出物 的浓度XD应作为被控变 量。
蒸汽 甲苯
精馏塔流程图
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XD为被控变量，获取测量信号尚有困难时，可 以找出与XD有关的参数作为被控变量，进行间接 指标控制。
3）找出与XD有关的参数 XD = f（TD，P）
测出压力可以知道浓度。
4）考虑工艺的合理性 结论：固定压力，选择温度为被控变量。
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5）考虑被控变量的 灵敏度。
6）考虑被控变量的
独立性。
进料
冷凝器回流罐顶采出 NhomakorabeaTT
TC
例如
蒸汽
造纸过程中的硫酸盐法
蒸煮过程中，质量指标
是浆料的硬度和强度， 精馏塔流程图
是间接指标。
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选择被控变量的原则
1.能代表工艺的操作指标，能反映工艺操作状态。 2.被控变量在操作过程中经常受到干扰影响，需 要频繁控制的。 3.直接指标无法获得时，应选与直接指标有单值 对应关系的间接指标作为被控变量。 4.间接参数能够被测出，并有足够的灵敏度。 5.考虑工艺过程的合理性及仪表的现状。 6.间接参数应是独立的。
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小结：
1. K适0 当大， K越f 小越好； 2. T 0 适当小，T f 越大越好；
3. 0 越小越好, 对f 被控变量无影响。
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操纵变量的选择原则
No ① K 0：希望K 值0 大一些好, K越0 大,表示控制作用 灵敏,抑制干扰的能力越强。但 太K大0 会破 坏系统的稳定性。
Image ②K f ：K f 无论对系统的静态还是动态对控制质量 都有害， K尽f 可能小。
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Q1
h
Q2
反应器温度控制系统
希望T0适当小，有利于克服 干扰缩短过渡过程的时间。
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（2） Tf 对控制质量的影响 希望Tf越大，对被控变量影响越小。
（3）0、 f 对控制质量的影响
① 控制通道滞后时间 0 的影响
如果控制通道 大0 ，那么T0也大。因此，
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二、操纵变量的选择
给Sv定x Dev
- Pzv
控制器
干D扰 f
Mv
操纵q变量
y
调节阀
被控对象
测量变送器
简单控制系统的方框图
干扰作用对被控变量的影响是使其偏离给定值。 操纵变量则是要克服干扰对被控变量的影响。
冷流体
温度控制系统
1. 采用直接指标控制 直接指标：指的是生产过程中的压力、流量、 物位、温度 等参数的测量控制。
直接指标控制最直接，最有效。
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2. 采用间接指标控制 以蒸馏塔控制为例 1）精馏原理 2）精馏塔对自控的要求
进料
冷凝器 回流罐
顶采出 苯
（浓度与温度和压力有关） ①当压力恒定时，即P = 常数
XD = f（TD） 如图所示 XD↑温度越低 TD↓
XD↓温度越高 TD↑
测出温度可以知道浓度。
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②当温度恒定时，即TD = 常数 XD = f（P）
如图所示 XD↑压力越高 P↑ XD↓压力越低 P↓