7.第七章 简单控制系统
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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
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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。
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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，
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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：
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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
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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。
第七章STEP7编程软件的使用方法7.1用户程序的基本结构7.2STEP7
OB1的程序
4 编辑FC1 在【S7 程 序 （1）】下的【块】中单击右键，插入功能并命名为FC1
FC1的参数表及程序如图
5 编辑FB1 用同样的方法插入FB1并编辑，如图
图7-29 IN参数 图7-30 OUT参数 图7-31 STAT参数
FB1程序
6 编 辑 DB1、DB2 在【S7 程序（1）】下的【块】中单击右键，插入FB1的背景数据块并命名为DB1，如图7-33所示。用同样的方法插入DB2。
图7-7 接口属性设 置
7.3 硬件组态
1 创建项目 打开【SIMATIC Manager】，系统会自动弹出“新建项目”向导（图7-8），同时，也可以通过选择菜单【文件】|【新建项目”向导】打开。这里，我们 使用“新建项目”向导。通过单击按钮【取消】关闭该向导。
在工具栏中单击按钮 或 在 【文件】菜单下单击【新建】，可以直接创建一个新项目。在弹出的对话框中输入项目名称及路径，单击确定完成（如图7-9）。这里 建立了一个名为example7-1的项目。
2 创建项目 在STEP7中建立一个名为example7-2的项目，通过插入菜单加入一个S7程序
3 编辑符号表 符号表可以为绝对地址（如I0.0、Q4.0等）提供一个符号名（如“启动”、“输出”等），以方便编程及程序阅读。 在【S7 程序（1）】目录下，双击【符号】图标，打开符号表，对其进行编辑并保存
2、模块化编程 程序被分为不同的逻辑块，每个块包含了完成部分控制任务的逻辑指令。组织 块OB1（主程序）中的指令决定在什么情况下调用哪一个块，功能和功能快（子 程序）用来完成不同的过程任务。被调用的块执行完后，返回到OB的调用点， 继续执行OB1。 模块化编程的程序被分为若干块，易于实现多人同时对一个项目编程。由于只 在需要时执行相关的指令，因此提高了CPU的执行效率。
13串级控制系统1 自动化仪表 教学课件
400 450 500
副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、 副对象组成的回路。处在串级控制系统内部的，在控制过程中 起着“粗调”的作用。
主回路（主环）：由副回路、主控制器、主对象、主变量检测 变送器组成的回路，在控制系统中起着“细调”的作用。
一次干扰：进入主回路的干扰 二次干扰：进入副回路的干扰
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》
串级控制系统的设计原则
单回路控制不能满足性能要求； 有反映系统主要干扰的可测副参数； 调节阀与副参数之间具有因果关系； 副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数 小，调节通道短，反应灵敏； 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。
具有两个回路。
两套检测变送器、两个调节器、两个被控对象、和一个调节阀组成， 其中的调节器串联工作，前一个调节器的输出为后一个调节器的给定值， 后一个调节器的输出送往调节阀。
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》
三、常用术语：
主变量：主要目标 副变量：被控对象引出的中间变量 副对象：副变量与操纵变量之间的通道特性 主对象：主变量与副变量之间的通道特性 副控制器：接受副变量的偏差，其输出控制阀门 主控制器：接受主变量的偏差，其输出是副控制器的设定值
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》 加热炉温度单回路控制响应曲线
Temperature (°C)
