化工仪表及自动化六简单控制系统

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1、 控制器 操纵变量 被控变量 测量元件 变送器 控制阀 对象 给定值 x 偏差 e 控制器输出 pq y 测量值 z _ 干扰作用 f 第六章 简单控制系统 本 章内容 简单控制系统 简单控制系统的设计原则 控制器参数的工程整定 由一个被控对象、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。 简单控制系统简单控制系统（单回路控制系统） 控制器 操纵变量 被控变量 测量元件 变送器 控制阀 对象 给定值 x 偏差 e 控制器输出 pq y 测量值 z _ 干扰作用 f 说明：在本系统中绘出的变送器LT及TT等，按自控设 计规范，可以省略不画，所以在本书以后的控制系统

2、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。 图73是简单控制系统的典型方块图。 简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象(简 称对象)、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对 象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都 可以用相同的方块图来表示，这就便于对它们的共性进行 研究。 本章将介绍组成简单控制系统的基本原则；被控变 量及操纵变量的选择；控制器控制规律的选择及控制器参 数的工程整定等。 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。 根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类 型的控制

3、型式：直接指标控制与间接指标控制。 一、被控变量的选择 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 如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质 量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质 量信号的检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很 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、压力等作为间接控制指标。 在二元系统的精馏中，当气液两相并存时，塔顶 易挥发组分的浓度xD、塔顶温度TD、压力p三者之间有 一定的关系。 当压力恒定时，组分xD和温度TD之间存在有单值对 应的关系。 由此可见，在组分

4、、温度、压力三个变量中，只要固 定温度或压力中的一个，另一个变量就可以代替xD作为 被控变量。在温度和压力中，究竟应选哪一个参数作为 被控变量呢? 第一 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，才易于保证塔的分 离纯度，保证塔的效率和经济性。如塔压波动， 就会破坏原来的汽液平衡，影响相对挥发度，使 塔处于不良工况。同时、随着塔压的变化，往往 还会引起与之相关的其他物料量的变化，影响塔 的物料平衡，引起负荷的波动。 从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变 量。 由此可见，固定压力，选择温度作为被控变量是 可能的，也是合理的。 第二 在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上

5、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。 在选择被控变量时，还必须使所选变量有足够 的灵敏度。在上例中，当xD变化时，温度TD的变 化必须灵敏，有足够大的变化，容易被测量元件 所感受且使相应的测量仪表比较简单、便宜。 此外，还要考虑简单控制系统被控变量间的独立性。 假如在精馏操作中，塔顶和塔底的产品纯度都需要控制在 规定的数值，则在塔顶温度与塔底温度之间互相影响，存在 关联问题。因此，以两个简单控制系统分别控制塔顶温度与 塔底温度，势必造成相互干扰。使两个系统都不能正常工作 。所以采用简单控制系统时，通常只能保证塔顶或塔底一端 的产品质量。工艺要求保证塔顶

6、产品质量，则选塔顶温度为 被控变量；若工艺要求保证塔底产品质量，则选塔底温度为 被控变量。如果工艺要求塔顶和塔底产品纯度都要保证，则 通常需要组成复杂控制系统，增加解耦装置，解决相互关联 问题。 被控变量的选择原则 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。 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。 满足工艺的合理性 具有尽可能大的灵敏度且线形好 测量变送装置的滞后小。 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

7、，最常见 的操纵变量是介质的流量。 二、操纵变量的选择二、操纵变量的选择 被控变量（输出 量） 扰动变量（输入量） 操纵变量（输入量） 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 根据工艺要求，选择提馏段某块塔板(一般为温度 变化最灵敏的板，称为灵敏板)的温度作为被控变量。 那么，自动控制系统的任务就是通过维持灵敏板上温度 恒定，来保证塔底产品的成分满足工艺要求。 这些影响因素可分为两大类，即可控的和不可控的。 从工艺角度看，本例中只有回流量和蒸汽流量为可控因 素，其他一般为不可控因素。 在两个可控因素中蒸汽流量对提馏段温度影响比起回 流量对提馏段温度

8、影响来说更及时、更显著。同时，从节 能角度来讲，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小 ，所以通常应选择蒸汽流量作为操纵变量。 2、对象特性对选择操纵变量的影响 在诸多影响被控变量的因素中，一旦选择了其中 一个作为操纵变量，那么其余的影响因素都成了干 扰变量。操纵变量与干扰变量作用在对象上，都会 引起被控变量变化的。 对象静态特性对控制质量的影响 设：控制通道放大倍数为 干扰通道放大倍数为f 的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度 f的大小表征了干扰对被控变量的影响程度 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，干扰通道的放大倍数f越小 越好，控制通道放大倍数

