化工儀表第七章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

1、第七章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) 第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成組成組成：被控對(duì)象+自動(dòng)化裝置簡(jiǎn)單（簡(jiǎn)單（單回路單回路）控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)蒸汽汽包給水省煤器鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) LT LC 被控對(duì)象被控對(duì)象：鍋爐汽包被控變量被控變量：汽包液位操縱變量操縱變量：進(jìn)水流量主要干擾主要干擾：蒸汽量的變化 控制過(guò)程分析控制過(guò)程分析(1)(1)平衡狀態(tài)：平衡狀態(tài)： 當(dāng)給水量和蒸汽量均不變的情況下，控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，并將保持這個(gè)狀態(tài)，直到有新的干擾產(chǎn)生。(2)(2)干擾分析：干擾分析：閥前壓力進(jìn)水流量液位蒸汽需要量液位第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成： 控制流程圖中，測(cè)量變送環(huán)節(jié)可省略不畫(huà)

2、第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成LTLC液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)TCTT載熱體換熱器冷流體 第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 不同控制系統(tǒng) 同方塊圖 簡(jiǎn)單反饋控制系統(tǒng)反饋回路 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資低、操作維護(hù)方便，應(yīng)用廣泛（占85%） 本章：基本原則, y/q選擇, PID選擇及參數(shù)整定控制器偏差給定值執(zhí)行器pq對(duì) 象干擾被控變量測(cè)量變送裝置測(cè)量值簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖 第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 被控變量被控變量：生產(chǎn)中保持恒定恒定或按一定規(guī)律變化按一定規(guī)律變化的變量 重要性重要性：關(guān)系到穩(wěn)定操作、提高產(chǎn)量、質(zhì)量、保證安全，關(guān)系到控制方案的成敗。 在

3、過(guò)程工業(yè)裝置中，為實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工藝目標(biāo)往往有許多個(gè)工藝變量或參數(shù)可以被選擇作為被控變量，也只有在這種情況下，被控變量的選擇才是重要的問(wèn)題。在多個(gè)變量中選擇被控變?cè)诙鄠€(gè)變量中選擇被控變量量應(yīng)深入研究，找出“關(guān)鍵變量關(guān)鍵變量”作為被控變量 第二節(jié) 被控變量的選擇 關(guān)鍵變量關(guān)鍵變量：對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決決定性定性的作用，而人工操作又難以滿(mǎn)足難以滿(mǎn)足要求，或人工操作雖可滿(mǎn)足要求，但緊張、頻繁的變量緊張、頻繁的變量。 控制型式控制型式：直接直接指標(biāo)控制與間接間接指標(biāo)控制 直接指標(biāo)控制直接指標(biāo)控制：被控變量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（P、T、F、L、成分等） 間接指標(biāo)控制間接指標(biāo)控制：工藝按照質(zhì)

4、量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)操作時(shí)，缺乏缺乏檢測(cè)手段，或雖能檢測(cè)，但信號(hào)很微弱或滯后很大，選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系、反應(yīng)快的另一變量另一變量（ P、T ）作為間接控制指標(biāo) 第二節(jié) 被控變量的選擇 精餾過(guò)程工作原理精餾過(guò)程工作原理： 利用被分離物各組分的揮發(fā)度不同，把混合物中的各組分進(jìn)行分離。 若塔頂（或塔底）餾出物xD（或xW）被控被控變量變量 若檢測(cè)困難或滯后太大，需間接指標(biāo)控制 二元系統(tǒng)，氣液兩相并存：xDTDp 第二節(jié) 被控變量的選擇 壓力壓力p恒定恒定時(shí)，組分xD和溫度TD存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系： xD TD xD TD 溫度/苯的百分含量/%020 40 60 80 10070809010011

