简单控制系统
《简单控制系统的设计》教案
《简单控制系统的设计》教案一、教学目标1. 了解控制系统的基本概念和分类。
2. 掌握简单控制系统的设计方法和步骤。
3. 能够运用控制系统理论知识分析和解决实际问题。
二、教学内容1. 控制系统的基本概念控制系统的定义控制系统的组成控制系统的分类2. 简单控制系统的设计方法系统建模系统稳定性分析系统控制器设计系统仿真与实验3. 控制系统设计实例线性控制器设计实例非线性控制器设计实例数字控制器设计实例三、教学方法1. 讲授法：讲解控制系统的基本概念、设计方法和实例。
2. 实践法：引导学生参与控制系统实验，提高实际操作能力。
3. 讨论法：组织学生分组讨论，促进互动交流。
四、教学准备1. 教学PPT：制作控制系统基本概念、设计方法和实例的PPT。
2. 实验设备：控制系统实验装置。
3. 参考教材：控制系统相关教材和学术论文。
五、教学过程1. 引入控制系统的基本概念，讲解控制系统的重要性。
2. 介绍控制系统的基本组成和分类，让学生了解控制系统的基本框架。
3. 讲解控制系统的设计方法，包括系统建模、稳定性分析、控制器设计等步骤。
4. 通过实例分析，让学生掌握控制系统设计的方法和技巧。
5. 组织学生进行实验操作，验证控制系统设计结果的正确性。
6. 引导学生进行分组讨论，分享控制系统设计的心得体会。
7. 总结本节课的内容，布置课后作业，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂讲解评估：通过观察学生的听课情况，了解学生对控制系统基本概念和设计方法的理解程度。
2. 实验操作评估：通过学生在实验过程中的操作表现，评价其对控制系统设计方法的掌握情况。
3. 课后作业评估：通过学生完成的课后作业，检验其对课堂所学知识的吸收和运用能力。
七、教学拓展1. 控制系统在工程中的应用：介绍控制系统在工业、交通、医疗等领域的应用案例，让学生了解控制系统的实际价值。
2. 先进控制系统技术：简要介绍智能控制、自适应控制等先进控制系统技术，激发学生的学习兴趣。
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。
第12章_简单控制系统
XD%
TD /℃
进料
回流F
塔顶产品
P/ MPa
苯－二甲苯的T-x图
Q入，X入，T
入
QZ 蒸汽 塔底产品
XD%
精馏过程示意图
苯－二甲苯的P-x图
塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之
间的关系为： XD= f (TD，P)，两个独立变量。
12
12.2.2 被控变量的选择 2、被控变量选择的一般原则
答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控制。
K大一些，T小一些，τ最好为0。 测量仪表的选用和安装 执行器的选用和安装
4
第三个问题：以什么方式控制？ 答：没有标准答案（选择合适的调节规律） 最常用的调节规律： 位式控制、P、PI、PD、PID
（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）
后续问题：如何整定PID参数？ 答：临界比例度法＋经验 衰减曲线法＋经验 经验凑试法 最好的方法就是“经验”
干扰作用与控制作用之间的关系
控制质量：系统的过渡过程形式——超调量、衰减比、
余差、过渡时间、振荡周期
对象特性：（1）系统的输入输出关系
（2）分为对象静态性质和对象动态性质
（3）考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量
16
12.2.3 操纵变量的选择
3、对象稳态性质对控制质量的影响
Y 绝对放大系数 X
器，与图 2 相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用
灵敏度次之。
方案Ⅲ ：蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空
气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。 综合考虑应选择方案II，以旁路空气量为操纵变量。
25
12.2.4 控制器控制规律的选择
过程控制系统 第4章 简单控制系统
设定值 偏差
Gf(s)
R(s) E(s)
Gc(s)
Ym(s)
U(s)
Gv(s) Gm(s)
(b)
Q(s)
Gp(s)
Go(s)
Y(s)
图 4-2 简单控制系统的框图
4.2 简单控制系统的设计
4.2.1控制系统设计概述
首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专 业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装臵对象； 其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要 的交流，共同讨论确定自动化方案； 第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所 用仪表及装臵的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术 的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意 倾听自动化专业技术人员的建议； 第四，设计一定要遵守有关的标准﹑行规，按科学合理的程序 进行。
⑵ 对检测变送信号的处理
检测变送信号的数据处理包括信号补偿、线性化、
信号滤波、数学运算、信号报警和数学变换等。
① 信号补偿
热电偶检测温度时，由于产生的热电势不仅与热端温度有关， 也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿； 热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，所用连接导线的类型 和规格不同，线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿； 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 从保证产品质量出发，当发生控制阀处于 无能源状态而回复到初始位臵时，不应降低产 品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关 式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于 全回流状态,防止不合格产品的蒸出，从而保 证塔顶产品的质量。
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。
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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简单控制系统
§5.1 简单控制系统设计原则
简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。
一、被控变量的选择
被控变量选择方法
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。
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。
选择被控变量的原则
1. 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决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。
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。
二、操纵变量的选择
选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。
1. 对象静态特性对控制质量的影响
ＫＯ应适当大些。
扰动通道放大倍数K f越小越好。
Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。
小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。
2. 对象动态特性的影响
对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。
设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。
下面我们分别进行讨论。
⑴对扰动通道特性的影响
Ｔf对控制质量的影响
纯滞后τf对控制质量的影响
⑵对控制通道的影响
在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道中τ0适当小些，设法减小τ0。
3. 操纵变量的选择原则
⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数，比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。
⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。
⑶考虑工艺上的合理性。
如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。
例：乳化物干燥塔操纵变量的选择
三、系统设计中的测量变送问题
1. 纯滞后
2. 测量滞后
3. 传送滞后
传送滞后------信号传送过程中引起的滞后。
主要指的是气信号的传送，对于电信号这种传送滞后可以忽略不计。
四、控制器对控制规律及正反作用的选择
1. 控制器对控制规律的选择
复习基本控制规律对过渡过程的影响。
控制规律选择的原则是：
1. 对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。
象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。
2. 对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。
例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器。
3. 当对象滞后较大，如温度、ＰＨ值等控制系统则需引入微分作用。
一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。
4. 当对象控制通道的滞后很小，采用反微分作用可以收到良好的效果。
5. 当对象滞后很大，负荷又变化很大时，PID作用控制器也不能解决问题，往往要设计某些复杂控制系统。
2. 控制器正反作用的选择
控制器正反作用的确定有两种方法：
逻辑推理方法：
方块图法（符号法）：利用控制系统方块图中各环节的符号来确定控制器正、
反作用
定义环节正、负符号的定义：
凡是输入增大导致输出也增大的为“＋”，反之为“－”。
测量变送环节：当被控变量增加时其输出量也是增加的，作用方向一般都是“＋”，控制阀环节：气开式，输入增大输出也增大，定义为“＋”；
气关阀定义为“－”。
受控对象环节：只需考虑控制通道输出与输入信号的关系。
当操纵变量增加时，被
控变量也增加的对象定义为“＋”；反之，被控变量减小的定义为“－”。
控制器环节：将其看成仅以测量值为输入（设定值不变）的环节，即输入（测量信号）增大，输出也增大为“＋”（正作用），反之，输入增大输出减小为“－”（反
作用），。
这里讲的输入输出关系是指环节的静态关系。
确定控制器正、反作用次序一般为：首先根据生产工艺安全等原则确定控制阀的作用方式，以确定ＫＶ的符号。
最后根据上述三个环节构成的开环系统各环节静态放大系数极性（符号）相乘必须为负的原则来确定控制器的正、反作用方式。
下面通过一个例子加以说明。
§5.2 简单控制系统的投运及控制器参数的工程整定
一、简单控制系统的投运
经过控制系统设计、仪表调校、安装，接下去的工作是控制系统投运。
也就是将工艺生产从手操状态切入自动控制状态。
控制系统投运前应作好如下的准备工作：
1. 详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。
2. 吃透控制系统的设计意图。
3. 在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。
4. 设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。
5. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动。
二、控制器参数的工程整定
控制器参数整定的任务，是对已定的控制系统求取保证控制过程质量为最好的参数。
目前整定参数的方法有两大类。
一类是理论计算整定的方法，如频率特性法、根轨迹法等，这些方法都是要获取对象的动态特性，而且比较费时，因而在工程上多不采用。
一类是工程整定的方法，如经验法、临界比例度法和衰减曲线法等，它们都不需要获得对象的动态特性，而直接在闭合的控制回路中进行整定，因而简单、方便，适合在工程上实际应用。
1. 经验法
它是根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形状，以δ%、T I、T D，对控制过程的规律为指导，调整相应的参数进行凑试，直到合适为止。
2. 临界比例度法
将控制器的积分作用和微分作用除去，按比例度由大到小的变化规律，对应于某一δ％值作小幅度的设定值阶跃干扰，以获得临界情况下的临界振荡。
这时候的比例度叫做临界比例度δk，振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期T k。
然后可按表中所列经验算式，求取控制器参数的最初设定值。
观察系统的响应过程，若曲线不符合要求，再适当调整整定参数值。
3. 衰减曲线法
这种方法是以得到具有通常所希望的衰减比（4:1）的过渡过程为整定要求。
其方法是：在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比的过渡过程，记下此时的比例度δS及振荡周期T S，根据经验公式表，求出相应的积分时间T I和微分时间T D。
4. 响应曲线法
这是一种根据广义对象的时间特性来整定参数的方法。
5.3 单回路控制系统工程设计实例
喷雾式干燥塔控制系统设计。
1. 被控变量与操纵变量的选择
⑴被控变量的选择
由于产品的湿度测量十分困难，所以不能取直接参数。
根据生产工艺分析，产品的湿度与塔出口的温度密切相关，若保证温度波动小于2～5℃，则符合质量要求。
因而选干燥塔出口温度为被控参数（间接参数）。
⑵操纵变量的选择
影响干燥塔出口温度的主要因素有：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)，因而有4个变量可作为操纵变量，在图中用控制阀1、2、3、4，分别控制这4个变量构成4种控制方案。
比较4种控制方案。
最后干燥塔总体控制方案，加压空气单独设计一流量控制系统，以排除其对干燥塔温度的影响，温度控制系统，取塔出口温度为被控制变量，旁路空气为操纵变量。
2. 过程检测、控制设备的选用
根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合（DDZ）仪表。
a. 温度控制系统
⑴测温元件及变送器
被控温度在100℃以下，选用热电阻温度计。
为提高检测精度，应用三线制接法，并配用温度变送器。
⑵控制阀
根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气关形式。
根据过程特点与控制要求选用对数流量的控制阀。
⑶控制器
根据过程特点与工艺要求，选用PID控制规律。
根据构成系统负反馈的原则，确定控制器正、反作用方向。
b. 流量控制系统
⑴检测仪表
根据被控介质的特点，选用电磁流量表。
⑵控制阀
根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气开形式，根据过程特点与控制要求选用线形流量特性的控制阀。
⑶控制器
根据过程特点与工艺要求，选纯比例控制规律即可。