熱工儀表及自動(dòng)化課程

承德石油高等專科學(xué)校重點(diǎn)課程建設(shè)

熱工儀表及自動(dòng)化

（適用于熱工、制冷、儲(chǔ)運(yùn)、智建專業(yè)）

熱工儀表教研室第六章常用自動(dòng)控制系統(tǒng)分析主要內(nèi)容單回路自控系統(tǒng)分析及整定串級(jí)控制系統(tǒng)分析及整定前饋--反饋控制系統(tǒng)分析其它控制系統(tǒng)分析§6-1單回路自控系統(tǒng)分析及整定搞清楚單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則，了解系統(tǒng)投運(yùn)的過程

被控變量的選擇操縱變量的選擇在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)檢測變送環(huán)節(jié)的考慮調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇一、單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被控變量的選擇儲(chǔ)罐HTHC差壓變送器液位調(diào)節(jié)器執(zhí)行器直接控制變量被控變量的選擇進(jìn)料回流罐冷卻劑蒸汽塔底產(chǎn)品塔頂產(chǎn)品回流精餾塔再沸器間接控制操縱變量的選擇控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響放大系數(shù)K的影響時(shí)間常數(shù)T的影響純滯后τ0的影響擾動(dòng)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響操縱變量必須是工藝上允許控制的變量操縱變量對(duì)被控變量的影響應(yīng)比擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響更靈敏應(yīng)使主要擾動(dòng)進(jìn)入的位置靠近調(diào)節(jié)閥，遠(yuǎn)離被控變量的檢測元件對(duì)檢測變送環(huán)節(jié)的考慮純滯后PH值控制系統(tǒng)示意圖式中：分別為主管道，支管道的長度和液體流速對(duì)檢測變送環(huán)節(jié)的考慮YYT減小滯后的辦法：正確選擇檢測元件的安裝位置選用快速檢測元件在檢測元件之后引入微分作用，以補(bǔ)償測量滯后的動(dòng)態(tài)誤差信號(hào)傳送滯后信號(hào)傳送滯后:是指氣壓信號(hào)在管路傳送過程中所引起的滯后減小的的辦法：盡量縮短氣壓信號(hào)的的長度使用氣-電轉(zhuǎn)換器按實(shí)際情況采用基地式調(diào)節(jié)器，以消除變送器到調(diào)節(jié)器之間的信號(hào)傳送滯后調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響YT

PIPPIDPD各種控制作用過渡過程比較調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的的選擇位式調(diào)節(jié)器：適用于滯后較小，負(fù)荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高比較控制：是最基本的控制規(guī)律，它的輸入，輸出成比例比例積分控制：用于控制通道滯后小，負(fù)荷變化不大，工藝上允許有余差的場合比例微分控制：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程，改善了控制質(zhì)量二、單回路控制系統(tǒng)整定

調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定：就是在一個(gè)已經(jīng)調(diào)校好的控制系統(tǒng)中，去選擇和設(shè)置合適的調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間，使調(diào)節(jié)器與過程的特性相適應(yīng)，來改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，獲取最佳控制效果系統(tǒng)整定方法：臨界比例度法衰減曲線法經(jīng)驗(yàn)法臨界比例度法具體整定方法：在閉合運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，將調(diào)節(jié)器的Ti置最大，Td置零，系統(tǒng)處于純比例作用之下根據(jù)臨界過程參數(shù)(即δk和Tk)，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)值δ、Ti、Td。將比例度調(diào)在比計(jì)算值略大一點(diǎn)，積分時(shí)間和微分時(shí)間分別置于計(jì)算值上，觀察過渡過程曲線逐漸將比例度降至計(jì)算值，適當(dāng)調(diào)整和修改Ti和Td，直至獲得滿意的過渡過程曲線為止

