图7-14 简单控制系统 简化方块图
第三个问题：以什么方式控制？
答：根据被控对象选择合适的控制规律
最常用的控制规律：
位式控制、P、PI、PD、PID （需要充分理解各种控制规律的特点和适用场合）
后续问题：如何整定PID参数？
答：① 临界比例度法＋经验 ② 衰减曲线法＋经验 ③ 经验凑试法
最好的方法就是“经验”
第一节 简单控制系统的机构与组成
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、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。 也称为单回路控制系统。
图6-1 液位控制系统
图6-2 温度控制系统
说明
在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、 变送环节，但要注意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。
第一节 简单控制系统的机构与组成
（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰 影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。
（ 3 ）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得 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对应关系的间接指标作为被控 变量。
第二节 简单控制系统的设计
（ 4 ）被控变量应能被测量出来，并具有足够大 的灵敏度。 （5 ）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和 国内仪表产品现状。 （6）被控变量应是独立可控的。
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选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运 参数整定
第二节 简单控制系统的设计
四、控制器控制规律的选择
1.控制器控制规律的确定 （1）比例控制器 比例控制器是具有比 例控制规律的控制器。 对于单元组合仪表 1 100% KP
x(t) +_ e(t)
K
p K Pe
p(t)
② 工艺要求的指标不可以直接在线测量
寻找一个与工艺指标有明显对应关系，且可以测量的另一个间接指标进行 控制（间接指标控制）。
例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的！ 压力恒定时，组分 <---> 温度 温度恒定时，组分 <---> 压力
第二个问题：拿什么控制？ 答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。
超调量
超调量
图6-10 纯滞后τ0对 控制质量的影响
第二节 简单控制系统的设计
③ 干扰通道时间常数的影响 干扰通道的时间常数 Tf 越大， 表示干扰对被控变量的影响越 缓慢，越有利于控制。 ④ 干扰通道纯滞后τf的影响 如果干扰通道存在纯滞后 τf ， 控制作用也推迟了时间 τf ，使 整个过渡过程曲线推迟了时间 τf ，只要控制通道不存在纯滞 后，通常是不会影响控制质量 的，如图6-11所示。
从图可以看出 系统有一个被控变量:换热器出口温度T。 一个被控对象：换热器 一个操纵变量（控制变量）：载热体流量 对被控变量有影响作用的其他因素都看作干扰，即干扰也 是对象的输入。 操纵变量是对象的输入，被控变量是对象的输出。
f 干扰作用
给定值 X 偏差 控制器 e 控制器 输出 p 控制阀 操纵 变量 q 测量值 z 测量元件 变送器 7 对象 被控变量y
第二节 简单控制系统的设计
二、操纵变量的选择
1.操纵变量 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
例：精馏塔系统的操纵变量选择 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。 影响T 的因素
化工仪表及自动化
第六章 简单控制系统 黄文焕
第七章 简单控制系统
f
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
进料口 简单控制系统的结构与组成
控制的目的、被控变量的选择
被控对 对象特性、操纵变量的选择 象
测量滞后、测量信号处理 控制规律的选择 负荷变化、控制阀选择 控制系统的投运与参数整定
执行器
这一章主要回答三个问题：
回流量对提馏段温度影响的通道长，时间常数大；
而加热蒸汽流量的通道短，T 小。 因此，选择蒸汽量作为被控变量是合理的。
第二节 简单控制系统的设计
② 控制通道纯滞后τ0的影响 控制通道的物料输送或能量传递 都需要一定的时间。这样造成的纯 滞后τO对控制质量是有影响的。 A: 无纯滞后时的校正作用 B: 有纯滞后时的校正作用 C: 无校正作用的输出曲线 D: 无纯滞后时的输出曲线 E: 有纯滞后时的输出曲线 在选择操纵变量构成控制系 统时，应使对象控制通道的纯 滞后时间τ0尽量小。
图6-11 干扰通道纯 滞后τf的影响
第二节 简单控制系统的设计
3.操纵变量的选择原则 ① 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 ② 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的K 适当大、T 适当小、τ0尽量小。应使干扰通道的K 尽可能小、T 尽可能 大。 ③ 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要 考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般说来不宜选择 生产负荷作为操纵变量。
图6-9 干扰通道与控制通道的关系
