測量儀表與自動化14

1、化工儀表及自動化Instrumentation and Automation In Chemical Engineering第 14 章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，有相當(dāng)廣泛的適應(yīng)性。在計算機控制已占主流地位的今天仍占70以上。簡單控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻能解決生產(chǎn)過程中的大量控制問題，同時也是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。掌握了單回路系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法，將會給復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究提供很大的方便。所謂簡單控制系統(tǒng)有四個環(huán)節(jié)：被控對象（對象）、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。 這體現(xiàn)了控制系統(tǒng)方案設(shè)計的基本準(zhǔn)則：力求簡單、可靠、經(jīng)濟與保證效果良好。 簡單控制

2、系統(tǒng)的方框圖簡單控制系統(tǒng)的方框圖測量值控制器調(diào)節(jié)閥被控對象偏差給定值操縱值操縱變量干擾D測量變送器-SvPvDvMvq被控變量y+e第 14 章 簡單控制系統(tǒng)14.1 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計14.1.1 設(shè)計內(nèi)容14.1.2 被控變量的選擇14.1.3 操縱變量的選擇14.1.4 測量變送器的選擇14.1.5 氣動執(zhí)行器的選擇14.1.6 控制器控制規(guī)律及正反作用的選擇14.2 控制器參數(shù)的工程整定14.3 控制系統(tǒng)的投運 14.1.1 設(shè)計內(nèi)容簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計最重要的是：控制系統(tǒng)方案的設(shè)計控制器參數(shù)整定 設(shè)計方法： 是在對被控對象作全面深入的了解和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝的要求選擇被控變量，操縱

3、變量，合理選擇控制系統(tǒng)的測量元件和變送器，合理選擇控制器、執(zhí)行器、顯示儀表和其他儀表，從而確定一個較為合理的簡單控制系統(tǒng)方案。 精餾塔流程圖精餾塔流程圖14.1.2 被控變量的選擇被控變量：生產(chǎn)過稱中希望借助自動控制系統(tǒng)保持定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。選擇方法：從生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的要求出發(fā)，找出對產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、安全等方面起決定作用的變量。 在某些情況下，對被控變量的選擇是一目了然，但也有如下一些情況，需要對被控變量的選擇認(rèn)真加以考慮： 1. 表示某些質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)有好幾個，應(yīng)是獨立可調(diào)的。例:情況一：要對鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽質(zhì)量進(jìn)行控制，提出了三種方案： 壓力P P與溫度T T皆為被控變

4、量； 溫度T T為被控變量； 壓力P P為被控變量。自由度為因此獨立變量只有1個 F=C-p+ 2 =1- 2+ 2 =1F 自由度（Degree of Freedom） C 組分?jǐn)?shù)(number of independent component) P 相數(shù)（phase number）14.1.2 被控變量的選擇1. 表示某些質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)有好幾個，應(yīng)是獨立可調(diào)的。例:情況二：若要對鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽質(zhì)量進(jìn)行控制，提出了三種方案： 壓力P P與溫度T T皆為被控變量； 溫度T T為被控變量； 壓力P P為被控變量。 因為蒸汽在過熱狀態(tài)下只存在一個氣相自由度為因此獨立變量有2個注：自由度在熱力學(xué)

5、中，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，在不改變相的數(shù)目的情況下，可獨立改變的因素的數(shù)目F=C-p+ 2 =1-1+ 2 = 2F 自由度； C 組分?jǐn)?shù)； P 相數(shù) 14.1.2 被控變量的選擇2.某些質(zhì)量指標(biāo)，因無合適的測量儀表直接反映質(zhì)量指標(biāo)，從而選擇與直接質(zhì)量指標(biāo)之間有單值線性對應(yīng)關(guān)系而又反應(yīng)快的間接指標(biāo)作為被控變量。例:在精餾過程中，要控制塔頂或塔底產(chǎn)品質(zhì)量(濃度)，因缺乏直接測量濃度的成分儀表或成分測量儀表滯后過大，使控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)很差，不能滿足工藝的要求。而物料的溫度與濃度近似為單一對應(yīng)關(guān)系。所以選用了溫度（間接參數(shù)）為被控變量。精餾塔流程圖精餾塔流程圖通過上述討論，被控變量的選擇原則包括：