69 68 67 66 65 64 63 62 61 60
0
D2 response
D1 response
不太好！ 什么原因
？
50 100
150 200 250 300 350 Time(min)
PLC第七章
2.根据I／O的点数或通道数进行选择
多数小型机为整体式，同一型号的整体式PLC，除 按点数分成许多挡以外，并配以不同点数的I／O扩 展单元，来满足对I／O点数的不同需求。例如S7200系列PLC提供4个不同的基本型号的8种CPU。 (1)CPU221型，集成6输入／4输出共10个数字量的 I／O点。无I／O扩展能力。6K字节程序和数据的存 储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的 20kHz高速脉冲输出。1个RS-485通信／编程口， 具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能 力。其非常适合于小点数控制的微型控制器。
1．根据所需要的功能进行选择 基本的原则是需要什么功能，就选择具有什么样功能 的PLC，同时也适当地兼顾维修、备件的通用性以及 今后设备的改进和发展。 各种新型系列的PLC，从小型到中、大型已普遍可以 进行PLC与PLC、PLC与上位计算机的通信与联网， 具有进行数据处理和高级逻辑运算、模拟量控制等功 能。因此，在功能的选择方面，要着重注意的是对特 殊功能的需求。一方面，选择具有所需功能的PLC主 机(即CPU模块)；另一方面，根据需要选择相应的模 块(或扩展选用单元)。例如开关量的输入与输出模块、 模拟量的输入与输出模块、高速计数器模块、网络链 接模块等。
4、定时器的延时扩展环节
5、定时器构成的振荡电路
6、分频电路
7.3应用举例
7.3.1密码锁控制系统 密码锁控制系统有5个按键SBl～SB5。 1．控制要求 (1)SB1为起动键，按下SB1键，才可进行开锁工作。 (2)SB2、SB3为可按压键。开锁条件为：SB2设定按压 次数为3次时，SB3设定按压次数为2次。同时SB2、 SB3是有顺序的，先按SB2，后按SB3。如果按上述规 定按压，密码锁会自动打开。 (3)SB5为不可按压键，一旦按压，警报器就发出警报。 (4)SB4为复位键，按下SB4键后，可重新进行开锁作业。 如果按错键，则必须进行复位操作，所有的计数器都被 复位。
电气控制与plc教学资料第七章习题解答
自动化生产线控制
总结词
自动化生产线控制是现代工业生产中的重要应用，通过PLC等控制设备实现对生产线上各个设备的自 动化控制。
详细描述
自动化生产线控制涉及对生产线上的传送带、机械手、传感器等设备的控制，通过PLC编程实现对设 备的精确控制和协调。同时，需要设计合理的控制流程和逻辑，以确保生产线的稳定运行和产品质量 。
02
习题二：plc编程基础
数据类型与变量
数据类型
PLC编程中常用的数据类型包括位（bit）、字节（byte）、字 （word）、双字（double word）等。这些数据类型决定了变量存 储空间的大小和能表示的数据范围。
变量
在PLC程序中，变量是用来存储数据的标识符。变量可以存储输 入信号状态、中间计算结果、输出控制指令等。根据数据类型， 变量可以分为位变量、字节变量、字变量等。
电路工作原理分析
01
02
03
04
总结词
理解电路的工作原理是解决实 际问题的关键。
分析方法
通过分析电路中各元件的作用 和工作状态，理解电流和电压 的传递路径和变化规律。
欧姆定律
欧姆定律是电路分析的基本定 律，用于计算电流和电压之间 的关系。
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律包括电流定律和 电压定律，用于解决复杂电路 中的电流和电压问题。
03
习题三：实际应用案例
电机控制电路设计
总结词
电机控制电路设计是实际应用中常见的电气控制案例，主要涉及电机的启动、停止、正反转以及调速等控制功能。
详细描述
在设计电机控制电路时，需要根据电机的类型、规格和实际需求，选择合适的电气元件和设备，如接触器、继电 器、变压器等，并合理布置电路，确保安全可靠、操作方便。同时，需要考虑电机的启动、停止、正反转以及调 速等控制功能的实现方式，以满足生产工艺的要求。
《化工仪表与自动化》教学大纲
《化工仪表与自动化》教学大纲课程编号：B037130622课程名称：化工仪表与自动化课程类型：学科基础课英文名称：Chemical Instrument and Automation适用专业：化学工程与工艺总学时：30学分：2一、课程的性质、目的和任务本课程是化学工程与工艺专业一门学科基础课。
通过本课程的学习，使学生了解和初步掌握仪表和自动控制系统的基础知识、构成自动控制系统的各个基本环节以及简单控制系统，并对复杂控制系统与计算机控制系统有所了解。
在教学过程中注意培养学生的查阅资料能力、归纳总结能力、分析和解决问题的能力，为学生将来工作打下基础。
二、课程教学的基本要求掌握各种化工测量仪表的原理、结构、功能，进而会选用仪表。
掌握自动控制系统的基本知识，包括系统的组成、控制规律、对象特性及简单控制系统，能读懂简单控制系统图纸。
掌握实现自动控制系统的控制仪表及装置的原理。
了解自控技术的新发展及新型控制装置。
