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1、化工仪表及自动化课程教学课件化工仪表及自动化授课时间：第 次课（2学时）教学目的：掌握简单控制系统的投运及操作中的常见问题教学重点：简单控制系统的投运教学难点：控制器正、反作用的判定方法教学过程：讲授教学内容：第十二章 简单控制系统上节课知识回顾：12.1、由图可知，简单控制系统有着共同的特征，它们均由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送器、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方块图来表示。这就便于对它们的共性进行研究。图 12-3 简单控制系统方块图12、2、被控变量的选择（掌握何谓被控变量；必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分
2、析个变量之间的相互关系，一般要遵循6项原则，见书P178）。12.3、操纵变量的选择（掌握操纵变量的定义；掌握选择操纵变量的3项原则，见书P180）。12.4、控制器控制规律的选择及参数整定（掌握P、PI、PID三种控制器的特点；掌握控制器的工程整定的3种基本方法：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）。本节课程内容引入：简单控制系统设计并按设计要求进行正确安装后，即可着手进行控制系统的投运和控制器参数的整定工作。但如何投运是一项很重要的工作，尤其是对一些重要的控制系统更应重视。12.5.1、控制系统的投运经过控制系统设计、仪表调校、安装后，接下去的工作是控制系统的投运。所谓控制系统的投运，就
3、是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。这一过程是通过将控制器上的手动一自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的。控制器在手动位置时，控制阀接受的是控制器手动输出信号：当控制器从手动位置切换到自动位置时，将以自动输出信号代替手动输出信号控制控制阀，此时控制阀接受的是控制器根据偏差信号的大小和方向按一定控制规律运算所得的输出信号(称之为自动输出)。如果控制器在切换之前，自动输出与手动输出信号不相等，那么，在切换过程中必然会给系统引入扰动，这将破坏系统原先的平衡状态，是不允许的。因此，要求切换过程必须保证无扰动地进行。也就是说，从手动切换到自动的过程中，不应造成系统的扰动，不应该破坏系统原有
4、的平衡状态，亦即切换过程中不能改变控制阀的原有开度。由于在化工生产中普遍存在高温、高压、易燃、易爆、有毒等工艺场合，所以在这些地方投运控制系统，操作人员会担一定的风险。12.5.1-1. 投入运行前的准备工作自动控制系统安装完毕或是经过停车检修之后，都要(重新)投入运行。在投运每个控制系统前必须要进行全面细致的检查和准备工作。投运前，首先应熟悉工艺过程，了解主要工艺流程和对控制指标的要求，以及各种工艺参数之间的关系，熟悉控制方案，对测量元件、调节阀的位置、管线走向等都要做到心中有数。投运前的主要检查工作如下所述。 对组成控制系统的各组成部件，包括检测元件、变送器、控制器、显示仪表、控制阀等，进
5、行校验检查并记录，保证其精确度要求，确保仪表能正常的使用。对各连接管线、接线进行检查，保证连接正确。例如，孔板上下游导压管与变送器高低压端的正确连接；导压管和气动管线必须畅通，不得中间堵塞；热电偶正负极与补偿导线极性、变送器、显示仪表的正确连接；三线制或四线制热电阻的正确接线等。 如果采用隔离措施，应在清洗导压管后，灌注流量、液位和压力测量系统中的隔离液。 应设置好控制器的正反作用、内外设定开关等；并根据经验或估算，预置，TI,TD参数值，或者先将控制器设置为纯比例作用，比例度置于较大的位置。检查控制阀气开、气关形式的选择是否正确，关闭控制阀的旁路阀，打开上下游的截止阀，并使控制阀能灵活开闭，
