单回路控制系统PPT课件.ppt

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1、第十二章单回路控制系统 本章介绍单回路控制系统的组成与工作原理 主要讲述单回路控制系统的设计 包括 1 被控量和操纵量的确定 2 检测与变送器的选择 3 控制作用和控制阀的选择 4 控制系统的工程整定和投运 最后通过一个例子来说明单回路控制系统的设计问题 1 第十二章单回路控制系统 第一节概述第二节被控量与操纵量的选择第三节检测及变送环节的考虑第四节控制阀的选择第五节控制器控制规律及作用方向的选择第六节控制器参数的工程整定第七节自动控制系统的投运第八节单回路控制系统设计实例 2 第一节概述 一 单回路控制系统组成与工作原理由一个测量变送器 一个调节器 一个执行器和对象组成 仅有一个闭合回路的系

2、统叫单回路控制系统 回路系统占总系统的80 以上 在选择控制方案时 只有在简单控制系统不能满足生产过程控制的要求时 才考虑采用两个回路以上组成的复杂控制系统 检测 变送 控制器 执行器 对象 实际值 期望值SP 单回路控制系统 3 二 如何确定控制方案 控制系统的设计就是在了解工艺要求基础上 选择合适的控制方案 确定相应的控制装置 以使被控量按预期自动运行 设计时主要考虑以下几个环节 1 被控量 输出 和操纵量 输入 的确定 2 检测变送环节的考虑 信息的获取与变送 3 控制作用和控制阀的选择 4 控制系统的工程整定和投运 4 第二节被控量和操纵量的选择 一 被控量的选择原则 作为被控量 必须

3、能够获得检测信号并有足够大的灵敏度 滞后要小 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状 检测点的选取必须合适 被控量的选择方法 1 选直接参数 即能直接反映生产过程产品产量和质量 以及安全运行的参数 如锅炉水位控制 2 选间接参数 当选直接参数有困难时采用 间接指标与直接指标之间必须是一一对应的函数关系 如锌精矿沸腾炉的炉温控制 炉温是反映焙砂质量的一个间接指标 5 二 操纵量的选择 操纵量是克服扰动影响 使系统重新恢复平稳运行的积极因素 应该遵循快速 有效地克服干扰的原则去选择操纵量 那如何选 从对象特性对控制质量的影响入手 完成下表 6 操纵量的选择原则 1 控制通道对象放大系数适当地大些 时

4、间常数适中 纯滞后越小越好 2 扰动通道对象的放大系数应尽可能小 时间常数应尽可能大 3 扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件 增大扰动通道的容量滞后 可减少对被控量的影响 4 操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发 还必需考虑生产工艺的合理性 经济性 7 第三节检测及变送环节的考虑 一 检测及变送环节任务 作用及要求任务对被控量进行正确测量 并将其转换为标准信号 要求能正确 及时地反映被控量的状况 提供操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据 二 检测变送环节特性通常等效为带滞后的一阶惯性特性 理想特性为比例环节 三 选型注意事项应尽量减少其时间常数与滞后时间 8 第四节控制阀的选

5、择 问题 干扰 设定值 负荷或其它因素变化 的存在会破坏系统的正常运行状态 那么用什么办法来克服扰动的影响 请根据系统框图回答 SP 控制阀GV s 检测与变送器Gm s PV 对象GP s 控制器GC s 单回路控制系统 扰动 9 控制阀选择内容 1 流量特性 实际上就是选线性还是对数特性 因为抛物线特性阀通常用的很少 而蝶阀当导通角为0 70o时近似为对数特性 2 结构形式 3 开闭形式 4 口径计算 ZXP ZJHP 型新系列气动薄膜直通单座阀 ZAZN型电动双座阀 10 一 控制阀的流量特性选择 一 选择原则系统稳定运行准则 使在生产负荷变动情况下 已整定的控制器的参数值不需改变 而控

6、制系统仍能保持预定的品质指标 系统稳定运行维持方法 通过选择适当的控制阀特性来保证 原因 对象特性通常随负荷 工作点 而变 除控制器外系统中无其它可变部分 流量特性选择实质与原则 以控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化 使系统成为一个理想的控制系统 即保证系统特性在整个操作范围内基本维持不变 11 控制阀的流量特性选择原则 G0 s GC s GV s GP s Gm s const通常使G0 jwg 0 5 为什么 其中wg为相位截止频率 若仅考虑静态特性 并考虑到控制器增益与检测变送环节增益通常维持不变 则有 控制阀 KV 阀与对象的放大系数 输入 输出 合成 K0 对象 KP 式中KV