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 考察对象特性影响，用以选择操纵变量。
第二节 简单控制系统的设计
（1）对象静态特性的影响
放大系数
绝对放大系数 相对放大系数
从上述例子可以看出： 简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行工 作的，组成自动化装置各环节的设备数量均为一个， 它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。 简单控制系统特点：具有结构简单、工作可靠、所 需自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优 点，是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。
第二节 简单控制系统的设计
3.信号的传送滞后 测量信号传送滞后 由现场测量变 送装置的信号传送 到控制室的控制器 所引起的滞后。 信号的传送滞后，应尽量减小。 气信号易产生传送滞后； 尽可能在现场和控制室之间使用电信号传送； 可用气-电转换器。 信号传送滞后 控制信号传送滞后 由控制室内控制 器的输出控制信号传 送到现场执行器所引 起的滞后。
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第一节 简单控制系统的结构与组成
需解决的几个问题：
PID如何 选择？ 气开、气 如何选 如何选 关如何选 择？ 择？ 择？ 操纵 被控变量 变量 执行仪表 被控对象
设定值 —
控制仪表
测量仪表
如何构 成负反 馈？
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测量仪 表如何 选择？
第二节 简单控制系统的设计
一、被控变量的选择
生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按 一定规律变化）的变量称为被控变量。
第二节 简单控制系统的设计
举例
图6-4
精馏过程示意图
图6-5
1—精馏塔；2—蒸汽加热器
苯-甲苯溶液 的T-x图
图6-6 苯-甲苯溶液的 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。
第二节 简单控制系统的设计
从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。
被控变量的界定
它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的
作用，而人工操作又难以满足要求的； 人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是 既紧张而又频繁的。
第二节 简单控制系统的设计
被控变量的分类（按照与生产过程的关系）
直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温 度、压力、流量、液位、成分等）； 间接指标控制：被控变量难以检测或虽能检测，但信号很弱 或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反 应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接指标。
灵
进料流量Q入 进料成分X入 进料温度T入 回流流量F 回流温度TH 加热蒸汽流量QZ 冷凝器冷却温度
图6-7 精馏塔流程图
Hale Waihona Puke 不可控(可调节) 不可控 不可控 可控 不可控 可控 不可控 不可控(可调节)
塔压P
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。
第二节 简单控制系统的设计
2.对象特性对选择操纵变量的影响 干扰变量由干扰通道施加 在对象上，起着破坏作用， 使被控变量偏离给定值； 操纵变量由控制通道施加 到对象上，使被控变量回复 到给定值，起着校正作用。
K 大一些，T 小一些，τ 最好为0
① 测量仪表的选用和安装：
量程、精度、材质等满足工艺要求； 测量仪表本身要反应快； 应选择有代表性位置进行安装； 仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后。
② 执行器的选用和安装：
口径、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求； 本身反应快（气信号不要进行远传）； 阀门安装位置应靠近被控设备（中间不能有长的管路）。
第二节 简单控制系统的设计
三、测量元件特性的影响
测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是 系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控 变量的状况。 1.测量元件的时间常数 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容， 它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。
Y阶跃变化 Y递增 Y周期性变化
图6-12
测量元件时间常数的影响
第二节 简单控制系统的设计
选择被控变量
结论
测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈 加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太 大，最好选用惰性小的快速测量元件。必要时可 以在测量元件之后引入微分作用，利用它的超前 作用来补偿测量元件引起的动态误差。 当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数 的1／10时，对系统的控制质量影响不大。 测量元件安装是否正确，维护是否得当，也 会影响测量与控制。