第十三章 自动控制系统Word格式.docx
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受控制器操作,用以使被控变量保持设定值的物料量称为操纵变量。
(4)干扰(扰动):
除操纵变量外,作用于对象,并能引起被控变量变化的因素称为干扰(扰动)
(5)设定值:
被控变量的目标值称为设定值。
(6)偏差:
偏差是指被测变量的设定值与实际值之差,但是在实际生产过程中能够直接获取的是被控变量的测量值信号,而不是实际值,因此通常把给定值与测量值之差称为偏差。
二、控制系统的分类
控制系统的分类方法很多,若按被控参数的名称来分,有温度、压力、流量、液位、成份等控制系统。
按系统完成的功能来分,有比值、均匀、分程和选择性控制系统。
按被控变量的多少来分,有单变量和多变量控制系统。
但是最基本的分类方法有下列几种:
(一)按系统的结构特点来分
1、反馈控制系统(闭环控制系统)
反馈控制系统是指系统的输出(被控变量)通过变送器环节,又返回到系统的输入端,与给定信号相比较,以偏差的形式进入控制器,对系统起控制作用。
由于整个系统构成了一个封闭的反馈回路,所以该系统也称为闭环控制系统。
该系统是根据被控变量与给定值的偏差进行工作的。
偏差是控制的依据,最后要达到减小或消除偏差的目的。
它是控制系统中一种最基本的形式。
2、前馈控制系统(开环控制系统)
控制系统的输出信号(被控变量)不反馈到输入端,因而也不对控制作用产生影响的系统称为前馈控制系统,也称为开环控制系统。
前馈控制系统是根据扰动量的大小进行工作的,扰动是控制的依据。
由于前馈控制系统最终无法检查控制的效果,因而在实际生产过程中是不能单独采用的。
3、复合控制系统(前馈-反馈控制系统)
在反馈控制系统中引入前馈控制,构成复合控制系统,从而可以提高控制质量。
(二)按给定信号的特点来分
1、定值控制系统:
所谓定值控制系统是指这类控制系统的给定值是恒定的。
该系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响,即在扰动作用下仍能使被控变量保持在设定值(给定值)或在允许范围内。
2、随动控制系统:
随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间任意变化的控制系统。
它的主要作用是克服一切扰动,使被控变量随时跟踪给定值。
在化工生产过程中,有些比值控制系统就属于此类。
3、顺序控制系统:
顺序控制系统是被控量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。
三、控制系统的过渡过程及品质指标
(一)控制系统的过渡过程
一个处于平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用后,被控变量发生变化;
与此同时控制系统的控制作用将被控变量重新稳定下来,并力图使其回到设定值或设定值附近。
一个控制系统在外界干扰或给定干扰作用下,从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为控制系统的过渡过程。
控制系统的过渡过程有以下几种形式:
1、发散振荡过程:
控制系统受到干扰作用后,非但不能使被控变量回到设定值,反而使它越来越剧烈地振荡起来。
2、等幅振荡过程:
系统受到干扰后,被调参数做振幅恒定的振荡而不能稳定下来。
3、衰减振荡过程:
被控变量经过一段时间的衰减振荡后,最终能够重新稳定下来。
4、非周期衰减过程:
被控变量最终也能稳定下来,但过程缓慢,而且被控变量长期偏离设定值一边。
也称为单调过程。
(二)、过渡过程品质指标
一个合格的、稳定的控制系统,当受到外界干扰后,被控变量的变化应是一条衰减的曲线。
常采用以下几个指标来衡量一个过渡过程:
1、衰减比:
它是表征系统受到干扰后,被控变量衰减程度的指标。
其值为该衰减曲线上前后两个相邻峰值之比,一般希望在4:
1至10:
1之间。
2、余差:
它是指控制系统受到干扰后,过渡过程结束时被控变量的残余偏差,即被控变量在扰动后的稳态值与设定值之差。
余差要满足要求。
3、最大偏差:
它表示被控变量偏离给定值的最大程度。
4、过渡过程时间:
也称调节时间,它是指干扰产生后,直至被控变量建立新的平衡状态为止的这段时间。
过渡过程时间愈短愈好。
5、振荡周期:
被控变量两个相邻波峰之间的时间叫振荡周期,一般也希望振荡周期越短越好。
第二节简单控制系统
一、简单控制系统的组成
简单控制系统又称单回路反馈控制系统,是指由一个被控对象,一个测量变送器,一个控制器和一台调节阀组成的单回路闭合控制系统。
简单控制系统常用被控变量来划分,最常见的是温度、压力、流量、液位、成分等五种控制系统。
1、选择被控变量
被控变量选择是十分重要的,应该从生产过程对自动控制的要求出发,合理地选择被控变量。
被控变量的选择原则为:
(1)选用质量指标作为被控变量,它最直接也最有效。
(2)当不能用质量指标作为被控变量时,应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为被控变量。
(3)当被表征的质量指标变化时,被控变量必须有足够的灵敏度和足够大小的信号。
(4)选择被控变量时,必须考虑到工艺过程的合理性、安全性以及国内外仪表生产现状等。
2、选择操纵变量
操纵变量的选择要根据对象控制通道和扰动通道特性对控制质量的影响合理地选择操纵变量。
选择操纵变量时,必须考虑以下几个原则:
(1)首先从工艺考虑,它应允许在一定范围内变化。
(2)选择操纵变量时,应使扰动通道的时间常数大些;
从而使控制通道的时间常数适当小些。
控制通道的纯滞后时间越小越好。
(3)被选的操纵变量的控制通道放大系数要大。
这样对克服扰动有利。
(4)应尽量使扰动作用点靠近调节阀处。
(5)被选的操纵变量应对装置中其它控制系统的影响和关联少,不会对其它控制系统的运行产生较大的扰动。
另外,要组成一个好的控制系统,除了正确选择被控变量和操纵变量外,还应注意以下问题:
(1)纯滞后:
纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的实际值。
(2)测量滞后:
是指由检测元件时间常数引起的动态误差
(3)传递滞后。
以上三项要尽量克服、减少这三方面的滞后对控制系统的影响。
(4)要选择适当的控制规律:
对滞后较大的控制回路(如温度、成分等)可选用带微分作用的调节器。
对滞后特别大的系统(特别是纯滞后存在),可采用串级控制系统,一般的压力、流量、液位等简单控制系统可采用比例积分作用即可。
二、调节器的选择及调节规律
由控制理论可知,为了使系统正常运行,必须保证系统是负反馈,在控制系统设计时,负反馈的实现是靠确定调节器的正反作用来保证的
1、常用调节器的调节规律及选用原则:
(1)比例控制规律(P)
比例控制规律是最基本的调节规律,它能较快地克服扰动的影响,使系统稳定下来。
它是依据偏差的大小来动作,它的输出与偏差的大小形成比例。
比例调节及时、有力,但有余差。
它用比例度δ来表示其作用的强弱,δ越小,调节作用越强,但比例作用太强时,会引起振荡。
它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。
(2)比例积分控制规律(PI)
在工程上,PI规律是应用最广泛的一种控制规律,积分调节是依据“偏差是否存在”来动作的。
它的输出与偏差对时间的积分成比例,其作用是消除余差,当余差消失时,积分作用才会停止。
但积分作用使最大动偏差增大,延长了调节时间。
它用积分作用时间Ti来表示其作用的强弱,Ti越小,作用越强,但积分作用太强时,也会引起振荡。
它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。
(3)比例微分控制规律(PD)
微分调节依据“偏差变化速度”来动作。
它的输出与输入偏差变化的速度成比例,其效果是阻止被调参数的一切变化,有超前调节作用,对滞后大的对象有很好的效果。
它使调节过程偏差减小,时间缩短,余差也减小(但不能消除)。
它用微分时间Td来表示其作用的强弱,Td越大,作用越强,但Td太大,也会引起振荡。
它适用于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合。
(4)比例积分微分控制规律(PID)
PID控制规律是一种最理想的控制规律,它在比例的基础上加入积分,可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系统的稳定性。
它适用于过程控制通道时间常数或容量滞后较大的场合。
2、确定调节器的正反作用
调节器有正作用和反作用调节器两种。
调节器正反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。
被控过程也分正反两种。
当被控过程的输入量(通过调节阀的物料或能量)增加(或减小)时,其输出(被控参数)亦增加(或减小),此时称其被控过程为正作用;
反之,当被控过程的输入量增加时,其输出却减小,称其过程为反作用。
一个控制系统能够正常工作,则其组成的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为正。
由于变送器的静态放大系数Km通常为正极性,故只需调节器静态放大系数Kc,调节阀静态放大系数Kv和过程的静态放大系数Ko极性相乘必须为正即可。
对于控制系统各环节的极性是这样规定的:
正作用调节器,即当系统的测量值增加时,调节器的输出亦增加,其Kc取负;
反作用调节器,即当系统的测量值增加时,调节器的输出减小,其Kc取正。
气开阀Kv取正,气闭阀Kv取负。
正作用被控过程,其Ko取正,反作用被控过程,其Ko取负。
确定调节器的正反作用次序为:
首先根据工艺安全等原则确定调节阀的气开、气闭形式,然后根据被控过程特性,确定其正反作用;
最后根据上述组成该系统的各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正反作用形式。
三、简单控制系统的投运
控制系统的投运是指当系统设计、安装就绪或者经过停车检修之后,使控制系统投入使用的过程。
投运步骤如下:
1、现场工艺手动操作,并将检测系统投入运行,待工况稳定后,可以转入手动遥控调节。
2、手动遥控:
逐渐改变调节阀的开度,使被控量基本不变,待工况稳定后,即被控变量等于或接近设定值后,可由手动遥控切换到自动控制。
3、系统投运:
完成以上两步后,就满足了工艺开车的需要,待回路工况稳定后可投入自动。
为此,首先检查调节器的正反作用是否正确,然后把调节器PID参数设置合适位置,当其偏差接近零时,即将调节器由手动切换到自动。
再观察系统过渡过程曲线,若还不够理想,则继续调整调节器参数,直到满意为止。
四、调节器参数整定
调节器参数整定是指设定调节器的比例度δ、积分时间Ti和、微分时间Td的具体数值。
整定的实质是通过改变调节器参数,使其特性与过程特性相匹配,以改变系统的静态特性和动态特性,取得最佳控制效果。
整定调节器参数的方法很多,归纳起来分为两大类,即理论计算整定法和工程整定法。
理论计算整定法通常用于科研中。
下面重点介绍工程整定法。
工程整定法有经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。
1、经验凑试法:
经验法是根据参数整定的实际经验,对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等四大控制系统进行整定。
将调节器参数预先放置在常见范围(见表14-2-1)的某些数值上,然后改变设定值,观察控制系统的过渡过程曲线。
如曲线不理想,则按一定的顺序改变参数,这样反复凑试,直到获得满意的控制质量为止。
表14-2-1 各种控制系统PID参数经验表
被控变量
调节器参数
比例度δ%
积分时间Timin
微分时间Tdmin
温度
20-60
3-10
0.5-3
液位
20-80
1-5
压力
30-70
0.4-3
流量
40-100
0.1
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