化工自动化及仪表-7简单控制系统

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1、 7 简单控制系统的设计、投运 及调节器参数的工程整定 本章先简要介绍过程控制系统的设计 方法及主要内容，然后介绍简单控制系统的 设计原则、系统投运的过程、调节器参数的 工程整定方法。 简单控制系统又称单回路反馈控制系统。由 一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和 一个执行器所组成，对一个被控变量进行控制的 单回路反馈闭环控制系统。 简单控制系统是实现生产过程自动化的基本 单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运， 能满足一般工业生产过程的控制要求。尤其适用 于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化 比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。 7.1 过程控制系统设计的主要内容 7.1.1

2、 过程分析 过程控制系统包括被控过程和控制仪表两 部分。 被控过程是由工艺要求决定的，因此，要 进行过程特性分析，明确： 被控变量 操纵变量 主要扰动 7.1.2 过程控制系统设计的主要内容 A 控制方案的设计 控制方案包括带控制点的工艺流程图、设计说明书 等。 带控制点的工艺流程图是用自控字母和图形符号在 工艺流程图上描述生产过程控制系统的图纸文件。它反 映出被控变量、测量点的位置、控制手段的实现方法， 以及各个控制系统相互之间的关系。图纸上自控字母和 图形符号都要符合一定的设计规范。 初步设计说明书包括设计指导思想、工艺流程和环 境特征、自动化水平和控制方案的确定、安全技术措施 等内容。

3、B 工程设计 它包括仪表选型、控制室(和仪表盘设计)、仪表 供电气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。 工程设计要提交自控设备汇总表、电气设备材 料表，以及仪表、电气设备接线图等详细资料。 C 工程安装和仪表调校 仪表和电气装置的安装、信号线路的连接必须 正确，这是保证控制系统正常运行的前提。系统安 装完成后，还必须对每台仪表进行单独校验，对每 个控制回路进行联动校验。 D 调节器参数工程整定 必须将调节器参数整定合适，保证系统运行在 最佳状态。 7.2 简单控制系统的设计 7.2.1 被控变量的选择 通过对过程分析，找出对产品产量、质量以及安全 生产和节能等方面具有决定性作用，而且是直接可测

4、量 或通过间接计算可得到的变量作为被控变量。 选择原则： (1) 必须选择表征生产过程的质量指标作为被控变量 按质量指标进行直接控制并不多见。一般是采用温 度、压力等作为间接指标。间接指标与质量指标之间必 须具有单值对应关系和足够大小的测量信号。 例如，在精馏过程中，要求产品达到规定的纯度。 理论上讲，塔顶馏出物或塔底残液的浓度应该选作为被 控变量。但由于缺乏直接测量产品浓度的工具，而且滞 后时间较大，因此，常用塔顶、塔底或塔中某点的温度 代替浓度作为被控变量。 (2) 必须确定表征生产过程的独立变量数目 根据物理化学中的相律关系进行判定。例如，确定 饱和蒸汽的温度和压力是否都是独立变量，可由

5、下式求 得： F=C-P+2 式中，F为独立变量数目，C为组分数，P为相数。 饱和蒸汽：实际上存在着气、液两相，从而： F1-2十21 上式表明，只要选取蒸汽温度或蒸汽压力就可以了 。一般以选取蒸汽压力为宜，因为压力测量元件的时间 常数小。 如果不遵循这个原则，设计出既有温度又有压力作 为被控变量的控制方案，则这种控制系统将是无法投运 的。 过热蒸汽：由于蒸汽在过热状态下只存在一个气相 ，则： F=C（组分数）-P（相数）+2=1-1十22 在这种情况下，把压力和温度都选作为被控变量则 是完全必要的。 (3)必须注意控制系统之间的相互关联问题 当一个过程具有两个以上的独立变量，且又分别 组成控