6、p盡量選用直接指標(biāo)作為被控變量，因為它最直接最可靠。p當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)的信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量，p被控變量應(yīng)獨立可調(diào)。p選擇被控變量時，必須考慮到工藝過程的合理性及儀表的現(xiàn)狀。 14.1.2 被控變量的選擇14.1.3 操縱變量的選擇操作變量:用于克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量操縱變量類型：最常見為流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。舉例： 影響靈敏板溫度的因素： 進(jìn)料流量、進(jìn)料成分、進(jìn)料溫度、 回流流量、回流溫度、 加熱蒸汽流量、 冷凝器冷卻溫度、塔壓等 選擇加熱蒸汽流量作為操縱變量精餾塔流程圖精餾塔流程圖14.1.3 操

7、縱變量的選擇對象特性對選擇操縱變量的影響干擾通道/控制通道1.對象靜態(tài)特性的影響選擇放大系數(shù)大的可控變量作為操縱變量2.對象動態(tài)特性的影響（1）控制通道時間常數(shù)要小，否則校正作用遲緩（2）控制通道純滯后時間盡量要小，否則控制質(zhì)量下降（3）干擾通道時間常數(shù)要大（4）干擾通道純滯后時間無影響干擾干擾操縱變量操縱變量被控變量被控變量干擾通道干擾通道控制通道控制通道14.1.3 操縱變量的選擇總結(jié)：操縱變量選擇原則：p首先要考慮工藝上的合理性、經(jīng)濟性，除物料平衡調(diào)節(jié)外，一般避免用主物料流量（生產(chǎn)負(fù)荷）作為操縱變量。p操縱變量應(yīng)有克服干擾影響的校正能力，控制通道的放大系數(shù)應(yīng)比較大。 p控制通道的動態(tài)響應(yīng)

8、要較干擾通道的動態(tài)響應(yīng)為快，滯后時間盡量小。14.1.4 測量變送的選擇測量變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，是系統(tǒng)進(jìn)行控制作用的依據(jù)。所以要求能及時、準(zhǔn)確地反映被控變量的情況。 選擇快速測量元件。 簡單控制系統(tǒng)的方框圖簡單控制系統(tǒng)的方框圖測量值控制器調(diào)節(jié)閥被控對象偏差給定值操縱值操縱變量干擾D測量變送器-SvPvDvMvq被控變量y+e14.2.5 氣動執(zhí)行器的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇包括：結(jié)構(gòu)形式、閥的口徑、氣開、氣關(guān)形式、流量特性p流量特性的選擇重要性直接影響自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量和穩(wěn)定性選擇方法：根據(jù)廣義對象（除控制器外其它環(huán)節(jié)合并成的環(huán)節(jié)）的特性及工作特性修正對象（包括變送器）輸入輸出廣義

9、對象調(diào)節(jié)閥 調(diào)節(jié)閥特性補償示意圖 為使自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)在負(fù)荷變化時，保證一定的調(diào)節(jié)質(zhì)量，要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)總特性為線性微分方程，在整個操作范圍內(nèi)保持不變，可通過適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，以閥的特性的變化來補償其它環(huán)節(jié)已變化了的特性。14.2.5 氣動執(zhí)行器的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇包括：結(jié)構(gòu)形式、閥的口徑、氣開、氣關(guān)形式、流量特性p流量特性的選擇選擇方法：根據(jù)廣義對象（除控制器外其它環(huán)節(jié)合并成的環(huán)節(jié)）的特性以及工作特性的修正若廣義對象為線性且 S 值接近于 1 可采用直線特性；對非線性廣義對象或 S 0,MvDv DMv 0,Mv14.1.6 控制器控制規(guī)律及正反作用的選擇2. 控制器正反作用的選擇方法：符號分