5、0120苯甲苯溶液的Tx圖0.050.0750.100.125壓力/MPa苯的百分含量/%020 40 60 80 1000.025苯甲苯溶液的px圖溫度溫度TD 恒定恒定時(shí)，組分xD和壓力p存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系： xD p xD p 第二節(jié) 被控變量的選擇 溫度溫度被控變量被控變量 原因原因：工藝合理性工藝合理性 第一、精餾塔操作中，壓力需固定。 塔壓固定塔壓固定保證塔的分離純度、效率和經(jīng)濟(jì)性 塔壓波動(dòng)塔壓波動(dòng) 破壞汽液平衡、影響相對(duì)揮發(fā)度、處于不良工況； 塔壓變化塔壓變化物料量的變化、負(fù)荷波動(dòng) 第二、塔壓固定塔壓固定，各層塔板上的壓力基本不變溫度組分單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。 固定壓力，溫度被控變量合理。

6、 xD變化時(shí)，TD應(yīng)有足夠的靈敏度靈敏度，易被感受。 第二節(jié) 被控變量的選擇 被控變量具獨(dú)立性獨(dú)立性 精餾操作中，塔頂、塔底溫度控制系統(tǒng) 塔底溫度塔底溫度上升蒸汽溫度塔頂溫度 塔頂溫度塔頂溫度回流液溫度 塔底溫度 塔底溫度和塔頂溫度互相干擾塔底溫度和塔頂溫度互相干擾 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)只能保證一端的產(chǎn)品質(zhì)量 若要同時(shí)保證，需復(fù)雜控制系統(tǒng) 第二節(jié) 被控變量的選擇 被控變量選擇原則：被控變量選擇原則： （1）能代表一定的工藝操作指標(biāo)、狀態(tài)關(guān)關(guān)鍵變量鍵變量 （2）經(jīng)常受到干擾影響變化，需頻繁調(diào)節(jié)需頻繁調(diào)節(jié) （3）選直接指標(biāo)直接指標(biāo)；無(wú)法獲得或滯后較大間接指標(biāo)（有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系） （4）應(yīng)能測(cè)出，有足夠大的靈

7、敏度靈敏度 （5）考慮工藝合理性工藝合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀 （6）應(yīng)獨(dú)立可控獨(dú)立可控二、操縱變量的選擇 一、操縱變量一、操縱變量 定義：定義：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把用來(lái)克服干擾克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱(chēng)為操縱變量操縱變量。 操縱變量介質(zhì)的流量、轉(zhuǎn)速、電壓LTLC液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)蒸汽出料進(jìn)料TC凝液 第三節(jié) 操縱變量的選擇 影響被控變量的因素影響被控變量的因素： 可控、不可控 選擇原則選擇原則： 在影響被控變量的諸因素中，選擇一個(gè)一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著影響顯著而且可控性良好可控性良好的輸入，作為操縱變量操縱變量，其他未選中的所有輸入量系統(tǒng)

8、干擾系統(tǒng)干擾 精餾設(shè)備，靈敏板溫度靈敏板溫度被控變量塔底產(chǎn)品的成分 第三節(jié) 操縱變量的選擇 影響提餾段靈敏板溫度影響提餾段靈敏板溫度T靈靈的因素主要有的因素主要有 可控可控：回流量、蒸汽流量 不可控不可控：其他 其中Q入入、塔壓塔壓可調(diào)但不允許： Q入波動(dòng)生產(chǎn)負(fù)荷；塔壓工況、Tx蒸汽流量蒸汽流量對(duì)提餾段溫度影響更及時(shí)、更顯著耗能更少。被控變量T靈Q入T入x入Q蒸Q回影響提餾段溫度的影響提餾段溫度的各種因素示意圖各種因素示意圖蒸汽流量蒸汽流量操縱變量操縱變量 操縱變量的選擇 二、對(duì)象特性對(duì)選擇操二、對(duì)象特性對(duì)選擇操縱變量的影響縱變量的影響 干擾變量干擾變量：由干擾通道干擾通道施加在對(duì)象上，起破壞

9、作用，使被控變量偏離給定值； 操縱變量操縱變量：由控制通道控制通道施加在對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起校正作用。 考慮對(duì)象特性考慮對(duì)象特性操縱變量干擾被控變量干擾通道控制通道干擾通道與控制干擾通道與控制通道的關(guān)系通道的關(guān)系 操縱變量的選擇 1、對(duì)象靜態(tài)特性的影響、對(duì)象靜態(tài)特性的影響 選擇操縱變量操縱變量q時(shí)，控制通道控制通道的放大系數(shù)Ko要要大大 Ko大小表征了q對(duì)被控變量y的影響程度。 Ko越大，控制作用對(duì)y影響越顯著影響越顯著，使控制更有控制更有效。從效。從控制的有效性越高考慮， Ko越大越好； 但是Ko過(guò)大過(guò)大，過(guò)于靈敏，使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。 干擾通道干擾通道的放大系數(shù)Kf要小，要小，