6、制系统，则容易产生系统间的相互关联。如， 流体输送中的流量与压力控制系统，它们之间就存在 着较严重的相互关联。若因扰动导致压力p1升高，PC 将控制阀A开大，加大回流量q1，与此同时，由于p1升 高，在阀B开度不变的情况下，将使q2增大，为此FC将 使阀B关小。但是q2的减小，进一步加剧了p1的上升。 这种关联会使控制系统无法运行。 7.2.2 操纵变量的选择 扰动作用和控制作用都施加于被控过程，它们对被 控变量的影响都与过程特性有着密切的关系。因此，在 选择操纵变量时，要认真分析过程特性。 A 放大系数K0的影响 在选择操纵变量时，一般是希望控制通道的放大系 统数K0要大一些。因为K0大，表

7、示操纵变量对被控变量 的影响大，控制作用灵敏，抑制扰动能力强；同时，K0 大，过渡过程的余差也小，控制精度可得到提高。但是 K0过大，控制作用过于灵敏，易使调节过头，引起振荡 。因此，在工艺条件允许的情况下应选择控制通道放大 系数K0较大的作为操纵变量。 B 时间常数T0的影响 控制通道时间常数T0越大，反应速度越慢，被控 变量变化越缓和，过渡过程较稳定；但控制作用不及时 ，过渡过程的最大偏差加大，过渡时间加长，使控制质 量变差。相反，时间常数T0较小时，反映灵敏，调节及 时，过渡时间短。但当T0太小时，容易引起调节作用过 于频繁而造成调节过程振荡，稳定性变差。因此，在T0 太大或太小的情况下

8、，都比较难以控制，控制系统一般 希望控制通道的时间常数T0大小适当。 C 纯滞后0的影响 控制通道纯滞后的存在，使控制作用落后于被控变 量的变化，容易引起超调和振荡，使被控变量的最大偏 差增大，过渡时间拉长，控制质量变差。 D 扰动通道 扰动通道的放大系数越小，表示在同样阶跃扰动 作用下，扰动被大大削弱，对被控变量的影响越小 ；扰动通道的时间常数越大，相当于对扰动起到了一个 滤波作用，则控制系统的品质指标越好。纯滞后对于扰 动通道，相当于使扰动隔一段时间o后再进入被控过程 ，结果只是使调节过程推迟一段时间o后再开始，而不 影响调节过程的品质。 讨论：假设控制系统的被控过程由三个独立的单容 量环

9、节GP1、GP2、GP3串联组成，扰动分别从三个不同 的位置进入系统。显然从扰动Fl到被控变量C通道的时 间常数个数最多，因而对扰动Fl的滤波效果最好，即对 被控变量的影响最小，F2次之，而F3的影响最大。 结论：扰动离被控变量越近，离调节阀越远，则对 被控变量的影响越大。 综上所述，设计控制系统时，操纵变量选择的原则是： (1) 操纵变量应是控制通道放大系数K0较大者。 (2) 应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通 道的时间常数适当小一些。 (3) 控制通道纯滞后时间越小越好，并尽量使扰动 远离被控变量而靠近调节阀。 (4) 当广义过程的控制通道由几个一阶滞后环节组 成时，要避免各个时间

10、常数相等或相接近的情况。 (5) 需考虑到工艺上的合理和方便。由于生产负荷 直接关系到产品的产量，不宜经常变动，不要选择生产 负荷作为操纵变量。 7.2.3 检测变送环节对控制系统的影响 检测变送环节在控制系统中起获取和传送信 息的作用。 检测变送环节对控制系统的影响主要集中在 检测元件的滞后和信号传递的滞后问题上。因此 ，分析研究检测元件本身的特性、安装位置、信 息传递等问题，也是提高系统控制质量的重要方 面。 7.2.3.1 纯滞后 图示的pH控制系统，由于测量电极不能放置在流速较大的 主管道，只能安装在流速较小的支管道上，这样就使测量引入纯 滞后时间o，其大小为：o =l1/V1+l2/