7、KP分别为控制阀与被控对象的放大系数 12 二 流量特性的选择方法 1 数学分析法根据对象特性选取控制阀流量特性 2 经验法 工程上多采用 根据被控对象 控制参数 按照经验选取流量特性 按经验法选择流量特性时 1 需要考虑工艺配管情况 2 考虑负荷变换的情况 在负荷变化幅度大的场合 选等百分比阀较合适 当所选控制阀经常工作在小开度时 也宜选等百分比阀 13 对数 抛物线 蝶阀 R2R1 R2R1 R2R1 Q1Q2 数学分析法 随动控制系统 设定值R为干扰 1 对象KP恒定 即被控量与控制阀输出流量Q成正比 则阀流量特性应选线性 2 KP变化 且随Q增大反而减少 则应选对数 或抛物线 或蝶阀

8、流量特性 3 KP变化 且随Q增大反而增大 则应选快开流量特性 Q y Q y Q y l Q l Q l Q 设定值R改变 快开 直线 14 R R R Q1Q2Q3 数学分析法 定值控制系统 负荷为干扰 1 对象KP恒定 即被控量与控制阀输出流量Q成正比 则阀流量特性应选线性 2 KP变化 且随Q增大反而减少 则应选对数 或抛物线 或蝶阀 流量特性 3 KP变化 且随Q增大反而增大 则应选快开流量特性 y Q y l Q l Q l Q 负荷线 负荷线 y 负荷线 负荷改变 对数 抛物线 蝶阀 快开 直线 15 数学分析法选控制阀流量特性注意事项 1 不同扰动引起的对象变化 要求补偿用的流

9、量特性可能是不一样 甚至是相反的 所以应根据引起工作点移动的主要干扰来选取控制阀流量特性 2 采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性 考虑到快开特性特点 一般用于双位控制或程序控制而不适合于连续自动调节 此时可用线性阀代替 3 生产实践中 通常阀前后压差是变化的 故选择时还需考虑配管条件等对流量特性的影响 16 经验法 按控制对象选择流量特性 17 经验法 按配管情况选择流量特性 18 三 控制阀特性选择注意事项 1 应根据主要干扰的变化来选择阀门特性 2 当对象特性可用图形表示时 用图解法选 而当特性可用解析式表示时用解析法选 注意对象特性必须是增量化前的方程 3 要求高时 应从动态角

10、度考虑与分析 4 控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性恒定 为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满足此要求 如节流装置测流量 配开方器 用线性控制阀 如不加开方器 从静态考虑要选快开特性 实际选线性 19 四 阀门流量特性选择实例 1 根据物料平衡求对象特性 LT Q1 Q2 LC A h 2 画控制系统方框图 GC s Gm s GV s H s B s Q1 s Q2 s 20 3 设定值扰动引起工作点移动 出液阀开度b不变 KP会随设定值变化 静态推理 考虑对动态特性的补偿 综合静态与动态要求 选直线特性控制阀 21 4 出液阀开度b0变化引起工作点移动 设定值恒定 即h0

11、不变 KP 1 b0 TC 1 b0 要补偿对象特性变化对系统的影响 可按如下过程来选取控制阀流量特性 若b0 KP 要维持K0恒定 需KV Q2 Q1 需阀开度 要求阀在开度增大时 阀增益减少 故应选对数阀 静态补偿推理过程 动态补偿推理过程 TC 稳定性 需KV 若b0 要维持稳定性能不变 要求阀在开度增大时 阀增益减少 故应选快开阀 Q2 Q1 需阀开度 综合静态与动态要求 选直线阀 22 二 控制阀结构形式的选择 控制阀选用时需注意两点 1 被控介质的工艺条件 如温度 压力 流量 2 被控介质的流量特性 如黏度 腐蚀性 毒性 是否含悬浮颗粒 液态还是气态等 a 单座控制阀 b 双座控制