9、希望适当大些，以使控制 通道灵敏些。 对象动态特性对控制质量的影响（一） 设: 干扰通道时间常数为f，纯滞后为f 对干扰通道特性的影响 f t 0 yf t 0 (1) (2) Tf1 Tf2 f f 对象动态特性对控制质量的影响（二） 设：控制通道的时间常数为o，纯滞后时间为o 时间常数O小，反映灵敏，控制及时，有利于克服 干扰的影响 时间常数O过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的 超调量加大，过渡时间增长 纯滞后时间0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一 段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量 加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量 变坏。 要构成的控制系统，其控制通

10、道特性应具有 足够大放大系数、比较小的时间常数及尽可能 小的纯滞后时间。 系统主要干扰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。 考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系 到产品质量，就不宜选为操纵变量。 操纵变量的选择原则 三、测量元件特性的影响三、测量元件特性的影响 控制器执行器对象 测量变送装置 e 给定值 被控变量 - 干扰 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 。 1、测量元件的时间常数 测量元件时间常数对测量的影响 因此，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，例如用快速热电 偶代替工业用普通热电偶或温包。必

11、要时也可以在测 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。 2、测量元件的纯滞后 当测量存在纯滞后时，也和对象控制通道存在 纯滞后一样，会严重地影响控制质量。 、 为主管道，分管道的长度 为主管道，分管道流体的流速 测量元件的安装位置 目前，以物性作为被控变量时往往都有 类似问题，这时引入微分作用是徒劳的、加 得不好，反而会导致系统不稳定。所以在测 量元件的安装上，一定要注意尽量减小纯滞 后。对于大纯滞后的系统，简单控制系统往 往是无法满足控制要求的，须采用复杂控制 系统。 3、信号的传送滞后 信号传送滞后通常包括测量信号传送滞后和控 制信号传送滞后两部分。 是指

12、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。 测量信号传送滞后 是指由控制室内控制器 的输出控制信号传送到现场 执行器所引起的滞后。 控制信号传送滞后 尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长 度不超过300m，管径应大于mm。或在气路60m距 离间加气动继动器，提高气信号传输功率，减小传 输时间。 采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀 门定位器等。 信号传递过程中引起的滞后 克服传递滞后采取以下措施： 四、控制器控制规律的选择 1、控制器控制规律的确定 广义对象广义对象控制器控制器 被控变量被控变量 目前工业上常用的控制器主要有三种控制 规律： P、PI和PID。

13、选择哪种控制规律主要是根据广义对象的 特性和工艺的要求来决定的。 （1）比例控制器 比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的 输出p与输入偏差e之间的关系为： 比例控制器的可调整参数是Kp或比例度，对于单 元组合仪表来说。它们的关系为： 比例控制器克服干扰能力强、控制及 时、过渡时间短。 比例控制器的特点 纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余 差。负荷变化越大，余差就越大。 比例控制器适用于控制通道滞后较小、负 荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系 统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位 以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。 比例控制器的应用场合 （2）比例积分控制器 比例积分控制器是具有比

14、例积分控制规律的控制 器。它的输出p与输人偏差e的关系为： 比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数Kp(或 比例度)和积分时间TI。 过渡过程结束时是无余差，这是它的显著优点 。 加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积 分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基 本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过 渡过程的时间也加长。 比例积分控制器的特点 比例积分控制器的应用场合 比例积分控制器是使用最普遍的控制器。 它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大 、工艺参数不允许有余差的系统。例如流量 、压力和要求严格的液位控制系统，常采用 比例积分控制器。 （3）比例积分微分控制器 比例积分微分

15、控制器是具有比例积分微分控制 规律的控制器，输出p与输入偏差e之间具有下列 关系： 比例积分微分控制器的可调整参数Kp(比例度)、 TI和TD。 微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化 速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果 。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性， 再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整 、TI、TD三个参数、可以使控制系统获得较高的 控制质量。 比例积分微分控制器的特点 比例积分微分控制器适用于容量滞后较大 、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应 用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。 对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引人 微分作用，否则会由于被控变量的快

16、速变化引 起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制 系统不稳定。 比例积分微分控制器的应用场合 2、控制器正、反作用的确定 控制器执行器对象 测量变送器 e 被控变量 - 给定值 作用方向：就是指输入变化后，输出的变化方向。当 某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节 为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时、输出 减少的称“反作用”方向。 对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关 阀。气开阀是“正”方向。气关阀是“反”方向。 执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确 定。 控制器执行器对象 测量变送装置 e 被控变量 - 给定值 对于被控对象的作用方向，则随具体对象的不 同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增 加的对象属于“正作用”的。反之，被控变量随操纵 变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。 控制器执行器对象 测量变送装置 e 被控变量 - 给定值 控制器执行器对象 测量变送装置 e 被控变量 - 给定值 对于控制器的作用方向是这样规定的：当给定值 不变，被控变量测量值增加时，控制