简单控制系统
过程控制系统简单控制系统
控制系统设计基本内容
① 确定控制方案
调研,论证 包括被控变量的选择与确认﹑操纵变量的选择与确认﹑检测点
的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方 案设计说明书等等.
② 仪表及装置的选型
要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑ 供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素.
说明 ：
框图中的各个信号都是增量.
各环节的增益有正、负之别.
通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象.
简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道：控制通道是操 纵变量作用到被控变量的通道.扰动通道是扰动作用到被控变量 的通道.
设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统
设定值是任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控 制系统.
④ 参与施工和试车 设计代表应该到现场配合施工,并参加试车和考核.
⑤ 设计回访 在生产装置正常运行一段时间后,应去现场了解情况,听取意见,总结经 验.
4.2.2 被控变量与操纵变量的选择
被控变量选择应遵循下列原则：
尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变 量；
所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效 的要求
气体流量检测时,若检测点温度、压力与设计值不一致,因此需要 进行温度和压力的补偿；
精馏塔内介质成分与温度、塔压有关,正常操作时,塔压保持恒定, 可直接用温度进行控制,当塔压变化时,需要用塔压对温度进行补 偿等.
② 线性化
检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被 控变量的,它们有些存在非线性,例如,热电势与温度、 差压与流量等,这些非线性会造成控制系统的非线 性,因此,应对检测变送信号进行线性化处理.可以采 用硬件组成非线性环节实现,例如,采用开方器对差 压进行开方运算,也可用软件实现线性化处理.
过程控制系统—简单控制系统(工业仪表自动化)
02
小结
控制柜主要由电源和DCS部分组成；控制对象中的两个独 立的控制回路可以通过不同的执行器、工艺线路组成不同 的控制方案。
02
思考题
1、压力变送器如何进行液位测量的？ 2、PT100如何实现温度测量的？
CONTENTS
01
1.准备工作
2.仪表检查
投运前要在现场校验仪表一次, 确认正常后可考虑 投运。
给定值X e
p 控制器
控制阀
干扰f q
被控对象
被控 变量y
测量值Z
测量变送器
方法：系统四环节特性符号乘积为“— ”。
控制器 × 控制阀 × 变送器 × 被控对象
为“—”
02 环节特性符号的规定：
输入
输出
环节
输入↑→输出↑ 符号为“+” 输入↑→输出↓ 符号为“-”
02
操纵变量q ↑ 被控对象
被控变量y ↑ 符号为“+” ↓ 符号为“ ”
02
控制器参数的工程整定
按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器 参数值。即确定最合适的控制器比例度δ、积分时间TI和 微分时间TD。
方法 理论计算的方法和工程整定法。 几种常用的工程整定法
1.临界比例度法
先通过试验得到临界比例度δk和临界周期Tk，然后根 据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。
对于控制记录仪表,除了要观察测量指示是否正常 外,还特别要对控制器控制点进行复校。
01
3.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式
控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制 系统成为负反馈闭环系统的重要一环。
正作用？ 反作用？
控制器正、反作用开关示意图
01
简单控制系统
这么一来，电极所测得旳信号与中和糟内溶 液旳pH值在时间上就延迟了一段时间。
图7-5所示为苯、甲苯二元系统中易挥发 组分苯旳百分浓度与温度之间旳关系。 易挥发组分旳浓度越高，相应旳温度越 低；相反，易挥发组分旳浓度越低，相 应旳温度越高。
当温度TD恒定时，组分xD和压力p之间也 存在着单值相应关系，如图7－6所示。 易挥发组分浓度越高，相应旳压力也越 高；反之，易挥发组分旳浓度越低，相 应旳压力也越低。
第十一章 简朴控制系统
第一节 系统旳构造与构成 第二节 被控变量旳选择 第三节 调整变量旳选择 第四节 测量元件特征旳影响 第五节 控制器控制规律旳选择 第六节 控制系统旳投运与参数整定
伴随生产过程自动化水平旳日益 提升，控制系统旳类型越来越多， 复杂程度旳差别也越来越大。本 章所述旳简朴控制系统是使用最 普遍（占85%左右）、构造最简 朴旳一种自动控制系统。
所以采用简朴控制系统时，一般只 能确保塔顶或塔底一端旳产品质量。 工艺要求确保塔顶产品质量，则选 塔顶温度作为被控变量；若工艺要 求确保塔底产品质量，则选塔底温 度作为被控变量。