6、安装阀门定位器的控制阀应检查阀门定位器能否正确动作。进行联动试验，用模拟信号代替检测变送信号，检查控制阀能否正确动作，显示仪表是否正确显示等；改变比例度、积分和微分时间，观察控制器输出的变化是否正确。采用计算机控制时，情况与采用常规控制器时相似。 12.5.1-2.控制器的正、反作用的确定方法（相关知识）如简单控制系统方块图12-3所示。从控制原理知道，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到扰动时，其过渡过程将会是一个衰减过程；反之，如果系统是正反馈，那么系统是不稳定的，一旦遇到扰动作用，过渡过程将会发散，在工业过程控制中，这种情况是不希望发生的。因此，一个
7、控制系统要实现正常运行，必须是一个负反馈系统，而控制器的正、反作用方式决定着系统的反馈形式，所以必须正确选择。为了保证能构成负反馈，系统的开环放大倍数必须为负值，而系统的开环放大倍数是系统中各个环节放大倍数的乘积。这样，只要事先知道了过程对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负，再根据系统开环放大倍数必须为负的要求，就可以很容易地确定出控制器的正、反作用。1. 系统中各环节正、反作用方向的规定在控制系统方块图中，每一个环节(方框)的作用方向都可用该环节放大系数的正、负来表示。如作用方向为正，可在方框上标“+”；如作用方向为负，可在方框上标“”。控制系统中各环节的作用方向(增益符号)是这样规定的
8、：当该环节的输入信号增加时，若输出信号也随之增加，则该环节为正作用方向；反之，当输入增加时，若输出减小，即输出与输入变化方向相反，则为负作用方向。（1）被控对象环节。被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当过程的输入(操纵变量)增加时，若其输出(被控变量)也增加则属于正作用，取“+”；反之则为负作用，取“”号。（2）执行器环节。对于控制阀，其作用方向取决于是气开阀还是气关阀。当控制器输出信号(即控制阀的输入信号)增加时，气开阀的开度增加，因而流过控制阀的流体流量也增加，故气开阀是正方向的，取“+”号；反之，当气关阀接收的信号增加时，流过控制阀的流量反而减少，所以是反方向的，取“一”
9、号。控制阀的气开、气关作用形式应按其选择原则事先确定。（3）测量变送环节。对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。因为当其输入量(被控变量)增加时，输出量(测量值)一般也是增加的，所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可以不考虑测量元件及变送器的作用方向，只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。因此该环节在判别式中并没有出现。（4）控制器环节。由于控制器的输出取决于被控变量的测量值与设定值之差，所以被控变量的测量值与设定值变化时，对输出的作用方向是相反的。对于控制器的作用方向是这样规定的：当设定值不变、被控变量的测量值增加时，控制器的输出也
10、增加，称为“正作用”，或者当测量值不变、设定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”，取“+”号；反之，如果测量值增加(或设定值减小)时，控制器的输出减小的称为“反作用”，取“”号。这一规定与控制器生产厂的正、反作用规定完全一致。2. 控制器正、反作用方式的确定方法由前述可知，为保证使整个控制系统构成负反馈的闭环系统，系统的开环放大倍数必须为负，即 (控制器)(执行器)(被控对象)= “”确定控制器正、反作用方式的步骤如下； 根据工艺安全性要求，确定控制阀的气开和气关形式，气开阀的作用方向为正，气关阀的作用方向为负； 根据被控对象的输入和输出关系，确定其正、负作用方向； 根据测量变送环节的输
