自动控制原理

中国石油
控制理论的发展
负载 早期思想—(瓦特的离心调节器) 早期思想 (瓦特的离心调节器)
速度变大
退 出 演 示
进蒸汽
控制理论的发展
负载 早期思想—(瓦特的离心调节器) 早期思想 (瓦特的离心调节器)
速度变小
退 出 演 示
进蒸汽
自动控制简介
1 基础概念简介 2 串级控制 3 分程控制
1.1 开环控制与闭环控制
反馈： 反馈： 把输出量送回到系统的输入端并与输 入信号比较的过程。 入信号比较的过程。 负反馈： 负反馈 ： 引回到输入端的信号是减弱输入 端作用的称为负反馈）用“－” 号表示 端作用的称为负反馈） 正反馈： 正反馈 ： 引回到输入端的信号是增强输入 端作用的称为正反馈） 端作用的称为正反馈）用“＋”号表示 负反馈控制: 负反馈控制 检测偏差、消除偏差的过程。 检测偏差、消除偏差的过程。
假定在某一时刻，燃料油的压力或 热值等发生变化，这个干扰首先使 炉膛温度发生变化，它的变化促使 控制器T2C进行工作，改变燃料的 加入量，从而使炉膛温度的偏差随 之减少。与此同时，由于炉膛温度 的变化，或由于原料油本身的进口 流量或温度发生变化，会使原料油 出口温度发生变化。T1的变化通过 控制器T1C不断地去改变控制器T2C 的给定值。这样，两个控制器协同 工作，直到原料油出口温度重新稳 定在给定值时，控制过程结束。
1.3 简单控制与复杂控制
简单控制系统，通常是指由一个测量元件、 简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变 送器、一个控制器、 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， 构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控 制系统。 制系统。 简单控制系统是生产过程自动控制中最简单、 简单控制系统是生产过程自动控制中最简单、 最基本、应用最广的一种形式， 最基本、应用最广的一种形式，在工厂中约占 全部自动控制系统的80 左右。 80％ 全部自动控制系统的80％左右。 复杂控制系统种类繁多， 复杂控制系统种类繁多，根据系统的结构和所 担负的任务来说，常见的复杂控制系统有： 担负的任务来说，常见的复杂控制系统有：串 级、均匀、比值、分程、前馈、取代、三冲量 均匀、比值、分程、前馈、取代、 等控制系统。 等控制系统。
1.2 正、反作用方向
在控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、 在控制系统中 ， 不仅是控制器 ， 而且被控对象、 测量元件 及变送器和执行器都有各自的作用方向。 及变送器和执行器都有各自的作用方向。 所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。 所谓作用方向 ， 就是指输入变化后 ， 输出的变化方向 。 当 某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“ 某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正 作用” 方向； 反之， 当环节的输入增加时、 作用 ” 方向 ； 反之 ， 当环节的输入增加时 、 输出减少的称 反作用”方向。 “反作用”方向。 当控制器输出信号(即执行器的输入信号)增加时， 当控制器输出信号(即执行器的输入信号)增加时，气开阀 的开度增加，流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“ 的开度增加，流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“正” 方向。而气关阀接收的信号增加时， 方向。而气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而 减少，所以是“ 方向。 减少，所以是“反”方向。 执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确定。 执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确定。
所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到：
R=
104 = 780 0.134
以吸收塔液位控制器LIC- 为例： 以吸收塔液位控制器LIC-4为例： LIC LIC- 的输出MV 50%时 （1）当LIC-4的输出MVLIC4﹤50%时 LV4A开度为0 LV4B开度为2 LV4A开度为0，LV4B开度为2× MVLIC4 开度为 开度为 （2）当LIC-4的输出MVLIC4﹦50%时 LIC- 的输出MV 50%时 LV4A开度为0 LV4B开度为100％ LV4A开度为0，LV4B开度为100％ 开度为 开度为100 LIC- 的输出MV 50%时 （3）当LIC-4的输出MVLIC4﹥50%时 LV4A开度为2 LV4A开度为2×（MVLIC4－50％），LV4B开度为100％ 开度为 50％），LV4B开度为100％ ％），LV4B开度为100