假如工艺要求塔顶和塔底产品纯度 都要确保，则一般需要构成复杂控 制系统，增长解耦装置，处理相互 关联问题。
从上面旳举例中能够看出，要正确地选 择被控变量，必须了解工艺过程和工艺 特点对控制旳要求，仔细分析各变量之 间旳相互关系。选择被控变量时，一般 要遵照下列原则。
（l）被控变量应能代表一定旳工艺操作 指标或能反应工艺操作状态，一般都是 工艺过程中比较主要旳变量。
（2）被控变量在工艺操作过程中经常要 受到某些干扰影响而变化。为了维持被 控变量旳恒定，需要较频繁旳调整。
（3）尽量采用直接指标作为被控变量。 当无法取得直接指标信号，或其测量和 变送信号滞后很大时，可选择与直接指 标有单值相应关系旳间接指标作为被控 变量。
简单控制系统的教学设计
简单控制系统的教学设计一、教学目标：1.理解什么是控制系统，掌握控制系统的基本原理和组成部分。
2.掌握控制系统的设计方法，能够根据实际情况设计简单控制系统。
3.培养学生的动手能力和解决问题的能力。
二、教学内容：1.控制系统的定义和基本原理。
2.控制系统的组成部分，包括传感器、执行器、控制器和控制对象。
3.控制系统的设计方法，包括开环控制和闭环控制。
三、教学过程：1.导入（10分钟）通过展示一个简单的控制系统实例引导学生思考什么是控制系统，并简要介绍控制系统的定义和基本原理。
2.理论讲解（30分钟）（1）控制系统的组成部分：传感器、执行器、控制器和控制对象。
分别介绍它们的作用和常见的类型。
（2）控制系统的设计方法：开环控制和闭环控制。
分别介绍它们的原理、特点和适用场景。
3.实例分析（30分钟）选择一个简单的实际问题，例如温度调节系统。
通过分析问题要求和系统的组成部分，引导学生思考如何设计一个控制系统来实现温度调节。
鼓励学生积极参与，提出自己的思路和解决方案。
4.设计实践（40分钟）组织学生分成小组，每个小组选择一个实际问题进行控制系统的设计。
鼓励学生自己动手搭建系统，并运行实验，观察系统的控制效果。
教师及助教在一旁指导和解答学生提出的问题。
5.总结（10分钟）学生小组之间进行互相展示，分享各自的设计思路和实验结果。
教师总结控制系统的设计方法和注意事项，再次强调控制系统的重要性和应用领域。
四、教学资源：1.课件：包括控制系统的定义、组成部分和设计方法的介绍。
2.实验设备：可提前准备一些基础的传感器、执行器和控制器，供学生使用。
3.实验材料：例如温度调节系统所需的温度传感器、加热器等。
4.辅助工具：例如计算器、螺丝刀等。
五、教学评价：1.实验报告：要求学生写出自己设计的控制系统的详细方案和实验结果。
2.分组展示：根据学生的展示内容、设计思路和实验结果进行评价。
3.课堂讨论：根据学生的问题和参与度进行评价。
简单控制系统
图 16-2 简单温度控制系统
图16-3 简单控制系统方块图
从图中可知
➢简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象 测量变送装置、控制器和执行器。
➢ 在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端 的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被 控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。
16.2 简单控制系统的设计
et
1
ut 斜率是 1 Ti
0
t0
u0
Kc
t
t0
t
图16-20 比例积分作用对偏差e的单位阶跃响应曲线
图16-21表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。
Ti
图16-21积分时间过渡过程的影响
特点
由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作 用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控 制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。
第16章 简单控制系统
16.1 简单控制系统的构成 16.2 简单控制系统的设计 16.3 简单控制系统的投运 16.4 控制器参数的工程整定
16.1 简单控制系统的构成
简单控制系统通常是指由一个测量变送元件、一个控制器、 一个执行机构和一个被控对象所构成的单闭环控制系统。
图 16-1 简单液位控制系统
图16-22 比例微分控制器特性 图16-23 微分时间对过渡过程的影响
比例积分微分控制规律（PID）及其对控制过程的影响
比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的 控制器，常称为三作用（PID）控制器。
理想的PID控制作用是
u
Kc
(e
1 Ti
t 0
edt
TD
de) dt
u0
可调整参数
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。
第五章简单控制系统
现场工程整定法——条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。
1）经验法
2）衰减曲线法
3）临界比例度法 4）响应曲线法
控制器参数的工程整定
