热工仪表及自动化课程

《热工仪表及自动化课程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热工仪表及自动化课程（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、承德石油高等专科学校重点课程建设 热工仪表及自动化 （适用于热工、制冷、储运、智建专业） 热工仪表教研室,第六章 常用自动控制系统分析,主要内容单回路自控系统分析及整定 串级控制系统分析及整定 前馈-反馈控制系统分析 其它控制系统分析,6-1单回路自控系统分析及整定,搞清楚单回路控制系统设计的一般原则，了解系统投运的过程 被控变量的选择 操纵变量的选择 在系统设计时对检测变送环节的考虑 调节器控制规律的选择,一、单回路控制系统的设计,被控变量的选择,储罐,HT,HC,差压变送器,液位调节器,执行器,直接控制变量,被控变量的选择,间接控制,操纵变量的选择,控制通道特性对控制质量的影响 放大系数K

2、的影响 时间常数T的影响 纯滞后0的影响 扰动通道特性对控制质量的影响 操纵变量必须是工艺上允许控制的变量 操纵变量对被控变量的影响应比扰动对被控变量的影响更灵敏 应使主要扰动进入的位置靠近调节阀， 远离被控变量的检测元件,对检测变送环节的考虑,纯滞后,PH值控制系统示意图,式中：分别为主管道，支管道的长度和液体流速,对检测变送环节的考虑,Y,Y,T,减小滞后的办法： 正确选择检测元件的安装位置 选用快速检测元件 在检测元件之后引入微分作用，以补偿测量滞后的动态误差,信号传送滞后,信号传送滞后:是指气压信号在管路传送过程中所引起的滞后 减小的的办法： 尽量缩短气压信号的的长度 使用气-电转换器

3、 按实际情况采用基地式调节器，以消除变送器到调节器之间的信号传送滞后,调节器控制规律的选择,控制规律对控制质量的影响,Y,T,PI,P,PID,PD,各种控制作用过渡过程比较,调节器控制规律的选择,控制规律的的选择 位式调节器：适用于滞后较小，负荷变化不大，控制质量要求不高 比较控制：是最基本的控制规律，它的输入，输出成比例 比例积分控制：用于控制通道滞后小，负荷变化不大，工艺上允许有余差的场合 比例微分控制：能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小加快了控制过程，改善了控制质量,二、单回路控制系统整定,调节器参数的整定：就是在一个已经调校好的控制系统中，去选择和设置合适的调节器的比例度、积分

4、时间和微分时间，使调节器与过程的特性相适应，来改善系统的静态和动态特性，获取最佳控制效果 系统整定方法： 临界比例度法 衰减曲线法 经验法,临界比例度法,具体整定方法： 在闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大，Td置零， 系统处于纯比例作用之下 根据临界过程参数(即k和Tk)，按经验公式计算出调节器的各个 参数值、Ti、Td。 将比例度调在比计算值略大一点， 积分时间和微分时间分别置于计算值上，观察过渡过程曲线 逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修改Ti和Td，直至获得满意的过渡过程曲线为止,衰减曲线法,具体整定方法： 在闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零， 使系统处于

5、纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳定 用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比 直到出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度s，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts 根据s、Ts、按表5-2中的经验公式计算出调节器的各个参数值s、Ts、Ti、Td。 将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上，Ti、Td分别置于计算值上， 观察过渡过程曲线，逐渐将比例度降至计算值上，圩至过渡过程曲线满意为止,经验法,经验凑试法的两种整定顺序 认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微分的顺序 闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零、取经验数据，改变设定值加入扰动，观察记录曲

6、线，若超调量大且趋于非周期，应减小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程为止,在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大10-20%，然后再将积分时间T i由大到小进行凑试，若曲线回复时间很长，应减小Ti；若曲线波动较大则应增大Ti，直到系统达到4:1 衰减振荡的过渡过程为止 若系统需加入微分作用，应取得比纯比例作用时更小些，Ti也应减小些，一般先取Td=(1/31/4)Ti，将微分时间Td由小到大凑试，若曲线超调量大而衰减慢，应增大Td；若曲线振荡厉害则应减小Td，同时观察曲线，适当调整Ti、，以使过渡时间短、超调量小，控制质量达到工艺要求为止,调节器参数的

