熱工過程自動控制簡述n

1、熱工參數(shù)自動控制簡述劉玉長劉玉長第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成與分類一、過程控制系統(tǒng)自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(控制裝置)，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程(控制對象)的某個工作狀態(tài)或參數(shù)(被控量)按照預(yù)定的規(guī)律自動地運行。自動控制系統(tǒng)(Automatic Control Systems )：是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進行的控制系統(tǒng)。 過程控制系統(tǒng)(Process Control Systems )：以表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。 劉玉長劉玉長二、過程控制系統(tǒng)組成v對象對象：被控制的裝置或設(shè)備

2、，其輸出即為被控量；v檢測元件及變送器檢測元件及變送器：檢測元件的功能是感受并測出被控量的大小，變送器的作用則是檢測元件測出的被控量變換成控制器所需要的信號形式；v控制器控制器：它將檢測元件或變送器送來的信號與被控變量的設(shè)定值信號進行比較得出偏差信號，根據(jù)這個偏差信號的大小按一定的運算規(guī)律計算控制信號u，然后將控制信號傳送給執(zhí)行器。 v執(zhí)行器執(zhí)行器：其作用是接受控制器發(fā)出的控制信號u，直接改變操縱量q(例如電流、重油、煤氣等的量)，即調(diào)整能量或物料的平衡，使被控量回復(fù)至設(shè)定數(shù)值。 劉玉長劉玉長三、控制系統(tǒng)的工程表示自動控制系統(tǒng)有兩種表示方法，即方框圖與工藝控制流程圖(或稱管道儀表流程圖)【需遵

3、循 “GB/T 2625-1981 過程檢測和控制流程圖用圖形符號和文字代號” 或其它行業(yè)標(biāo)準】。(a)工藝控制流程圖 (b)方框圖鍋爐汽包水位控制蒸汽蒸汽檢測變送LT控制器LC控制閥V鍋爐B期望值SV實際值給水給水LCLTVPVPVSVMV劉玉長劉玉長四、過程控制系統(tǒng)的分類 自動控制系統(tǒng)有多種分類方法，可以按被控量分類，例如溫度控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；也可以按控制器的控制作用來分類，例如比例控制系統(tǒng)、比例積分控制系統(tǒng)等。為了便于分析自動控制系統(tǒng)的性質(zhì)，可將控制系統(tǒng)按設(shè)定值形式的不同分為三類，即定值定值控制控制系統(tǒng)、系統(tǒng)、程序控制程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)與隨動控制隨動控制系統(tǒng)系統(tǒng) 。劉玉長劉玉長第二

4、節(jié) 基本控制規(guī)律與控制器控制器是自動控制系統(tǒng)的核心，它接受變送器或轉(zhuǎn)換器送來的標(biāo)準信號，按預(yù)定的規(guī)律(稱控制作用或控制規(guī)律)輸出標(biāo)準信號，推動執(zhí)行器消除偏差，使被控參數(shù)保持在給定值附近或按預(yù)定規(guī)律變化，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。控制器的輸出信號y與輸入偏差信號e(=PV-SP)之間隨時間變化的規(guī)律y=f(e)叫做控制器的控制規(guī)律，也稱之為控制器的特性。不同的控制規(guī)律適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求。要選用合適的控制規(guī)律，首先必須了解控制規(guī)律的特點與適用條件，根據(jù)工藝指標(biāo)的要求，結(jié)合具體對象特性，才能做出正確的選擇。 劉玉長劉玉長為了得到比較滿意的控制質(zhì)量，常將比例、積分、微分三種控制結(jié)合起來，構(gòu)成比例積分微

5、分(PID:Propotional-Integrate-Differential)三種作用控制器。理想PID控制作用特性方程如下：比例-積分-微分(PID)控制作用PD0Id ( )1 ( )( )d dte tyKe tTe tttT 實際PID控制特性(傳遞函數(shù))如下：pDIDIID1(1)( )11KT sT sG sTsT K sKKI、KD分別為積分與微分常數(shù)。劉玉長劉玉長實際PID控制階躍響應(yīng)曲線 在輸入階躍信號后，微分作用和比例作用同時發(fā)生，PID控制器的輸出Y突然發(fā)生大幅度的變化，產(chǎn)生一個較強的控制作用，這是比例基礎(chǔ)上的微分控制作用，然后逐漸向比例作用下降；接著又隨時間上升，這