10、析法分析每個環(huán)節(jié)的特性： 輸入增加，輸出增加，“”（正作用）。輸入增加，輸出減小，“”（反作用）。如果四個環(huán)節(jié)的符號相乘，得到負(fù)號“”，即為負(fù)反饋。即： 如果四個環(huán)節(jié)的符號相乘得到正號“”，為負(fù)反饋。實例分析：14.1.6 控制器控制規(guī)律及正反作用的選擇2. 控制器正反作用的選擇方法：符號分析法舉例：加熱爐控制系統(tǒng)被控對象：加熱爐 （操縱變量：燃?xì)饬髁?被控變量：原料出口溫度) 燃料量 原料出口溫度 （正作用“”）測量變送：溫度變送器（正作用“”）調(diào)節(jié)閥：根據(jù)工藝安全條件 選氣開閥（正作用“”）控制器：為保證系統(tǒng)為負(fù)反饋，應(yīng)為反作用“”驗證：溫度升高()（控制器反作用） （調(diào)節(jié)閥氣開）閥開度(

11、燃料流量）原料出口溫度14.2.4 控制器控制規(guī)律及正反作用的選擇2. 控制器正反作用的選擇方法：符號分析法舉例：液罐控制系統(tǒng)被控對象：液罐 （操縱變量：出口流量 被控變量：液位） 出口流量增加，液位下降，（反作用“”）液位變送器：正作用“”調(diào)節(jié)閥：工藝安全條件（避免抽空）： 選氣開閥（正作用“”）控制器：為保證系統(tǒng)為負(fù)反饋，應(yīng)為“正作用” “”驗證：液位升高()控制器正作用閥開度( 調(diào)節(jié)閥氣開出口流量液位設(shè)計舉例:將濃縮乳液干燥成乳粉被控變量： 選間接質(zhì)量指標(biāo)：乳粉出口溫度T操作變量：備選：乳化物流量、旁路空氣量和加熱蒸汽量，分別以1、2、3調(diào)節(jié)閥位置代表這三種方案。 分析：乳化物流量：滯后

12、最小，對溫度校正最靈敏，但由于乳液流量是生產(chǎn)負(fù)荷，一般要求保證產(chǎn)量穩(wěn)定，所以不宜選為操縱變量。 設(shè)計舉例:將濃縮乳液干燥成乳粉分析：加熱蒸汽量：其過程是蒸汽流量經(jīng)過換熱器熱交換，以改變空氣溫度，由于換熱器的 時間常數(shù)大，此方案對干燥溫度的校正作用靈敏度最差。綜合考慮，選旁路空氣流量氣動調(diào)節(jié)閥：氣關(guān)閥 理由？控制器：正正/ /反作用？反作用？ 第 14 章 簡單控制系統(tǒng)14.1 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計14.2 控制器參數(shù)的工程整定14.2.1 臨界比例度法（穩(wěn)定邊界法）14.2.2 衰減曲線法14.2.3 經(jīng)驗湊試法14.3 控制系統(tǒng)的投運 14.2.1 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)整定 一旦控制

13、方案確定以后，被控對象各通道的特性就已確定，這時控制質(zhì)量就主要取決于控制器參數(shù)（PB、TI、TD）的整定。 方法：理論計算法/工程整定法y(t)trtpBTs0t)(yryBAy(t)tpB0BAtsT)(y(a) 給定值階躍變化下的過渡過程(b) 干擾階躍變化下的過渡過程14.2.1 臨界比例度法 先通過實驗得到臨界振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗整定出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。 具體步驟如下： 1. 控制器變?yōu)榧儽壤饔茫?PIDP（TI，TD0）； 2. 從大到小改變PB（PB 大?。?，,直到出現(xiàn)等幅震蕩，記錄下臨界比例度PB和臨界振蕩周期TK 3.查表14-1(教材P232）根據(jù)經(jīng)驗算PID參

14、數(shù)PB、TI、TDPB/%TI/minTD/minP2PBKPI2.2PBK0.85TKPD1.8PBK0.1TkPID1.7 PBKTK0.125Tk表表14-1 14-1 臨界比例度法控制器參數(shù)計算表臨界比例度法控制器參數(shù)計算表tt0fTK 臨界振蕩過程14.2.1 臨界比例度法 先通過實驗得到臨界振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗整定出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。優(yōu)點：臨界比例度法比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。 缺點： 臨界比例度法要使系統(tǒng)達(dá)到等幅振蕩，對于工藝上不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)本方法不適用。PB/%TI/minTD/minP2PBKPI2.2PBK0.85TKPD1.