7、经验值,调节器参数,控制规律,经验法,经验整定法的关键是看曲线、调参数 一般情况下，调节器的比例度过小、或积分时间过短、或微分时间过长， 都会产生周期性的剧烈振荡，甚至等幅振荡 如果比例度过大或积分时间过长，都会使过渡过程变化缓慢， 不能较快达到稳定状态 整定过程过程中，除调节器参数影响过程曲线外，系统中的变送器、调节器、 调节阀等调校不良、选择不当以及系统中存在正弦干扰等等原因，都会引起被控变量的振荡，都会在过渡过程曲线中反映出来，要进行具体分析，正确判别其原因,三、单回路控制系统的投运,准备工作 熟悉工艺过程 现场校验 检查调节器的正、反作用方向及调节阀的气开、气关形式 系统投放 安装示意

8、图 DTL-121型调节器组成控制的投放 QTL-500型气动调节器组成控制系统的投放,锅炉水位控制系统,锅炉汽包水位控制系统，调节阀采用气关式，一旦调节阀的输入信号中断时， 阀门自动打开，给锅炉供水，以防止锅炉烧干而出事故,换热器出口温度控制,换热器出口温度控制系统。调节阀采用气开式，一旦调节阀的输入信号中断时， 阀门自动关闭，以防止换热器温度不断升高而使被加热物料分解,系统投运,系统投运一般要经过现场人工操作、手动遥控、 自运控制等三个步骤 ：,6-2串级控制系统分析及整定,串联控制系统概述 加热炉出口温度与炉膛温度串联控制系统 串联控制系统的构成及其方块图 串联控制的工作过程 串联控制系

9、统的特点及适用场合 对进入副回路的扰动有较快，较强的能力 可以改善过程的特性 可以消除副过程和调节阀非线形特性的影响,一、串级控制系统,串联控制系统的设计 副变量的选择和副回路的设计 副回路必须包括主要扰动和较多个扰动 副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞适当匹配 主、副回路变量间在工艺上有一定的内在联系、 考虑工艺的合理和经济性 主、副调节器控制规律的选择 主、副调节器正、反作用的确定,加热炉出口温度与炉膛温度的串联控制系统,管式加热炉出口温度控制系统,系统能把所有的扰动都包括在控制回路之中，并用一个温度调节器来教正扰动的影响,加热炉出楼温度串联控制系统,解决滞后时间大与控制质量要求高之间

10、的矛盾，保持加热炉出口温度为某一定值,串联控制系统的构成及其方块图,串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、一个调节阀组成的。两个调节器是串联工作的，其中主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出才送往调节阀，其组成方块图如图 ：,系统方框图,串联控制系统的工作过程,串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。以加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统为例 ：,加热出口温度串联控制系统方框图,串联控制系统的工作过程,一旦系统受到扰动破坏了平衡，引起主、副变量偏离设定值时，系统的主、副调节器

11、便进行工作，根据扰动进入系统的位置的不同，可分为以下三种情况： 扰动作用于副回路 扰动作用于主过程 扰动同时作用于副回路和主过程,串级控制系统特点及适用场合,在串级控制系统中，由于副回路的存在，对于进入其中的扰动具有较强的克服能力；由于副回路的存在，改善了过程的动态特性，加快了系统的工作频率，提高了控制质量。此外，副回路的快速随动特性，使串级控制系统具有一定的自适应能力。因此当过程的时间常数大，滞后大，负荷变化大，扰动作用大而频繁，对于控制品质要求又高，单回路控制不能满足要求时，则宜采用串级控制系统。在热力生产过程中，锅炉给水控制系统、过热蒸汽温度控制系统、燃烧过程自动控制系统都大量采用串级控