6、是積分作用；直到偏差完全消失為止。 劉玉長劉玉長常用控制規(guī)律特點及適用場合PPIPDPID特點(1)速度快(2)有靜差 (1)存在滯后，控制不及時(2)無靜差 (1)超前控制，減小動態(tài)偏差 (2)有靜差結(jié)合P、I、D的優(yōu)點，同時兼顧動態(tài)與靜態(tài)適用場合壓力、流量、液位等的控制(要求低)流量、壓力及高性能液位控制系統(tǒng)溫度、液位控制等(對象存在大慣性)高性能控制系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)等劉玉長劉玉長六、PID控制算式 在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制是被廣泛采用的一種控制策略，在數(shù)字(計算機)控制系統(tǒng)中， PID控制仍被廣泛應(yīng)用。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值(數(shù)字量)計算控制量，因

7、此式中積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。劉玉長劉玉長第三節(jié)執(zhí)行器一、概述執(zhí)行器接受來自控制器的控制信號，通過其本身開度的變化，從而達到控制流量的目的。執(zhí)行器直接與介質(zhì)接觸，常常在惡劣的條件下(高溫與低溫，高壓，強腐蝕，結(jié)晶，閃蒸等)工作，它是控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。執(zhí)行器選用不當(dāng)，會導(dǎo)致控制品質(zhì)的下降，調(diào)節(jié)失靈，甚至造成事故。劉玉長劉玉長(一)執(zhí)行器(閥)的構(gòu)成執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)兩個部分構(gòu)成【有時配備有閥門定位器、手操機構(gòu)等輔助裝置】。執(zhí)行機構(gòu)將控制信號轉(zhuǎn)換為力F(或力矩M)和位移(l和q)，推動控制機構(gòu)動作以改變被控介質(zhì)的流量。(a)框圖框圖 (b)外形外形(氣動氣動)執(zhí)行器

8、的構(gòu)成執(zhí)行器的構(gòu)成執(zhí)行機構(gòu)控制機構(gòu)p0I0F,l(M,q)介質(zhì)流量(開度)劉玉長劉玉長(二)執(zhí)行器的分類執(zhí)行器用途廣泛，種類繁多，分類方法也比較多。一般根據(jù)其使用的能源將執(zhí)行器分為氣動、電動、液動等三大類：(1)氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)是統(tǒng)一的整體，它以壓縮空氣作為能源來操縱調(diào)節(jié)機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡單、動作平穩(wěn)可靠、動作行程小，輸出推力較大、易于維修、安全防爆系數(shù)高，而且價格低，但信號不適于遠傳?？梢圆捎秒?氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器，使傳送信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動信號。(2)電動執(zhí)行器信號傳遞迅速，其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全防爆性能差，故在化工、煉油中很少使用。(3)液動執(zhí)行器可以產(chǎn)生很大的

9、推力，但是體積較大，不適合于在化工、煉油中使用。劉玉長劉玉長氣動、電動執(zhí)行機構(gòu)特點氣動執(zhí)行機構(gòu)氣動執(zhí)行機構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)可靠性可靠性高(簡單、可靠)較低驅(qū)動能源驅(qū)動能源壓縮空氣(設(shè)氣站) 電力，簡單、方便輸出力輸出力大小剛度剛度大小防爆性能防爆性能好，本安型較差，防爆型產(chǎn)品環(huán)境溫度環(huán)境溫度-40+80-10+55價格價格低高劉玉長劉玉長功率控制加熱與溫度控制加熱v功率控制加熱是由溫控器控制輸入輸出信號，由可控可控硅硅調(diào)節(jié)加熱器的加熱功率來控制加熱系統(tǒng)的加熱量。當(dāng)加熱系統(tǒng)的溫度值遠低于設(shè)定值時，則可控硅全功率輸出，加熱器處于全功率工作狀態(tài)。當(dāng)加熱系統(tǒng)的溫度接近設(shè)定值時，則可控硅的功率輸