三、课程教学内容第一章绪论⑴教学内容和基本要求了解化工自动化的意义、组成以及化工仪表与自动化的发展过程。
⑵教学的重点和难点重点：化工自动化的组成。
难点：化工自动化的组成。
第二章化工测量仪表⑴教学内容和基本要求理解测量仪表及变送器的基础知识，理解压力测量仪表、流量测量仪表、液位测量仪表以及温度测量仪表的原理和结构，掌握选用测量仪表方法。
⑵教学的重点和难点重点：测量仪表方法的选用方法。
难点：变送器的原理。
第三章控制器⑴教学内容和基本要求理解单元组合仪表的基本知识，掌握控制器原理及控制规律。
⑵教学的重点和难点重点：控制规律。
难点：控制规律。
第四章执行器⑴教学内容和基本要求理解执行器原理、结构和类型，理解调节阀的流量特性，掌握执行器及调节阀选用方法。
⑵教学的重点和难点重点：执行器结构形式和调节阀流量特性的选择。
难点：执行器的选择。
第五章简单控制系统⑴教学内容和基本要求理解简单控制系统的基本结构、控制质量的影响因素、控制器正反作用，掌握控制器参数的工程整定方法。
化工仪表及自动化课后习题答案第四版
第一章，自动控制系统1、化工自动化主要包括哪些内容。
自动检测，自动保护，自动操纵和自动控制等。
2、闭环控制系统与开环控制系统的区别。
闭环控制系统有负反馈，开环系统中被控变量是不反馈到输入端的。
3、自动控制系统主要有哪些环节组成。
自动化装置及被控对象。
4、什么是负反馈，负反馈在自动控制系统中的意义。
这种把系统的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈，当反馈信号取负值时叫负反馈。
5、自动控制系统分类。
定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统6、自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有及影响因素。
最大偏差，衰减比，余差，过渡时间，振荡周期对象的性质，主要包括换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。
7、什么是静态和动态。
当进入被控对象的量和流出对象的量相等时处于静态。
从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所以这种状态叫做动态。
第二章，过程特性及其数学模型1、什么是对象特征，为什么要研究它。
对象输入量与输出量之间的关系系统的控制质量与组成系统的每一个环节的特性都有密切的关系。
特别是被控对象的特性对控制质量的影响很大。
2、建立对象的数学模型有哪两类机理建模：根据对象或生产过程的内部机理，列写出各种有关的平衡方程，从而获取对象的数学模型。
实验建模：用实验的方法来研究对象的特性，对实验得到的数据或曲线再加以必要的数据处理，使之转化为描述对象特性的数学模型。
混合建模：将机理建模和实验建模结合起来的，先由机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实测的方法给予确定。
3、反映对象特性的参数有哪些。
各有什么物理意义。
它们对自动控制系统有什么影响。
放大系数K：对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。
对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时对输出量的影响越大。
CH7_控制系统的性能分析和校正(1)
L(ω)
[− 40] [− 20]
ωc
高频区伯德图 呈很陡的斜率下降，有利于 降低高频躁声。 但高频段有多个小惯性环节， 将对高阶模型系统的相位裕度产生不利影响， 使原来的相角裕度
0 ω 2
高频区 ω3 ω4ω5ω6 小 参 数 区
ω
γ 2 =180 +ϕ(ωc ) = arctgωcT2 − arctgωcT3 变成 γ 2 = arctgωcT2 − arctgωcT3 − arctgωcT4 − arctgωcT5 − arctgωcT6
顺馈校正
Gr (s)
补偿器放在 系统回路之外
Xi (s)
-
E(s)
G(s)
Xo (s)
不影响特征方程，只补偿由于 输入造成的稳态误差。
干扰补偿
当干扰直接可测量时
Xi (s)
-
E(s)
Y (s)
Gn (s )
N(s)
G1(s)
G2 (s)
Xo (s)
不影响特征方程，只补偿由于 干扰造成的稳态误差。
L(ω)
[− 40] [− 20]
ωc
0 ω 2
1 TΣ
高频区 ω3 ω4ω5ω6 小 参 数 区
ω
当 足 ωcT3 < 1, ωcT4 << 1, 满 ：
ωcT5 << 1, ωcT6 << 1
则 认 可 为
K(T2s + 1) 此时：G(s) ≈ 2 s (TΣs +1)
1 TΣ = (T3 + T4 + T5 + T6 ), 且 ≥ 2ωc TΣ
L(ω)
[− 40] [− 20]
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18
本章作业
• P167
13，16，17
19
8
三 测量元件特性的影响