方法一：经验法 （长期的生产实践中总结出来的一种整定方法）
系统
温度 流量 压力 液面
δ(%)
20～60 40～100 30～70 20～80
参数
TI ( min) 3 ～10 0.1～1 0.4～3
简单控制系统的设计原则
被控变量的选择
方法一：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变量，称为直接参数法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参 数。
方法二：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变量， 称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化 率等。
选择操纵变量 加压空气流量f1(t) 浆液流量f2(t) 旁路空气流量f3(t) 烟道气流量f4(t)
加压空气
3
1
干
2
燥
浆液
塔
4
烟道气
空气
单回路控制系统工程设计实例
加压空气
1
FC
2 浆液
TC
3
干
燥
塔
空气
4
烟道气
温度控制系统 测温元件---热电阻温度计 变送器----温度变送器 控制阀----气关形式（对数流量特性） 控制器----PID控制 规律，反作用
2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有 单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴ 满足工艺的合理性 ⑵ 具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶ 测量变送装置的滞后小。
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用越强。 比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量
23
控制规律
整理ppt 2021/3/2
比例度
U(t)Kce(t)1e(t)
结论
比例度与比例增益成反比。 比例度越小，则比例增益越大，比例控制作用就越强； 反之，比例度越大，则比例增益越小，比例控制作用 就越弱。
6
执行器
整理ppt 2021/3/2
PO 1
气 动 执 行 机 构
6
调 节 机 构
2 3 4
5
图 气动薄膜调节阀的外形和内部结构 1－薄膜 2－平衡弹簧 3－阀杆 4－阀芯 5－阀体 6－阀座
7
执行器
整理ppt 2021/3/2
执行器分类
根据驱动信号的不同，执行器分为三种形式 1.电动执行器； 2.气动执行器； 3.液动执行器。（推力最大，笨重，很少使用）
K I 表示积分速度
注意：具有积分控制规律的控制器，其输出信号的大小， 不仅决定于偏差信号的大小，还取决于偏差存在时间的长短。
26
整理ppt 2021/3/2
控制规律
比例积分控制规律（PI）与积分时间（ T I ）
比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加， 其数学表达式为：
u(t)Kce(t)T 1I 0 te(t)dt
特点：控制器只有两个输出，相应的执行器只有 开和关两个极限位置。 双位控制又称为开关控制。
21
控制规律
整理ppt 2021/3/2
继电器
电磁阀
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控制规律
整理ppt 2021/3/2
比例控制( P )
比例控制规律及其特点
e
Δu
比例控制器KC
图4-7 比例控制器
e（偏差）为控制器的输入信号，Δu为输出信号（变化
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阀门定位器
整理ppt 2021/3/2
电-气阀门定位器
具有两个重要特点： 1、具有电气转换作用 2、具有阀门定位功能
工作原理方框图：
力矩平衡
气信号
执行机构
力矩平衡
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控制规律
整理ppt 2021/3/2
双位控制
理想的双位控制器其输出p与输入偏差e 之间的关系为
pppm mai,,nxee00(或 或ee00)
例二：控制进入设备的易结晶气体的控制阀， 应选用？ 气关阀，以防堵塞。
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执行器
控制阀的流量特性
整理ppt 2021/3/2
理想流量特性，即在阀的前后压差固定的条件下，流量 与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。
理想流量特性主要有线性、等百分比及快开三种。这三 种特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得 到不同的理想流量特性。
四种组合 正作用
正作用
正作用
反作用
反作用 正作用
反作用 反作用
气关式
气开式
气开式
气关式
12Leabharlann 整理ppt 2021/3/2
执行器
气开式与气关式的选择
生产安全。
气信号中断，控制阀复位，应能确保生产工艺设备的安全。 如果阀处于打开位置时危害性小，应用气关式；反之， 阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀
例一：加热炉的燃料进料阀应采用？ 气开阀，即当信号中断时应切断进炉燃料，以免 炉温过高发生事故。
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执行器
整理ppt 2021/3/2
快开：平板结构 线性：曲面形状，“瘦” 等百分比：曲面形状，“胖”
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执行器
整理ppt 2021/3/2
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阀门定位器
整理ppt 2021/3/2
阀门定位器的工作机理 阀门定位器接受控制器的输出信号，然后将控制器
的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后， 其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器
其中，气动薄膜调节阀应用最为广泛。
8
执行器
气动薄膜调节阀
1、接受20 ~100KPa的 标准气压信号； 2、在膜片上产生推力； 3、推动阀杆产生位移； 4、带动阀芯动作。
整理ppt 2021/3/2 9
执行器
气动薄膜执行机构的正反作用
气源PO
整理ppt 2021/3/2
气源PO
正作用执行机构（ZMA）
控制器
阀门定位器
执行机构
控制阀
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阀门定位器
整理ppt 2021/3/2
分类
输入信号 电气-动 气阀 阀门 门定 定位 位器 器
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阀门定位器
整理ppt 2021/3/2
YT-1000R-PTM（带反馈） 电气阀门定位器 1050元
SIEMENS西门子阀门定位器 6DR5115-0EG00-0AA0 9800元
反作用执行机构（ZMB）
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执行器
气动薄膜调节机构的正反作用
整理ppt 2021/3/2
正作用
反作用
正作用：阀芯向下， 阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少。 反作用： 阀芯向上，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大。
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执行器
整理ppt 2021/3/2
气开式：气信号增加，阀门开度增大。
气关式：气信号增加，阀门开度减小。
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整理ppt 2021/3/2
比例度对过渡过程的影响
实现快速控制
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控制规律
整理ppt 2021/3/2
积分控制（I）
一、积分控制规律及其特点
当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的 基础上，再加上积分控制作用。
积分控制作用的输出变化量Δu与输入偏差e的积分
成正比，即
t
u KI 0e(t)dt
整理ppt 2021/3/2
简单控制系统
1
整理ppt 2021/3/2
控制系统的分类
串级控制系统
前馈控制系统
比值控制系统
控制系统复 简杂 单控 控制 制系 系统 统 选均择匀性控控制制系系统统
分程控制系统
.
.
.
2
简单控制系统的定义：
整理ppt 2021/3/2
由一个被控对象、一个检测变送单元、一个控 制器和一个执行器所组成的单闭环负反馈控制 系统叫做简单控制系统，也称为单回路控制系 统。
原因：执行器与介质（操纵变量）直接接触 (强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、 高温、深冷、高压、高差压
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执行器
执行器的组成
整理ppt 2021/3/2
调节机构是根据执行机构输出信号去改 变能量或物料输送量的装置，通常指控 制阀。
执行机构
调节机构
执行机构是根据控制器的控制信号产生 推力或位移的装置。
简单控制系统的方块图？
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执行器
设定值
控制器
整理ppt 2021/3/2
执行器
扰动 被控对象 被控变量
测量变送
接受控制器的输出的控制信号，改变操纵变量，使被控变 量向设定值靠拢的装置，称为执行器。
最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。
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执行器
整理ppt 2021/3/2
执行器是控制系统最薄弱的环节。 自控系统出故障，70%都是执行器出问题。