10、出量會越來越小。一旦溫度達到設(shè)定值，可控硅的功率輸出量即為零。通過功率控制加熱，一方面比較節(jié)能，另一方面溫度控制精度高。v溫度控制加熱一般由接觸器控制加熱器是否加熱，其輸出只有兩個信號，敞開或閉合，即加熱器只能全功率工作或0功率工作。劉玉長劉玉長第四節(jié) 如何確定控制方案控制系統(tǒng)的設(shè)計就是在了解工藝要求基礎(chǔ)上，選擇合適的控制方案、確定相應(yīng)的控制裝置，以使被控量按預(yù)期自動運行。設(shè)計時主要考慮以下幾個環(huán)節(jié)： (1)被控量(輸出)和操縱量(輸入)的確定；(2)檢測變送環(huán)節(jié)的考慮(信息的獲取與變送)；(3)控制作用和控制閥的選擇；(4)控制系統(tǒng)的工程整定和投運。劉玉長劉玉長一、 被控量的選擇原則 作為被

11、控量，必須能夠獲得檢測信號并有足夠大的靈敏度，滯后要小。 必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀表的現(xiàn)狀，檢測點的選取必須合適。被控量的被控量的選擇方法選擇方法(1)選直接參數(shù)。即能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運行的參數(shù)(如鍋爐水位控制) 。(2)選間接參數(shù)。當(dāng)選直接參數(shù)有困難時采用，間接指標(biāo)與直接指標(biāo)之間必須是一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 (如鋅精礦沸騰爐的爐溫控制，爐溫是反映焙砂質(zhì)量的一個間接指標(biāo))。劉玉長劉玉長二、操縱量的選擇操縱量是克服擾動影響、使系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)運行的積極因素，應(yīng)該遵循快速、有效地克服干擾的原則去選擇操縱量。劉玉長劉玉長三、檢測及變送環(huán)節(jié)的考慮 一、檢測及變送環(huán)節(jié)任務(wù)、作用及

12、要求v任務(wù) 對被控量進行正確測量，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準信號。v要求 能正確、及時地反映被控量的狀況，提供操作人員判斷生產(chǎn)工況和系統(tǒng)進行控制作用的依據(jù)。二、檢測變送環(huán)節(jié)特性通常等效為帶滯后的一階慣性特性 【理想特性為比例環(huán)節(jié)】。三、選型注意事項應(yīng)盡量減少其時間常數(shù)與滯后時間。劉玉長劉玉長控制閥選擇內(nèi)容(1)流量特性(實際上就是選線性還是對數(shù)特性，因為拋物線特性閥通常用的很少，而蝶閥當(dāng)導(dǎo)通角為0-70o時近似為對數(shù)特性) ；(2)結(jié)構(gòu)形式；(3)開閉形式； (4)口徑計算。ZXP(ZJHP)型新系列型新系列氣動薄膜直通單座閥氣動薄膜直通單座閥 ZAZN型電動雙座閥型電動雙座閥 劉玉長劉玉長控制閥開閉(

13、作用)形式的選擇控制閥的開(信號增大時閥開大)閉(信號壓力增大閥關(guān)小)形式選擇主要基于以下幾點考慮：安全角度：出現(xiàn)意外，保證人員、設(shè)備安全；質(zhì)量角度：出現(xiàn)意外事故，考慮產(chǎn)品質(zhì)量；消耗角度：考慮原料、成品及動力等的因素；介質(zhì)特點：特殊介質(zhì)，考慮結(jié)晶、蒸發(fā)等因素；控制閥作用方式的選擇要和控制器作用方式的選擇匹配以滿足控制通道作用方向的要求。氣關(guān)閥 氣開閥劉玉長劉玉長高爐過程控制實例劉玉長劉玉長劉玉長劉玉長高爐熱風(fēng)爐儀表控制v高爐料位檢測和布料控制v助燃空氣總管壓力檢測和控制v凈煤氣總管溫度檢測、壓力檢測和控制v熱風(fēng)爐燃燒控制熱風(fēng)爐燃燒控制v熱風(fēng)爐混風(fēng)溫度控制熱風(fēng)爐混風(fēng)溫度控制主要參數(shù)：主要參數(shù)：料位、料位、拱頂溫度、廢氣溫度、廢氣含氧量、拱頂溫度、廢氣溫度、廢氣含氧量、高爐煤氣支管流量、高爐煤氣支管壓力、助燃空氣總高爐煤氣支管流量、高爐煤氣支管壓力、助燃空氣總管溫度、助燃空氣總管壓力、凈煤氣總管溫度、凈煤管溫度、助燃空氣總管壓力、凈煤氣