《过程控制系统》第5章简单控制系统.pptVIP

第5章 简单控制系统; 所谓简单控制系统，通常是指仅由一个被控过程（或称被控对象）、一个测量变送装置、一个控制器（或称调节器）和一个执行器（如调节阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。 简单控制系统是最基本的，约占目前工业控制系统的80%以上。即使是复杂控制系统也是在简单控制系统的基础上发展起来的。至于高等过程控制系统，往往把它作为最低层的控制系统，例如流量跟随系统等。因此，学习和掌握简单控制系统是非常重要的。;5.1 简单控制系统的分析 5.1.1 控制系统的工作过程 锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生产中不可缺少的设备。工业生产中常见的锅炉汽包流程图，如图5-1所示。保持锅炉汽包内的液（水）位高度在规定范围内是非常重要的，若水位过低，则会影响产汽量， 且锅炉易烧干而发生 事故；若水位过高， 生产的蒸汽含水量高， 会影响蒸汽质量；这 些都是危险的。因此 锅炉汽包液位是一个 重要的工艺参数。;为了保持液位为定值，手动控制时主要有三步： ① 观察被控变量的数值，即汽包的液位；图5-2 锅炉汽包液位控制系统流程图 ② 把观察到的被控变量的值与设定值加以比较，根据两者的偏差大小或随时间变化的情况，做出判断并发布命令； ③ 根据命令操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。 如对锅炉汽包液位进行精确控制，就必须采用检测仪表和自动控制装置来代替手工控制，这些自动控制装置和被控的工艺对象就组成了一个简单的过程控制系统，此时系统就成为自动控制系统。锅炉汽包液位控制系统的管道仪表流程图，如图5-2所示。 ; 现以图5-2所示的锅炉汽包液位过程控制系统为例，说明过程自动控制系统的工作过程。当该系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过液位测量变送仪表LT得到其测量值，并将其传送到液位控制器LC；在LC中，将被控变量（液位）的测量值与设定值比较得到偏差， 控制器LC对偏差经过 一定的运算后，输出 控制信号，这一信号 作用于执行器（在此 为调节阀），改变给 水量，以克服扰动的 影响，使被控变量回 到设定值，这样就完 成了所要求的控制任务。; 由此可见，过程控制系统的工作过程就是应用负反馈原理的控制过程。 将以上锅炉汽包液位控制系统用方框图表示，可得锅炉汽包液位控制系统的原理结构图，如图5-3所示。 图5-3 锅炉汽包液位控制系统的结构图;5.1.2 简单控制系统的组成 根据锅炉汽包液位控制系统的结构图，可得简单控制系统的结构如图5-4所示。将各个环节分别用传递函数描述后，可得如图5-5所示的简单控制系统方框图。 图5-4 简单控制系统的结构图; 系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）y(t)通过测量变送装置后将其变换为测量值ym(t)，并将测量值反馈到控制器的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值r(t)与测量值ym(t)的偏差e(t)，按照一定的控制算法输出控制量u(t)；执行器根据控制器送来的控制信号u(t)，通过改变操纵变量μ(t)的大小，对被控对象进行调节，克服扰动d(t)对系统的影响，从而使被控变量y(t)趋于设定值r(t)，达到预期的控制目标。; 根据图5-5可得简单控制系统的输出与输入的关系为 当生产过程平稳运行时，可忽略扰动作用对输出（被控变量）的影响，即D(s)=0。此时系统的主要任务是要求输出Y(s)能快速跟踪设定值R(s)，系统的输出Y(s) 仅与设定值R(s)有关，即 当设定值R(s)在一定时间内保持不变，即R(s)=0。此时系统的主要任务是克服扰动D(s)对输出Y(s)的影响，系统的输出Y(s)仅与扰动D(s)有关，即; 在简单控制系统分析和设计时，通常将系统中控制器以外的部分组合在一起，即被控对象、执行器和测量变送装置合并为广义被控对象，用 表示，即 因此，也可以将简单控制系统看成是由控制器 和广义被控对象 两大部分组成，如图5-6所示。 图5-6 由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统 ;5.1.3 简单离散控制系统的组成 随着大规模集成电路技术以及计算机技术，大量的数字芯片、微处理器和计算机开始应用于过程控制系统。从最简单的显示仪表、记录仪表，到复杂的控制器、执行器，几乎所有的现代化仪表都离不开数字芯片。 尽管目前的任何一块仪表都含有数字芯片，数字仪表已经在控制系统中无处不在了，但这里仅介绍控制器为数字仪表的离散控制系统，其方框图如图5-7所示。;与图5-4所示的连续控制系统显著不同的特点是离散控制系统中至少有一处或几处信号在时间上为离散的脉冲或数字信号。实际中，