《化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第12章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第12章（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、化工仪表及自动化第十二章 简单控制系统 内容提要n概述n被控变量的选择n操纵变量的选择n控制器控制规律的选择及参数整定 n控制规律的选择 n控制器参数的工程整定1内容提要n控制系统的投运及操作中的常见问题 n控制系统的投运 n控制系统操作中的常见问题2第一节 概述3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12-1 液位控制系统图12-2 温度控制系统字母第一位字母后继字母 被测变量修饰词功能 A C D E F I K L M P Q R S T V W Y Z分析 电导 率 密度 电压 流量 电流 时间 或时间 程序
2、 物位 水分或湿度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 黏度 力 供选用 位置差比（分数）积分、累积安全报警 控制（调节 ）检测 元件指示 自动-手动操作器积分、累积 记录 或打印 开关、联锁 传送 阀、挡板、百叶窗 套管 继动 器或计算器 驱动 、执行或未分类的终端执行机构表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号4第一节 概述5图12-3 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。 第二节 被控变量的选择6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。被控变量的界定被控变量
3、的界定 它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作 用，而人工操作又难以满足要求的； 人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是 既紧张而又频繁的。第二节 被控变量的选择被控变量的分类（按照与生产过程的关系）被控变量的分类（按照与生产过程的关系） 直接指标控制； 间接指标控制。7第二节 被控变量的选择8图12-4 精馏过程示意图1精馏塔；2蒸汽加热器图12-5 苯-甲苯溶液 的T-x图图12-6 苯-甲苯溶液的 p-x图举例第二节 被控变量的选择从工艺合理性考虑，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。原因原因在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操 作在规
4、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。 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。9第二节 被控变量的选择10选择被控变量的原则选择被控变量的原则 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，一般是工艺过程中较重要的变量。 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影 响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。 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。 第二
5、节 被控变量的选择 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的 灵敏度。 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。 11第三节 操纵变量的选择12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。操作变量系统的干扰通过工艺分析确定第三节 操纵变量的选择13图12-7 精馏塔流程图如果根据工艺要求 ，选择提馏段某块塔板 （一般为灵敏板）的温 度作为被控变量。 举例举例第三节 操纵变量的选择影响提馏段灵敏板温度影响提馏段灵敏板温度T T灵灵的因素主的因素主 要有：要有：进料的流量（Q入）
6、、成分（x入）、 温度（T入）、回流的流量（Q回）、 回流液温度（T回）、加热蒸汽流量 （Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等 等。 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。 14图12-8 影响提馏段温度各种 因素示意图第三节 操纵变量的选择15图12-9 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。 第三节 操纵变量的选择16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
7、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。 第四节 控制器控制规律的原则及参数整定n 一、控制规律的选择n目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律:比例 控制规律P、比例积分控制规律PI和比例积分微分控制 规律PID。17第四节 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 。
8、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 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18第四节 控制器控制规律的原则及参数整定1.临界比例度法19n 二、控制器参数的工程整定按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器 参数值。即确定最合适的控制器
9、比例度、积分时间TI和 微分时间TD。 方法方法理论计算的方法和工程整定法。 几种常用的工程整定法几种常用的工程整定法先通过试验得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根 据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。 第四节 控制器控制规律的原则及参数整定20图12-10 临界振荡过程控制作用比例度 /%积分时间 TI/min微分时间 TD/min 比例 比例+积分 比例+微分 比例+积分+微 分2k 2.2k 1.8k 1.7k0.85Tk0.5Tk0.1Tk 0.125Tk表 12-2 临界比例度法参数计算公式表特点特点 比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。 对于临界比例度很小的系
10、统不适用。对于临界比例度很小的系统不适用。 对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。 第四节 控制器控制规律的原则及参数整定21通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。图12-11 41和101衰 减振荡过程控制作用/%TI/minTD/min 比例s 比例+积分1.2s 0.5TS比例+积分+微分0.8s 0.3TS0.1TS控制作用/%TI/minTD/min 比例s 比例+积分1.2s 2T升 比例+积分+微分0.8s 1.2T升0.4T升表12-3 41衰减曲线法控制器参数计算表表12-4 101衰减曲线法控制器参数计算表
11、2.2.衰减曲线法衰减曲线法第四节 控制器控制规律的原则及参数整定在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用， 并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变 给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰 减比，然后从大到小改变比例度，直至出现减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4141或或10 110 1 衰减比为止。通过比例度衰减比为止。通过比例度s 和衰减周期和衰减周期T TS S, ,得到控制器的参得到控制器的参 数整定值。数整
12、定值。22第四节 控制器控制规律的原则及参数整定23（1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求 来定，一般为额定值的5左右，也有例外的情况。（2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否 则得不到正确的S 、TS或S和T升值。（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容 量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到41衰减 曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳 定，就可以近似地认为达到41衰减过程了。 注意！注意！第四节 控制器控制规律的原则及参数整定根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接 在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在 记录仪上观察过渡过程曲线，运用、TI、TD
13、对过渡过 程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分 时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过 程为止。 243.3.经验凑试法经验凑试法第四节 控制器控制规律的原则及参数整定25控制变 量特 点/%TI/minTD/min流量对象时间常数小，参数有波动， 要 大；TI要短；不用微分401000.3 1温度对象容量滞后较大，即参数受干扰候 变化迟缓；应小；TI要长；一般需 加微分20 603 100.5 3压力对象的容量滞后一般，不算大，一般不 加微分30 700.4 3液位对象时间常数范围较大。要求不高时 ，可在一定范围内选取，一般不用 微分20 80表12-5 各类控制系统中
14、控制器参数经验数据表第四节 控制器控制规律的原则及参数整定整定的步骤整定的步骤（1 1）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本 稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后 加入微分作用是为了提高控制质量。加入微分作用是为了提高控制质量。 关键关键看曲线，调参数。看曲线，调参数。26第四节 控制器控制规律的原则及参数整定27图12-12 三种振荡曲线比较图12-13 比例度过大、积分时间 过大时两种曲线比较比例度过小、积分 时间过小或微分时 间过大，产生的周 期性激烈振荡。 如果比例度过大或积分时 间过大，
15、过渡过程变化缓 慢的情形。第四节 控制器控制规律的原则及参数整定28（2）先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如要引入 微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑 试，凑试步骤与前一种方法相同。 特点特点 方法简单，适用于各种控制系统。 特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规 则的控制系统，采用此法最为合适。 此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过 渡过程本身较慢时，往往较为费时。 第四节 控制器控制规律的原则及参数整定 对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定 ，可能得出不同的参数值。 在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须 整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进 行的过
16、程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很 大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器 的参数必须重新整定。 注意！注意！29第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题n 一、控制系统的投运1.1.准备工作准备工作 对于工艺人员与仪表人员来说 对于仪表人员来说要重视！要重视！30第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题2.2.仪表检查仪表检查投运前要在现场校验仪表一次, 确认正常后可 考虑投运。 对于控制记录仪表控制记录仪表,除了要观察测量指示是否正 常外,还特别要对控制器控制点进行复校。 31第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题3.3.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制 系统成为负反馈闭环