10、 Kf越小越好越小越好。Kf小，小，干擾對(duì)y影響不大，過(guò)渡過(guò)程的超調(diào)量不大超調(diào)量不大 從靜態(tài)特性靜態(tài)特性考慮，選擇放大系數(shù)大放大系數(shù)大的可控變量作為操縱變量操縱變量。 操縱變量的選擇 2、對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的影響對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的影響 （1）控制通道時(shí)間常數(shù)的影響）控制通道時(shí)間常數(shù)的影響 控制作用控制通道對(duì)象；控制通道時(shí)間常數(shù)To不能過(guò)大，使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)。 對(duì)象控制通道對(duì)象控制通道To小小反應(yīng)靈敏、控制及時(shí)反應(yīng)靈敏、控制及時(shí) 精餾塔中提餾段T：回流量通道長(zhǎng)T大 加熱蒸汽量通道短T小 （2）控制通道純滯后）控制通道純滯后0的影響的影響 控制通道的物料輸送、能量傳遞都需一定時(shí)

11、間純滯后0 操縱變量的選擇 C干擾作用，A、B校正作用，D、E同時(shí)作用 正偏差信號(hào)：對(duì)象控制通道無(wú)純滯后 D；有純滯后 E；純滯后使超調(diào)量增加。 負(fù)偏差信號(hào)：有純滯后 被控變量繼續(xù)下降振蕩加劇、時(shí)間長(zhǎng)、不穩(wěn)定 選擇操縱變量時(shí)應(yīng)使對(duì)象控制控制通道的純滯后通道的純滯后0盡量小盡量小ytt0ABCED純滯后純滯后0對(duì)于控制對(duì)于控制質(zhì)量的影響質(zhì)量的影響0 第三節(jié) 操縱變量的選擇 （3）干擾通道時(shí)間常數(shù)的影響）干擾通道時(shí)間常數(shù)的影響 干擾通道的時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)Tf越大越大，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于控制越有利于控制。 （4）干擾通道純滯后）干擾通道純滯后f的影響的影響 干擾通道有純滯后f，干擾

12、對(duì)被控變量的影響推遲時(shí)間f ，控制作用也推遲時(shí)間f ，只要控制通只要控制通道無(wú)純滯后，不影響控制質(zhì)量。道無(wú)純滯后，不影響控制質(zhì)量。 操縱變量的選擇 三、操縱變量的選擇原則三、操縱變量的選擇原則 在選定被控變量后，要確定操縱變量。實(shí)際上，兩者放在一起綜合考慮。操縱變量的選取應(yīng)遵循操縱變量的選取應(yīng)遵循下列原則：下列原則：（1）須可控，工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；（2）應(yīng)比其它干擾對(duì)被控變量影響更靈敏對(duì)被控變量影響更靈敏。 控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù)o o要盡量大一些，時(shí)間常要盡量大一些，時(shí)間常數(shù)數(shù)o o適當(dāng)小些，純滯后時(shí)間盡量小。適當(dāng)小些，純滯后時(shí)間盡量小。使干擾通使干擾通道的放大系數(shù)盡可能地

13、小，時(shí)間常數(shù)盡可能地大道的放大系數(shù)盡可能地小，時(shí)間常數(shù)盡可能地大（3）工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動(dòng)； 應(yīng)盡量降低物料和能量消耗。三、測(cè)量元件特性的影響 被控變量選擇好之后，被控變量如何測(cè)量仍然有諸多因素需要考慮，以便更靈敏更快速更及時(shí)和更經(jīng)濟(jì)地測(cè)得被控變量。 測(cè)量、變送環(huán)節(jié)控制的依據(jù)失調(diào)、誤調(diào) 一、測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)一、測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù) 測(cè)量元件（T）時(shí)間常數(shù)測(cè)量滯后 測(cè)量元件特性的影響 時(shí)間常數(shù)大失真信號(hào)控制質(zhì)量 解決：快速測(cè)量元件、加微分作用 測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)Tm對(duì)象時(shí)間常數(shù)的對(duì)象時(shí)間常數(shù)的1/10時(shí)，影響不大時(shí)，影響