12、制系统,副回路必须包括主要扰动和较多个扰动,加热炉出口温度与燃料流量串联控制系统,加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中， 若主要扰动是炉膛压力和燃料热值的变化，它们都要先反映,在炉膛温度的变化上，故选炉膛温度为副变量，使主要扰动进入副回路,聚合釜串级控制系统,副过程的动态特性将大大改善，可以充分发挥副回路的长处，构成加热炉出口温度与燃料流量串级的控制系统。如图。这种串级控制方案的应用是很多的,副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞适当匹配,在串级控制系统中，由于主、副调节器是串联工作的，主、副回路间的动态联系十分密切，具有相互关联作用。当主、副过程的时间常数相近时，主、副回路的工作频率也就

13、很接近，这样，在扰动作用下，不论哪个变量发生振荡，必然引起另一个变量也振荡，它们相互影响，使主、副变量大幅度地变化，系统不能正常工作，产生“共振”。共振现象对系统的运行很不利，其防止的措施是：在设计时应将主、副过程的时间的常数错开；在运行中整定调节器参数时把主、副回路的工作频率拉开。,主、副变量间在工艺上应有一定的内在联系,在串级控制中引入副变量，是为了提高和保证主变量的控制质量。当主变量选定以后，选择的副变量与主变量之间必须要有一定的对应关系。从串级控制系统的方块图上看，操纵变量的变化，首先是影响副变量，再由副变量去影响主变量，主、副变量间在工艺上有串联对应的关系。也就是说，控制好所选的副变

14、量就能使主变量尽快回到或稳定在设定值上。,主、副调节器控制规律的选择,不同情况下选用的控制规律,主副调节器正、反作用的确定,在串级控制系统中，主、副调节器是串联工作的，在系统投运和整定之前，必须确定主副调节器的正、反作用。串级控制系统中，副调节器的正、反作用是根据调节阀气开、气关决定的；主调节器的正、反作用是根据副变量对主量的影响确定的，一般与调节阀气开、气关形式无关，只有在要求系统进行主控时，才考虑调节阀气开、气关形式。,6-3前馈-反馈控制系统分析,前馈控制系统 反馈控制能将引起被控变化的所有扰动都包括在系统之中，调节器是按偏差进行工作的。因此只有在扰动使被控变量偏离设定值以后，调节器才进

15、行控制，以克服扰动对被控变量的影响。 前馈控制是改善和克服反馈控制不及时性的另一种控制方法。它是利用补偿原理，采用开环结构，按扰动作用的大小进行控制的 前馈-反馈控制系统,工艺要求保持加热器出口温度为某一定值。影响加热器出口温度的因素很多，有进料流量和温度的变化（用扰动1表示）、加热蒸汽压力的变化（用扰动2表示）等等。加热器出口温度的反馈控制系统如图所示,如果进料流量的变化很大而且频繁，是影响加热器出口温度的主要扰动，加热器的滞后现象又较显著单回路反馈控制达不到工艺的要求，这时可以采用前馈控制，如图,反馈控制与前馈控制的不同,系统的检测信号不同。前者是被控变量，后者是扰动量 系统控制的依据不同

16、。前者是偏差的大小，后者是扰动量的大小 控制模式不同。前者采用常规的调节器， 能校正包括在系统中的全部扰动（1、2等），而后者只能对引入补偿装置的扰动量进行校正,图是换热器的前馈反馈控制系统，它是单回路反馈控制与前馈控制的组合。系统中前馈控制补偿进料量的变化，反馈控制则克服其它扰动因素。系统的校正作用是前馈补偿装置FFC和温度调节器TC输出信号的叠加， 通过加法器相加以后送往调节阀，能较快地把物料出口温度稳定在设定值上,图是加热炉的前馈反馈控制系统。若负荷变化是主要扰动原料的流量检测信号直接送往前馈补偿装置FFC，补偿后的输出与炉出口温度调节器TC的输出相叠加以后，去控制燃料流量，这样的控制系统能使炉出口温度的稳定程度大大提高,锅炉蒸汽压力选择性控制系统,图为辅助锅炉蒸汽压力与燃料压力组成的选择性控制系统。蒸汽符合随用户的需要多少经常性的波动，蒸汽压力与进入炉膛的燃料有关。,水温控制系统,谷物湿度控制系统,6-4其它控制系统分析（1学时）,