衰減曲線法具體整定方法：在閉合運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，將調(diào)節(jié)器的Ti置最大、Td置零，使系統(tǒng)處于純比例作用下，比例度放大較大的數(shù)值上，待系統(tǒng)穩(wěn)定用改變?cè)O(shè)定值的辦法加入階躍擾動(dòng)，觀察記錄曲線的衰減比直到出現(xiàn)4:1衰減比為止，記下此時(shí)的比例度δs，并從過渡過程曲線上求出衰減振蕩周期Ts根據(jù)δs、Ts、按表5-2中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)值δs、Ts、Ti、Td。將調(diào)節(jié)器的比例度放在比計(jì)算值稍大的數(shù)值上，Ti、Td分別置于計(jì)算值上，觀察過渡過程曲線，逐漸將比例度降至計(jì)算值上，圩至過渡過程曲線滿意為止經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)湊試法的兩種整定順序

認(rèn)為比例作用是基本作用，采用先比例、后積分微分的順序

閉合運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，將調(diào)節(jié)器的Ti置最大、Td置零、δ取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改變?cè)O(shè)定值加入擾動(dòng)，觀察記錄曲線，若超調(diào)量大且趨于非周期，應(yīng)減小比例度；若振蕩過于劇烈，則應(yīng)加大比例度，使系統(tǒng)達(dá)到4:1衰減振蕩的過渡過程為止在積分作用之前，需將已湊試好的比例度加大10-20%，然后再將積分時(shí)間Ti由大到小進(jìn)行湊試，若曲線回復(fù)時(shí)間很長，應(yīng)減小Ti；若曲線波動(dòng)較大則應(yīng)增大Ti，直到系統(tǒng)達(dá)到4:1衰減振蕩的過渡過程為止若系統(tǒng)需加入微分作用，δ應(yīng)取得比純比例作用時(shí)更小些，Ti也應(yīng)減小些，一般先取Td=(1/3～1/4)Ti，將微分時(shí)間Td由小到大湊試，若曲線超調(diào)量大而衰減慢，應(yīng)增大Td；若曲線振蕩厲害則應(yīng)減小Td，同時(shí)觀察曲線，適當(dāng)調(diào)整Ti、δ，以使過渡時(shí)間短、超調(diào)量小，控制質(zhì)量達(dá)到工藝要求為止調(diào)節(jié)器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值δT1（分）TD（分）壓力30~700.4~3液位20~801~5流量40~1000.1~1溫度20~603~100.5~3調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)整定法的關(guān)鍵是──看曲線、調(diào)參數(shù)一般情況下，調(diào)節(jié)器的比例度過小、或積分時(shí)間過短、或微分時(shí)間過長，都會(huì)產(chǎn)生周期性的劇烈振蕩，甚至等幅振蕩如果比例度過大或積分時(shí)間過長，都會(huì)使過渡過程變化緩慢，不能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)整定過程過程中，除調(diào)節(jié)器參數(shù)影響過程曲線外，系統(tǒng)中的變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等調(diào)校不良、選擇不當(dāng)以及系統(tǒng)中存在正弦干擾等等原因，都會(huì)引起被控變量的振蕩，都會(huì)在過渡過程曲線中反映出來，要進(jìn)行具體分析，正確判別其原因三、單回路控制系統(tǒng)的投運(yùn)