12、阀 c 角形控制阀 d 套筒控制阀1 阀杆 2 上阀盖 3 填料 4 阀芯 5 阀座 6 阀体部分控制阀结构 23 控制阀结构形式特点及适用场所 24 三 控制阀开闭 作用 形式的选择 控制阀的开 信号增大时阀开大 闭 信号压力增大阀关小 形式选择主要基于以下几点考虑 安全角度 出现意外 保证人员 设备安全 质量角度 出现意外事故 考虑产品质量 消耗角度 考虑原料 成品及动力等的因素 介质特点 特殊介质 考虑结晶 蒸发等因素 控制阀作用方式的选择要和控制器作用方式的选择匹配以满足控制通道作用方向的要求 正正 反反 p0 p0 正反 反正 p0 p0 气关阀气开阀 25 控制阀开闭选择之安全原则

13、 控制阀开闭形式的选择主要从生产安全角度考虑 一般在控制阀气 电源中断时 应切断进入被控设备的原料或热源 停止向设备外输出产品 1 进料 出料阀 控制原料 热源 气开 2 回流阀 如精馏罐回流 气关 3 串级控制时如阀的开闭形式可任选 为使主控与串级切换方便 选KV与主对象放大系数符号相同的的 气开时KV为正 气关为负 例如 加热炉的燃料油控制应采用气开阀 放热反应罐冷却水控制应采用气关阀 26 四 控制阀口径计算 调节阀的口径选择是由调节阀流通能力C 或称流量系数 决定的 调节阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件 即给定的介质流量与物性参数及阀前后的压差等 进行Cmax值的计算 然后按调

14、节阀生产厂家的产品目录 选出相应的调节阀口径 使得通过调节阀的流量满足工艺要求的最大流量且留有一定的裕度 但裕度不宜过大 流通能力定义 在给定的行程下 当阀两端压差为100kPa 流体密度为1g cm3时 流经调节阀的流体流量 以m3 h表示 27 一 控制阀口径计算计算方法 在新装置的设计时 通常按流通能力C值确定阀门口径 常用方法有两种 1 根据实际最大流量Qmax 算出相应的流通能力Cmax 然后从产品系列中选取稍大于Cmax的C值及相应的阀门口径 选取时应留必要的余地 最后对实际最大流量Qmax及实际最小流量Qmin时的阀门开度进行验算 在Qmax时应不大于90 在Qmin时不小于10

15、 2 按常用流量算出相应的流通能力Cvc 选用阀门C值应使Cvc C在0 25 0 8之间 即按常用流量乘以4 1 25倍 一般Cvc C 0 5为相宜 当工作特性为对数型时可更小些 28 二 控制阀口径计算计算步骤 1 根据工艺专业委托的条件 初选阀的型式 流向及流量特性 并决定流量系数C值的计算方法 2 确定计算C值的各项参数值 如阀前 后压力及压差 最大 常用与最小流量 密度以及其他辅助修正系数 3 判别工况是阻塞流还是非阻塞流 如为阻塞流工况 且流量较大 则应进行噪声预估计算 如为非阻塞流 一般可不进行噪声预估计算 4 选定合适的C值计算公式 计算最大流量下阀的Cmax值 并圆整之 5

16、 按圆整的Cmax值在所选阀型的标准系列中 找与C Cmax 0 85靠近的额定C值 其对应的阀径即为所选调节阀的阀径 6 进行压力 压差 开度 10 Qmax Qmin 校验 以验证所选调节阀口径的正确性 29 第五节控制器控制规律及作用方向的选择 一 控制器控制规律的选择控制系统品质主要取决于控制器控制作用的选择 选择控制规律时 需根据对象特点以及控制要求来进行 基本的控制作用主要有位式 比例 P 比例积分 PI 比例微分 PD 和比例积分微分 PID 等几种 下表列出了它们各自特点以及使用场合以供选择 30 常用控制规律特点及适用场合 31 二 控制器正 反作用方式的选择 原则 使整个单回路构成负反馈系统 即 控制器 广义对象 控制器 正作用为 反作用为 广义对象 包括控制阀 气开式为 气关式为 实际对象 输入物料或能量增加时 被控参数随之增加为 随之减少为 与检测变送环节 一般为 32 第六节控制器参数整定 控制器参数整定 就是确定控制器参数 控制器参数的整定方法有理论计算整定法 通过理论计算 微分方程 频率特性 根轨迹法等 求取控制器参数 和工程整定法 从工程的实际出发 直接