化工仪表第6章简单控制系统

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1、化工仪表及自动化第六章 简单控制系统 第一个问题：控什么？第一个问题：控什么？答：控制工艺要求的指标答：控制工艺要求的指标具体分为两种情况：具体分为两种情况： 1.1.工艺要求的指标可以直接在线测量工艺要求的指标可以直接在线测量直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）2.2.工艺要求的指标工艺要求的指标不不可以直接在线测量可以直接在线测量寻找一个于工艺指标有明显的对应关系，且可以测量的另寻找一个于工艺指标有明显的对应关系，且可以测量的另 一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目 的（间接指标

2、控制）的（间接指标控制）例如：例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发 现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者 温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据P155P155中中 的分析，最终可以确定：的分析，最终可以确定： 固定压力，固定压力，通过控制温度来间接控制组分通过控制温度来间接控制组分是合理的是合理的第三个问题：以什么方式控？第三个问题：以什么方式控？答：答：没有标准答案没有标准答案（选择合适的调节规律

3、）（选择合适的调节规律） 最常用的调节规律：最常用的调节规律：位式控制、位式控制、P P、PIPI、PDPD、PIDPID（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）后续问题：如何整定后续问题：如何整定PIDPID参数？参数？答：答：临界比例度法经验临界比例度法经验衰减曲线法经验衰减曲线法经验经验凑试法经验凑试法最好的方法就是最好的方法就是“经验经验”第二个问题：拿什么控？第二个问题：拿什么控？答：答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。K K大一些，大一些，T T小一些，小一些，最好为最好为0 0选择被控变量选

4、择控制变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运 参数整定概述第一节 简单控制系统的结构与组成简单控制系统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。图6-1 液位控制系统图6-2 温度控制系统第一节 简单控制系统的结构与组成图6-3 简单控制系统的方块图 从图中可知从图中可知 简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、 测量变送装置、控制器和执行器。 有一条从输出端到输入端的反馈第二节 简单控制系统的设计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。明确 控制目的使生产过程自动按照预定的目标进行，

5、并使工艺参数 保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）分析 生产工艺“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量确定 被控变量两种控制类型：直接指标控制和间接指标控制当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时 ，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的 变量做为间接控制指标。一、被控变量的选择一、被控变量的选择第二节 简单控制系统的设计图6-4 精馏过程示意图1精馏塔；2蒸汽加热器图6-5 苯-甲苯溶液 的T-x图图6-6 苯-甲苯溶液的p -x图举例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

6、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。从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。原原 因：因：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。 否则将影响工况，挥发度可能改变。 物料平衡可能破坏，引起负荷波动。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本 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。 所选变量有足够的灵敏度。第二节 简单控制系统的设计 选择被控变量的原则选择被控变量的原则 要有代表性。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般

7、是 工艺过程中较重要的变量。 滞后要小。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。 灵敏度要高。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。 成本要低。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。 被控变量应是独立可控的。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦 合)关系。 第二节 简单控制系统的设计在自动控制系统中，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操纵变量。 最常见的操纵变量是介质的流量。操作变量系统干扰通过工艺分析确定二、操纵

8、变量的选择二、操纵变量的选择1 1、操纵变量、操纵变量第二节 简单控制系统的设计图6-7 精馏塔流程图uu如果根据如果根据 工艺要求，工艺要求， 选择提馏段选择提馏段 某块塔板（某块塔板（ 一般为灵敏一般为灵敏 板）的温度板）的温度 作为被控变作为被控变 量。量。 举例举例控制变量与干扰变量控制变量与干扰变量 原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变 量影响显著而且可控性良好的输入作为操纵变量后，其它 所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。 图6-8 影响提馏段温度各种因素示意图第二节 简单控制系统的设计影响提馏段灵敏板温度影响提馏段灵敏板温度T T灵灵的的因素主要有：因素主要有

9、：通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。控制更及时，更显著。图6-8 影响提馏段温度各种 因素示意图进料流量Q入不可控进料成分X入 不可控进料温度T入 不可控回流流量Q回可控 回流温度T回 (不可控)加热蒸汽流量QZ 可控 冷凝器冷却温度 (不可控)塔压P不可控图6-9 干扰通道与控制通道 示意图干扰变量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。 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 系统的输入输出关