準(zhǔn)備工作熟悉工藝過程

現(xiàn)場校驗(yàn)檢查調(diào)節(jié)器的正、反作用方向及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式系統(tǒng)投放安裝示意圖DTL-121型調(diào)節(jié)器組成控制的投放QTL-500型氣動(dòng)調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)的投放蒸汽LTLT正作用氣關(guān)閥給水鍋爐水位控制系統(tǒng)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥采用氣關(guān)式，一旦調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)中斷時(shí)，閥門自動(dòng)打開，給鍋爐供水，以防止鍋爐燒干而出事故載熱體汽關(guān)閥冷物料反作用TCTT換熱器出口溫度控制換熱器出口溫度控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)閥采用氣開式，一旦調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)中斷時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉，以防止換熱器溫度不斷升高而使被加熱物料分解系統(tǒng)投運(yùn)系統(tǒng)投運(yùn)一般要經(jīng)過現(xiàn)場人工操作、手動(dòng)遙控、自運(yùn)控制等三個(gè)步驟：123調(diào)節(jié)器安裝示意圖§6-2串級(jí)控制系統(tǒng)分析及整定串聯(lián)控制系統(tǒng)概述加熱爐出口溫度與爐膛溫度串聯(lián)控制系統(tǒng)串聯(lián)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及其方塊圖串聯(lián)控制的工作過程串聯(lián)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用場合對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有較快，較強(qiáng)的能力可以改善過程的特性可以消除副過程和調(diào)節(jié)閥非線形特性的影響一、串級(jí)控制系統(tǒng)串聯(lián)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)副變量的選擇和副回路的設(shè)計(jì)副回路必須包括主要擾動(dòng)和較多個(gè)擾動(dòng)副回路必須使主、副過程的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯適當(dāng)匹配主、副回路變量間在工藝上有一定的內(nèi)在聯(lián)系、考慮工藝的合理和經(jīng)濟(jì)性主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的確定加熱爐出口溫度與爐膛溫度的串聯(lián)控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)能把所有的擾動(dòng)都包括在控制回路之中，并用一個(gè)溫度調(diào)節(jié)器來教正擾動(dòng)的影響溫度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥爐膛爐膛壁出口管溫度檢測變送器設(shè)定+系統(tǒng)方框圖加熱爐出樓溫度串聯(lián)控制系統(tǒng)解決滯后時(shí)間大與控制質(zhì)量要求高之間的矛盾，保持加熱爐出口溫度為某一定值串聯(lián)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及其方塊圖串級(jí)控制系統(tǒng)是由兩個(gè)檢測變送器、兩個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥組成的。兩個(gè)調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，其中主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器的輸出才送往調(diào)節(jié)閥，其組成方塊圖如圖

：系統(tǒng)方框圖主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副過程主過程主檢測變送器設(shè)定+副檢測變送器串聯(lián)控制系統(tǒng)的工作過程

串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程，就是指在擾動(dòng)作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。以加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)為例：溫度調(diào)節(jié)器1溫度調(diào)節(jié)器2調(diào)節(jié)閥溫度過程2溫度過程1主檢測變送器設(shè)定+副檢測變送器加熱出口溫度串聯(lián)控制系統(tǒng)方框圖串聯(lián)控制系統(tǒng)的工作過程一旦系統(tǒng)受到擾動(dòng)破壞了平衡，引起主、副變量偏離設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)的主、副調(diào)節(jié)器便進(jìn)行工作，根據(jù)擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置的不同，可分為以下三種情況：擾動(dòng)作用于副回路擾動(dòng)作用于主過程擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過程

串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn)及適用場合

在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于副回路的存在，對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力；由于副回路的存在，改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，加快了系統(tǒng)的工作頻率，提高了控制質(zhì)量。此外，副回路的快速隨動(dòng)特性，使串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。因此當(dāng)過程的時(shí)間常數(shù)大，滯后大，負(fù)荷變化大，擾動(dòng)作用大而頻繁，對(duì)于控制品質(zhì)要求又高，單回路控制不能滿足要求時(shí)，則宜采用串級(jí)控制系統(tǒng)。在熱力生產(chǎn)過程中，鍋爐給水控制系統(tǒng)、過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)都大量采用串級(jí)控制系統(tǒng)副回路必須包括主要擾動(dòng)和較多個(gè)擾動(dòng)加熱爐出口溫度與燃料流量串聯(lián)控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)中，若主要擾動(dòng)是爐膛壓力和燃料熱值的變化，它們都要先反映在爐膛溫度的變化上，故選爐膛溫度為副變量，使主要擾動(dòng)進(jìn)入副回路聚合釜串級(jí)控制系統(tǒng)

副過程的動(dòng)態(tài)特性將大大改善，可以充分發(fā)揮副回路的長處，構(gòu)成加熱爐出口溫度與燃料流量串級(jí)的控制系統(tǒng)。如圖。這種串級(jí)控制方案的應(yīng)用是很多的