11、V2 由于检测元件的安装位置所引入的纯滞后，有时是不可避免 的，但必须尽可能地减小。因此必须合理地选择检测元件的安装 位置。当检测元件的纯滞后太大、采用简单控制系统无法满足工 艺要求时，应考虑采用复杂控制等方案。 7.2.3.2 测量滞后（容量滞后） 测量滞后，是指由检测元件时间常数所引起 的动态误差，它是由检测元件本身的特性所决定 的。例如，测温元件测量温度时，由于存在着热 阻和热容，其本身具有一定的时间常数Tm，测 量滞后可通过正确选择检测元件的安装位置、选 择快速检测元件、正确使用微分环节等途径来克 服测量滞后。 7.2.3.3 传递滞后（气动信号） 传递滞后是指气压信号在管路传递过程中

12、所造成 的滞后。 在实行集中控制的大、中型工厂中，由于检测变 送器和调节阀安装在现场设备上，而调节器安装在控 制室，两者之间有一定的距离。如果采用气动仪表， 就会产生气压信号的传递滞后。 由于存在传递滞后，调节器不能及时地接受测量 信号，也不能将输出信号及时送到调节阀，因此操纵 变量的校正作用也相应延迟，从而降低了控制系统的 控制质量。所以，应尽量选用电信号进行传递。 7.2.4 调节器控制规律及作用方向的选择 7.2.4.1 控制规律的选择原则 （1）当广义过程控制通道的时间常数大，或多容量 引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好效果，积分 作用可以消除余差，因此，可选用PID或PD控制规律

13、。 如温度过程。 （2）当广义过程控制通道的时间常数小，系统负荷 变化也较小时，为了消除余差，可以采用PI控制规律， 如流量过程。 （3）当广义过程控制通道的时间常数小，而负荷变 化很大时，采用微分作用和积分作用都易引起振荡。可 采用反微分作用。 （4）当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大， 而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求。 7.2.4.2 调节器作用方向的选择 调节器作用方向，是指调节器的输入变化后，输出 的变化方向有正作用和反作用两种形式。所谓正作用是 指调节器的输出随着测量值增大而增大；所谓反作用是 指调节器的输出随着测量值增大而减小。 调节器作用方向确定的原则应根据被控

14、过程的特性 及调节器的气开、气关形式来正确选择，以使控制系统 成为一个反馈的闭环系统。如果调节器正反作用方向确 定错了，则控制系统将失去控制作用。 7.2.5 气动薄膜调节阀的选择 7.2.5.1 调节阀结构类型的选择 根据调节介质的工艺条件(温度、压力、流量等)及 其特性(粘度、腐蚀性、毒性等) 来选用。 阀结阀结 构形式特点及使用场场合 直通单单座阀阀适用于要求泄漏量小、阀阀前后压压差小的场场合 直通双座阀阀有两个阀阀芯，适用于阀阀前后压压差大，有较较大泄 漏量的场场合 角阀阀适于高压压差、高粘度、含悬悬浮颗颗粒物质场质场 合 隔膜阀阀适用于有腐蚀蚀性介质质的场场合 蝶阀阀适于有悬悬浮物介

15、质质、大流量、压压差小、允许许大 泄漏量场场合 三通阀阀适用于分流或合流控制的场场合 高压阀压阀适用于高压压控制的特殊场场合 7.2.5.2 调节阀气开、气关形式的选择 选择原则： (1) 从生产安全出发，当气源供气中断，或控制器故障 而无输出，或调节阀膜片破裂而漏气等导致调节阀无法 正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态时，应确保 生产工艺设备的安全。 (2) 从保证产品质量出发，当发生调节阀处于无能源状 态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。如精馏 塔回流量调节阀也应采用气关阀，一旦发生事故，调节 阀全开，使生产处于全回流状态，防止不合格产品的蒸 出，从而保证塔顶产品的质量。 (3) 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。如控制精馏 塔进料的调节阀就常采用气开式，一旦调节阀失去能源 即处于关闭状态，不再给塔进料，以免造成浪费。 7.2.5.3 调节阀流量特性的选择 阀的工作特性应根据过程特性来选择，其 目的是使广义过程特性为线性。 通常，根据工艺配管情况确定配管系数S（ pv/p ）值后，可以从所选的工作特性出发 ，确定理想特性。当S0.61时，理想特性与 工作恃性几乎相同；当S0.30.6时