15、8PBK0.1TkPID1.7 PBKTK0.125Tk表表14-1 14-1 臨界比例度法控制器參數(shù)計算表臨界比例度法控制器參數(shù)計算表tt0fTK 臨界振蕩過程通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值。具體步驟：1.控制器變?yōu)榧儽壤饔茫?PIDP（TI，TD0）；2.施加階躍干擾，從大到小改變PB,直到出現(xiàn)4：1衰減震蕩，記錄下此時的比例度PBS和衰減周期TS3.查表由經(jīng)驗算PID參數(shù)PB、TI、TD表表14-2 14-2 衰減曲線控制器參數(shù)計算表衰減曲線控制器參數(shù)計算表衰減比衰減比控制規(guī)律控制規(guī)律PB/%TI/minTD/min4：1PPBSPI1.2PBS0.5TSPID0.8PBK

16、0.3TS0.1Tk10：1PPBSPI1.2PBS2TrPID0.8PBs1.2Tr0.4Tr14.2.2 衰減曲線法通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值。優(yōu)點：衰減曲線法比較簡單，適用于一般情況下的各種參數(shù)的控制系統(tǒng)。缺點：但對于干擾頻繁，記錄曲線不規(guī)則，不斷有小擺動的情況，由于不易得到準(zhǔn)確的衰減比例度和衰減周期，使得這種方法難于應(yīng)用。表表14-2 14-2 衰減曲線控制器參數(shù)計算表衰減曲線控制器參數(shù)計算表衰減比衰減比控制規(guī)律控制規(guī)律PB/%TI/minTD/min4：1PPBSPI1.2PBS0.5TSPID0.8PBK0.3TS0.1Tk10：1PPBSPI1.2PBS2TrPI

17、D0.8PBs1.2Tr0.4Tr14.2.2 衰減曲線法14.2.3 經(jīng)驗湊試法（Trial and Error） 根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行,觀察被控變量的過渡過程曲線，并根據(jù)PB、TI、TD對過渡過程的影響為指導(dǎo)，改變相應(yīng)的整定參數(shù)值,如此反復(fù)試驗多次，直到獲得滿意的過渡過程為止。 注：參數(shù)整定工藝人員與儀表人員都需掌握。表表14-3 14-3 控制器參數(shù)整定比表控制器參數(shù)整定比表控制對象控制對象PB/%TI/minTD/min溫度10603100.53壓力30700.43流量401000.11液位208014.4 14.4 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程

18、整定例:某控制系統(tǒng)用 4:1 衰減曲線法整定控制器參數(shù).已測得：PBs=50%,TIs=5min.試確定采用PI作用和PID作用時的控制器參數(shù)值。解: 由表14-2可以求得:PI: Kp=PBS*1.2=60% TI=TIs*0.5=2.5minPID: Kp=PBS*0.8=40% Ti=TIs*0.3=1.5mi TD=Ts*0.1=0.5min表表14-2 14-2 衰減曲線控制器參數(shù)計算表衰減曲線控制器參數(shù)計算表衰減比衰減比控制規(guī)律控制規(guī)律PB/%TI/minTD/min4：1PPBSPI1.2PBS0.5TSPID0.8PBK0.3TS0.1Tk10：1PPBSPI1.2PBS2TrPID0.8PBs1.2Tr0.4Tr第 14 章 簡單控制系統(tǒng)14.1 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計14.2 控制器參數(shù)的工程整定14.3 控制系統(tǒng)