11、入，输出关系，确定测量变送环节的作用方向； 根据负反馈准则，确定控制器的正、反作用方式。 例如，在锅炉汽包水位控制系统中，为了防止系统故障或气源中断时锅炉供水中断而烧干爆炸，控制阀应选气关式，符号为“”；当锅炉进水量(操纵变量)增加时，液位(被控变量)上升，被控对象符号为“+”；根据选择判别式，控制器应选择正作用方式。如图12-23所示。又如，换热器出口温度控制系统，为避免换热器因温度过高或温差过大而损坏，当操纵变量为载热体流量时，控制阀选择气开式，符号为“+”；在被加热物料流量稳定的情况下，当载热体流量增加时，物料的出口温度升高，被控对象符号为“+”。则控制器应选择反作用方式。如图12-2所
12、示。图 12-23 锅炉水位控制系统 图 12-2 换热器出口温度控制系统 再如，对于精馏塔塔顶温度控制系统，为保证在控制系统出现故障时塔顶馏出物的产品质量，当以塔顶馏出物冷凝液的回流量作操纵变量时，其回流量控制阀应选择气关式，符号为“”；当回流量增大时，塔顶温度将会降低，被控过程符号为“”。因此，控制器应选择反作用方式。如图12-4所示。图 12-4 精馏塔塔顶温度控制系统 图 12-1储槽液位控制系统而对于以进料量为操纵变量的储槽液位控制系统，从安全角度考虑，选择气开阔，符号为“十”：进料阀开度增加，液位升高，因此被控对象为正作用，符号为“+”。所以为保证负反馈，控制器应选择为反作用方式(
13、如操纵变量是出料量，同样选择气开阀，即符号为“+”；但因出料阀开度增加，液位下降，因此，被控对象为负作用，符号为“”，则应选正作用控制器。如图12-1所示。练习：如图所示为加热炉，工艺对炉出口温度有较高要求，试组成加热炉温度简单控制系统。、画出加热炉温度控制系统控制方案；、选择控制阀气开、气关形式；、选择控制器作用方向和控制规律；、画出控制系统方块图；、简述当进料突然增加时系统的控制过程。工艺介质燃料加热炉TCTT干扰(1) 加热炉温度控制系统控制方案如图所示；(2)控制阀气开阀，(3)控制器反作用，给定值被控变量 温度控制系统方块图TCTV加热炉炉炉TT干扰 控制规律PID (4) 控制系统
14、方块图如图所示 (5)当工艺介质流量突然增大时，加热炉出口温度降低，测量变送信号输出减小，反作用的控制器输出增大，气开控制阀开大，燃料流量增加，炉出口温度上升。经系统反复调节，加热炉出口温度回到给定值上。反之亦然。12.5.1-3.控制系统的投运合理、正确地掌握控制系统的投运，使系统无扰动地、迅速地进入闭环，是工艺过程平稳运行的必要条件。对控制系统投运的唯一要求，是系统平稳地从手动操作转入自动控制，即按无扰动切换(指手、自动切换时阀上的信号基本不变)的要求将控制器切入自动控制。控制系统的投运应与工艺过程的开车密切配合，在进行静态试车和动态试车的调试过程中，对控制系统和检测系统进行检查和调试。控
15、制系统各组成部分的投运次序一般如下所述。（1）检测系统投运。温度、压力等检测系统的投运比较简单，可逐个开启仪表和检测变送器，检查仪表显示值的正确性。流量、液位检测系统应根据检测变送器的开车要求，从检测元件的根部开始，逐个缓慢地打开有关根部阀、截止阀等(要防止变送器受到压力冲击)，直到显示正常。（2）控制系统投运。应从手动遥控开始，逐个将控制回路过渡到自动操作，应保证无扰动切换。 手动遥控(调节阀的投运)。手动遥控阀门实际上是在控制室中的人工操作，即操作人员在控制室中，根据显示仪表所示被控变量的情况，直接开关控制阀。手动遥控时，由于操作人员可脱离现场，在控制室中用仪表进行操作，因此很受人们的欢迎。在一些比较稳定的装置上，手动遥控阀门应用较为广泛。图 12-17 控制阀安装示意图在开车时，先进行现场手动操作，即先将图12-17中控制阀前后的切断阀1和2关闭，打开旁路阀3，观察测量仪表能否正常工作。待工况稳定后，被控变量稳定在设定值附近时，然后进行旁路阀一控制器手动遥控切换，转入控制室内手动遥控控制阀。其操作顺序如下： 用手动定值器、手操器或控制器的手动操作方式调整作用于控制