14、不大。 影響因素： 測(cè)量元件安裝問(wèn)題、維護(hù) F、T：安裝不正確精度失真控制質(zhì)量 維護(hù)、檢查（惡劣條件） ：熱電偶表面結(jié)晶或結(jié)焦 Tm控制質(zhì)量 測(cè)量元件特性的影響 二、測(cè)量元件的純滯后二、測(cè)量元件的純滯后 測(cè)量純滯后(控制通道)嚴(yán)重控制質(zhì)量 原因：安裝位置 被控變量中和槽出口溶液的pH值 純滯后 引入微分作用無(wú)用22110vlvl 測(cè)量元件特性的影響 三、信號(hào)的傳送滯后三、信號(hào)的傳送滯后 測(cè)量測(cè)量信號(hào)傳送滯后+控制控制信號(hào)傳送滯后 定義： 測(cè)量測(cè)量信號(hào)傳送滯后：由現(xiàn)場(chǎng)變送器信號(hào)傳送到控制室的控制器所引起的滯后。氣動(dòng)信號(hào) 控制控制信號(hào)傳送滯后：控制室內(nèi)控制器的輸出信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所引起的滯后。

15、氣動(dòng)薄膜控制閥容量滯后 信號(hào)傳送滯后信號(hào)傳送滯后與對(duì)象控制通道的滯后對(duì)象控制通道的滯后影響相同解決：氣壓管路300m，直徑6mm；閥門(mén)定位器、氣動(dòng)繼動(dòng)器增大功率；電信號(hào)傳遞 四、控制器控制規(guī)律的選擇 一、控制器控制規(guī)律的確定 在控制系統(tǒng)投運(yùn)前，儀表選型確定以后： 對(duì)象的特性固定；測(cè)量元件及變送器的特性一般也不可改變；執(zhí)行器+閥門(mén)定位器可有一定程度的調(diào)整，但靈活性不大； 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)組成：廣義對(duì)象+控制器 主要可改變參數(shù)的是控制器。系統(tǒng)設(shè)置控制器改變整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，以達(dá)控制的目的?？刂破髌罱o定值廣義對(duì)象干擾被控變量測(cè)量值簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖 控制器控制規(guī)律的選擇 控制器主要控制規(guī)律：位式

16、、P、PI、PD、 PID 選擇原因：廣義對(duì)象特性和工藝要求 1、位式控制 常見(jiàn)的位式控制有雙位。雙位控制輸出p與輸入偏差e之間的關(guān)系為：P=PmaxPmine0e0P=PmaxPmine0e0或適用場(chǎng)合：一般適用于滯后較小，負(fù)荷變化不大也不劇烈，控制質(zhì)量要求不高，允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的場(chǎng)合，如恒溫箱、電阻爐等的溫度控制。 控制器控制規(guī)律的選擇2、比例控制 它是最基本的控制規(guī)律。比例控制器的輸出p與輸入偏差e之間的關(guān)系為： 可調(diào)參數(shù)Kp或 單元組合儀表=1/Kp100%特點(diǎn)：當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，克服干擾能力強(qiáng)，控制作用及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但過(guò)程終了時(shí)存在余差，且負(fù)荷變化越大余差也越大。適用

17、場(chǎng)合：控制通道滯后較小、時(shí)間常數(shù)不太大、干擾幅度較小，負(fù)荷變化不大、控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場(chǎng)合。如貯罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。eKpp 控制器控制規(guī)律的選擇3、比例積分控制 PI控制器的輸出p與輸入偏差e之間的關(guān)系為： 可調(diào)參數(shù)：Kp或、TI特點(diǎn)： 引入積分作用能消除余差，故PI控制是使用最多、應(yīng)用最廣的控制規(guī)律。 但是，加入積分作用后要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必須（削弱比例作用），使控制質(zhì)量有所下降，如最大偏差A(yù)和振蕩周期相應(yīng)增大，過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。)1(edtTeKpIp 控制器控制規(guī)律的選擇適用場(chǎng)合：對(duì)于控制通道滯后小，負(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場(chǎng)合