10、系，分为对象静态性质和对象动态性质考察对象特性对控制质量的影响，用以选择控制变量。2.2.对象特性对操纵变量的影响对象特性对操纵变量的影响放大系数:K控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征。 从控制有效性考虑，K0应适当的大一些 。干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征。 希望Kf小一些，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小 。控制变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时 ，从静态特性考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作 为操纵变量。 对象静态特性对操纵变量的影响对象静态特性对操纵变量的影响操纵变量和干扰对被控变量的操纵变量和干扰对被控变量的 影响与对象特性有密切的关

11、系影响与对象特性有密切的关系对象动态性质对操纵变量的影响对象动态性质对操纵变量的影响控制通道时间常数 T0由D、E看出控制通道滞后时间0 纯滞后使超调量增加T0小一点好，反应灵敏，控制及时。不能过大，否则会使控 制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长 A: 无纯滞后时的校正作用B: 有纯滞后时的校正作用C: 不受控下的输出曲线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控制变量构成控制回路时，应尽量避免控制通道纯滞后 0的存在，无法避免时应使之尽可能小。 时间常数 T干扰通道时间常数 TfTf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善 控制质量。 干扰通道纯滞后f

12、的影响无纯滞后有纯滞后干扰通道滞后时间f 只要控制通道不存在纯滞后 ，干扰通道的纯滞后f不会 影响控制质量。第二节 简单控制系统的设计操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 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。 测量滞后对控制质量的影响测量滞后对控制质量的影响1、测量元件时间常数的影响 测量元件的时间常数越大，以下现象愈显著 2、测量元件纯滞后时间的影响 0 1 2 V1 V2 + 一般是由于测量元件安装位置引起的 三、测量元件特性的影响 选择快速测量元件

13、。 正确选择测量元件的安装位置。1.在自动控制系统中，以温度测量元件和成分分析的取样 装置所引起的测量滞后为最大。 2.通常测量单元件应选择在最具代表性，响应最灵敏、最迅 速的位置安装，应避免将其安装在死角或易挂料结焦的地方。 3.分析取样则应在温度比较稳定，离设备较近之处，尽量减 小纯滞后。 正确使用微分器正确使用微分器，合理引入微分特性的超前作用，对克服 测量滞后，改善控制质量是一种有效的方法。克服测量滞后的几种方法克服测量滞后的几种方法第三节 控制器控制规律的原则及参数整定一、控制规律的选择目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律:n比例控制规律P； n比例积分控制规律PI； n比例积分

14、微分控制规律PID。第三节 控制器控制规律的原则及参数整定特点适用于比例控 制器控制器的输出与偏差成比例,阀门位置 与偏差之间有一一对应关系。当负荷 变化时,比例控制器克服干扰能力强, 过渡过程时间短。纯比例控制器在过渡过程终了时存在余差。 调节通道滞后较小、负 荷变化不大、工艺上没 有提出无差要求的系统 。 比例积 分控制 器积分作用使控制器输出与偏差的积分 成比例, 过渡过程结束时无余差。但 使稳定性降低。调节通道滞后较小、负 荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。 比例积 分微分 控制器微分作用使控制器的输出与偏差变化 速度成比例。它对克服容量滞后有显 著效果。在比例的基础上加上微分作

15、 用能提高稳定性,再加上积分作用可以 消除余差。 容量滞后较大、负荷变 化大、控制质量要求较 高的系统 三种控制器性能比较表三种控制器性能比较表2 2、控制器正、反作用的选择、控制器正、反作用的选择 保证整个控制系统形成负反馈。在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器 的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对 控制器的正反作用进行调整。 所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。 当输入增加时，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，输出减小，则称该环节为“ 反作用”方向。何谓“正”、“反”作

16、用？控制器正 反作用选择的基本原则控制器正、反作用选择的步骤1、判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定 ；2、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全； 3、确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；4、确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。被控变量 控制器执行器被控对象测量变送环节干扰偏差设定值 广义对象第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题举例加热炉出口温度控制系统1.炉温是随燃料的增多而升高的, 以炉子也是“正”方向作用的 。2.为了在控制阀气源突然断气时, 炉温不继续升高,采用了气开阀 (停气时关闭) ,是“正”方向 。3.变送器是随炉温升高,输出增大 ,也是“正”方向。4.所以控制器必须为“反方向”, 才能当炉温升高时,使阀门关小 ,炉温下降。 燃料气TC加热炉出口温度控制第五