• 检测系统特性的影响主要表现为时间滞后的作用。 • 造成系统滞后的主要原因有： • 测量元件的时间常数存在造成的滞后：因热容、热阻 等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出不能及时反 映参数的变化。 测量元件的纯滞后：测量点不能及时反映参数的变 化。存在容积滞后和/或传递滞后。 信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统 反映滞后。
干扰
温度上、 温度上、下 设定值
偏差
控制电路
压缩机
冰箱
被控变量：温度
温度检测元件
冰箱控制系统的方块图
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例题2 液位控制系统 为安全起见，储槽内 液体严格禁止溢出。 确定控制阀的气开、气关 控制器的正反作用 1：Q1为操纵变量 2：Q0为操纵变量
Q1
Q0
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例题3 某控制系统用临界比例度法整定参数， 某控制系统用临界比例度法整定参数，已知 =25%， =5min.请分别确定PI和PID作用 请分别确定PI δK=25%，TK=5min.请分别确定PI和PID作用 时的控制器参数。 时的控制器参数
•
使用条件：
– – 临界比例法广泛应用于放大倍数较小，即控 控 制器输出范围较小的系统； 制器输出范围较小 使用临界比例法必须是工艺系统允许 工艺系统允许短时间 震荡的情形。
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2. 衰减曲线法
• 具体方法：
1. 在纯比例控制（ Ti =0， TD =∞）条件下通过 试验选择适宜的比例度δs使系统呈现4：1的 衰减比； 2. 再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公 式计算实际参数值δ、 Ti 、 TD 。
6
• 二 操纵变量的选择
• 操纵变量：在自动控制系统中，用于调节被控变量的 参数，称为操纵变量。 • 操纵介质：实现控制作用的物料 • 对象特性对选择变量的影响 静态特性：放大系数 动态特性：时间常数和滞后
7
• 操纵变量的选择原则： 操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； 操纵变量应具有较高的调节灵敏度： 较大的放大倍数K0； 较短的滞后时间τ。 符合工艺的合理性和生产的经济性。
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第三节 控制器参数的工程整定 • 控制器参数的工程就是选择适宜的比例度 Kp（放大倍数δ）、积分时间Ti和微分时间 TD 。 • 控制器的整定的方法：
– 临界比例度法： – 衰减曲线法： – 经验凑试法： 关键“看曲线，调参数”
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1. 临界比例度法
• 具体方法：
1. 在纯比例控制（ Ti =0， TD =∞）条件下通过 试验获得临界比例度δK； 2. 再根据经验公式计算实际参数值δ、 Ti 、 TD 。 δ
第七章 简单控制系统 第一节 简单控制系统的结构与组成
• 定义： –由一个测量仪表（测量元件、变送器）、一个控制器 和一个执行机构（控制阀）和一个对象所组成的（单 闭环）控制系统。 • 简单控制系统又称单回路控制系统。 • 简单控制系统是构成复杂控制系统的基本单元。
1
蒸汽
TC TT
进料 凝液
温度控制系统
•
使用条件：
– – 干扰作用不太频繁； 干扰作用的规律性较强。
14
3. 经验凑试法
• 具体方法：
1.根据一般经验选择适宜的控制参数δ、 Ti 、 TD ； 2.在实际运行过程中对参数进行适当的调整。
• 使用条件：
– 干扰作用频繁； – 干扰作用的规律性较差。
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• 例题1： • 简述冰箱的工作原理，画出控制系统方块图
出料
2
干扰 给定值 偏差 被控变量
控制器
执行器
对象
测量变送器
简单控制系统的方块图
3
第二节 简单控制系统的设计
一 被控变量的选择
被控变量：保持恒定的变量（关键） 控制形式：直接指标控制和间接指标控制 从工艺合理性考虑选温度的较多
4
冷却水
精 馏 塔
5
• 遵循原则：
• 工艺过程的重要变量； • 在工艺系统中易受干扰变化，需要经常频繁调节 的参数； • 尽可能选用直接指标作为被控参数，必要时可用 与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控 变量。 • 被控变量可以检测出来，并有足够的灵敏度； • 适当考虑工艺合理性和国内仪表现状； • 被控变量应是独立可控的。
9
• 四 控制器控制规律的选择
1 控制器控制规律的确定 比例控制器：可调参数是比例放大系数 比例积分控制器：可调参数是比例放大系数和积 分时间 比例积分微分控制器：可调参数是比例放大系数 和积分时间及微分时间
10
控制器正反作用的确定
测量元件与变送器：正作用 执行器：气开阀“正”方向 气关阀“反”方向 被控对象的作用方向：正作用和反作用 控制器的作用方向：正作用和反作用 书图7-15和7-16