18、，如流量F或壓力P、液位L的控制。4、比例微分控制 比例微分控制器的輸出p與輸入偏差e之間的關(guān)系為： 可調(diào)參數(shù)：Kp或、TD dtdeTeKpDp 控制器控制規(guī)律的選擇特點(diǎn)： 引入了微分，會(huì)有超前控制作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過(guò)程，改善了控制質(zhì)量。適用場(chǎng)合： 比例微分控制適用于對(duì)象容量滯后較大的場(chǎng)合。對(duì)于滯后很小和干擾作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避免使用微分作用。 控制器控制規(guī)律的選擇5、比例積分微分控制比例積分微分控制的輸出p與輸入偏差e之間的關(guān)系為： 可調(diào)參數(shù)：Kp或、TI、TD 特點(diǎn)：微分作用微分作用對(duì)于克服容量滯后克服容量滯后有顯著效果，對(duì)克服純滯后是無(wú)能為

19、力的。在P的基礎(chǔ)上加上D能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加上I作用能消除余差，又有、TI 、TD三個(gè)可調(diào)參數(shù)可獲得較高的控制質(zhì)量適用場(chǎng)合：容量滯后大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，如反應(yīng)器、聚合釜的溫度控制。dtdeTedtTeKpDIp1選擇控制規(guī)律的原則可歸納為以下幾點(diǎn)： (1)當(dāng)廣義對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)大，或多容量引起的容量滯后大時(shí)，采用微分作用有良好效果，積分作用可以消除余差，因此，可選用PID或PD控制規(guī)律，如溫度過(guò)程，此時(shí)若選用PI控制規(guī)律則因積分作用有滯后，控制質(zhì)量差。(2)當(dāng)廣義對(duì)象控制通道存在純滯后時(shí)，若用微分作用來(lái)改善控制質(zhì)量是無(wú)效的。即，微分作用對(duì)克服純滯后無(wú)能為力 控制器控

20、制規(guī)律的選擇 二、控制器正、反作用的確定 自動(dòng)控制系統(tǒng)是被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)：控制作用干擾作用影響相反 控制器正反作用 能否正常運(yùn)行與安全操作 被控對(duì)象、測(cè)量元件及變送器、執(zhí)行器、控制器都有各自的作用方向，組合結(jié)果如果為正反饋，破壞生產(chǎn)，故應(yīng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 作用方向：輸入變化后，輸出的變化方向。 正作用：某環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，輸出也增加；反作用：某環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，輸出減少。 控制器控制規(guī)律的選擇 測(cè)量元件及變送器作用方向：正作用 整個(gè)控制系統(tǒng)還需考慮控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象各個(gè)環(huán)節(jié)的作用方向，組合后為負(fù)反饋。 控制器控制規(guī)律的選擇控制器給定值執(zhí)行器對(duì)象q測(cè)量元件變送器干擾作用fpexzy被控變量操縱變量控制器輸出偏差測(cè)量值 執(zhí)行器作用方向取決于氣開(kāi)閥、氣關(guān)閥 當(dāng)控制器輸出信號(hào)增加時(shí)，氣開(kāi)閥的開(kāi)度增加，流過(guò)閥的流體流量也增加氣開(kāi)閥為正作用； 相反，氣關(guān)閥接收的信號(hào)增加，流過(guò)閥的流體流量減少，氣關(guān)閥為反作用； 氣開(kāi)氣關(guān)工藝安全角度確定 控制器控制規(guī)律的選擇控制器給定值執(zhí)行器對(duì)象q測(cè)量元件變送器干擾作用fpexzy被控變量操縱變量控制器輸出偏差測(cè)量值 被控對(duì)象的作用方向： 操縱變量，被控變量的對(duì)象正作用操縱變量，被控變量的對(duì)象反作用 控制器控制規(guī)律的選擇控制器給定值執(zhí)行器