乍看起来，上述控制方案是可行的、合理的。 乍看起来，上述控制方案是可行的、合理的。但是在实 际生产中，原料油的出口温度往往波动较大。 际生产中，原料油的出口温度往往波动较大。 为什么会产生上述情况呢? 为什么会产生上述情况呢?因为当燃料压力或燃料本身的 热值变化后，先影响炉膛的温度， 热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才 能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大， 能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大， 时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC 15min左右 TC是根 时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根 报原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。 报原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干 扰作用在对象上后， 扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服 干扰被控变量的影响。 干扰被控变量的影响。 为了解决管式加热炉的原料油出口温度的控制问题， 为了解决管式加热炉的原料油出口温度的控制问题，根 据炉膛温度的变化，先改变燃料量， 据炉膛温度的变化，先改变燃料量，然后再根据原料油 出口温度与其给定值之差，进一步改变燃料量， 出口温度与其给定值之差，进一步改变燃料量，以保持 原料油出口温度的恒定。 原料油出口温度的恒定。模仿这样的人工操作程序就构 成了以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与 炉膛温度的串级控制系统。 炉膛温度的串级控制系统。
多回路控制系统中，有两个被控过程、两套测量变送装置、 多回路控制系统中，有两个被控过程、两套测量变送装置、两台控 制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统。 制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统。
f2 主控制器
r1
−
主回路
f1 c2 c1
副控制器
控制阀 Q
Gc1
u1
−
Gc 2
副回路
u2
Gv
2 串级控制
对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时， 对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，简单控制系 统往往满足不了工艺上的要求，这时， 统往往满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级 控制系统。 控制系统。 例：为了控制管式加热炉原油出 口温度， 口温度，可以设置下图所示的温 度控制系统， 度控制系统，根据原油出口温度 的变化来控制燃料阀门的开度， 的变化来控制燃料阀门的开度， 即改变燃料量来维持原油出口温 度保持在工艺所规定的数值上， 度保持在工艺所规定的数值上， 这是一个简单控制系统。 这是一个简单控制系统。
串级控制系统的思想： 串级控制系统的思想： 把时间常数较大的被控对象分解为两个时 间常数较小的被控对象。 间常数较小的被控对象。
燃料 加热炉的 温度控制 出口温度T
燃料
从燃料量到炉膛 温度Ts 的设备
炉膛温度到被控 变量TM 的设备
出口温度T
被控对象1
炉膛温度TS
被控对象2
(1)组成原理 组成原理 将原被控对象分解为两个串联的被控对象。 ①将原被控对象分解为两个串联的被控对象。 ②以分解后的两个被控对象的中间变量作为 副被控变量，构成一个副回路（ 副被控变量，构成一个副回路（简单控制 系统）。 系统）。 将原被控变量作为主被控变量构成主回路。 ③将原被控变量作为主被控变量构成主回路。 ④主控制系统控制器的输出信号作为副控制 系统控制器的设定值， 系统控制器的设定值，副控制系统的输出 信号作为主被控对象的输入信号。 信号作为主被控对象的输入信号。
0 20 60 阀压/kPa 阀压 100
分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种
分程控制系统的应用
用于扩大控制阀的可调范围
可调比：阀所能控制的最大流量与最小流量之比， 可调比：阀所能控制的最大流量与最小流量之比，国产 设计柱塞控制阀可调范围R 统—设计柱塞控制阀可调范围R＝30
Qmax R= Qmin
Gp2
G p1
副变送器
副对象
主对象
y2
H
m2
主变送器
y1
H
m1
串级控制系统方块图
3 分程控制系统
60～100 KPa ～ 变送器 控制器 电⁄气 气
20～60 KPa ～
20～100 ～ KPa
20～100 ～ KPa
A
B
由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个 以上控制阀动作的系统称为分程控制系统
(2)串级控制系统术语 串级控制系统术语 ①主被控变量 生产过程中工艺要求控制的 主要被控变量。如上例中的炉出口温度。 主要被控变量。如上例中的炉出口温度。 ②副被控变量 串级控制系统中为了稳定主 被控变量而引入的中间辅助变量。 被控变量而引入的中间辅助变量。如上例 中的炉膛温度。 中的炉膛温度。 生产过程中所要控制的， ③主对象 生产过程中所要控制的，由主被 控变量表征其主要特征的生产过程（生产 控变量表征其主要特征的生产过程（ 设备），其输入量为副被控变量， ），其输入量为副被控变量 设备），其输入量为副被控变量，输出量 为主被控变量。 为主被控变量。
100 (%) 阀 开 度 A阀 阀 B阀 阀
100 (%) 阀 开 度 A阀 阀 B阀 阀
气开
0 20 60 阀压/kPa 阀压 100 (%) 阀 开 度 A 阀 B 阀 100
0 20 60 阀压/kPa 阀压 100 (%) 阀 开 度 A阀 阀 B阀 阀 100
气闭
0 20 60 阀压/kPa 阀压 100
闭环系统的方框图
手是被控对象，手的位置为被控量。
闭环控制系统典型方框图Leabharlann 锅炉汽包水位控制系统方框图