副回路必須使主、副過程的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯適當(dāng)匹配在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，主、副回路間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系十分密切，具有相互關(guān)聯(lián)作用。當(dāng)主、副過程的時(shí)間常數(shù)相近時(shí)，主、副回路的工作頻率也就很接近，這樣，在擾動(dòng)作用下，不論哪個(gè)變量發(fā)生振蕩，必然引起另一個(gè)變量也振蕩，它們相互影響，使主、副變量大幅度地變化，系統(tǒng)不能正常工作，產(chǎn)生“共振”。共振現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行很不利，其防止的措施是：在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將主、副過程的時(shí)間的常數(shù)錯(cuò)開；在運(yùn)行中整定調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)把主、副回路的工作頻率拉開。主、副變量間在工藝上應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系在串級(jí)控制中引入副變量，是為了提高和保證主變量的控制質(zhì)量。當(dāng)主變量選定以后，選擇的副變量與主變量之間必須要有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖上看，操縱變量的變化，首先是影響副變量，再由副變量去影響主變量，主、副變量間在工藝上有串聯(lián)對(duì)應(yīng)的關(guān)系。也就是說，控制好所選的副變量就能使主變量盡快回到或穩(wěn)定在設(shè)定值上。主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇序號(hào)工藝對(duì)主、副變量的要求應(yīng)選控制規(guī)律主變量副變量主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器1重要儀表，要求很高要求不高，允許有余差PIDP2主要指標(biāo)，要求較高主要指標(biāo)，要求較高PIPI3要求不高，互相協(xié)調(diào)要求不高，互相協(xié)調(diào)PP不同情況下選用的控制規(guī)律主副調(diào)節(jié)器正、反作用的確定在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，在系統(tǒng)投運(yùn)和整定之前，必須確定主副調(diào)節(jié)器的正、反作用。串級(jí)控制系統(tǒng)中，副調(diào)節(jié)器的正、反作用是根據(jù)調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)決定的；主調(diào)節(jié)器的正、反作用是根據(jù)副變量對(duì)主量的影響確定的，一般與調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式無關(guān)，只有在要求系統(tǒng)進(jìn)行主控時(shí)，才考慮調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式。

§6-3前饋--反饋控制系統(tǒng)分析前饋控制系統(tǒng)反饋控制能將引起被控變化的所有擾動(dòng)都包括在系統(tǒng)之中，調(diào)節(jié)器是按偏差進(jìn)行工作的。因此只有在擾動(dòng)使被控變量偏離設(shè)定值以后，調(diào)節(jié)器才進(jìn)行控制，以克服擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。前饋控制是改善和克服反饋控制不及時(shí)性的另一種控制方法。它是利用補(bǔ)償原理，采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，按擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行控制的前饋--反饋控制系統(tǒng)載熱體汽關(guān)閥冷物料反作用TCTT工藝要求保持加熱器出口溫度為某一定值。影響加熱器出口溫度的因素很多，有進(jìn)料流量和溫度的變化（用擾動(dòng)ｆ1表示）、加熱蒸汽壓力的變化（用擾動(dòng)ｆ2表示）等等。加熱器出口溫度的反饋控制系統(tǒng)如圖所示載熱體汽關(guān)閥冷物料反作用FFCFT如果進(jìn)料流量的變化很大而且頻繁，是影響加熱器出口溫度的主要擾動(dòng)，加熱器的滯后現(xiàn)象又較顯著單回路反饋控制達(dá)不到工藝的要求，這時(shí)可以采用前饋控制，如圖

反饋控制與前饋控制的不同系統(tǒng)的檢測信號(hào)不同。前者是被控變量，后者是擾動(dòng)量系統(tǒng)控制的依據(jù)不同。前者是偏差的大小，后者是擾動(dòng)量的大小控制模式不同。前者采用常規(guī)的ＰＩＤ調(diào)節(jié)器，能校正包括在系統(tǒng)中的全部擾動(dòng)（ｆ1、ｆ2等），而后者只能對(duì)引入補(bǔ)償裝置的擾動(dòng)量進(jìn)行校正載熱體汽關(guān)閥冷物料反作用FFCFT+TCTT圖是換熱器的前饋－反饋控制系統(tǒng)，它是單回路反饋控制與前饋控制的組合。系統(tǒng)中前饋控制補(bǔ)償進(jìn)料量的變化，反饋控制則克服其它擾動(dòng)因素。系統(tǒng)的校正作用是前饋補(bǔ)償裝置FFC和溫度調(diào)節(jié)器TC輸出信號(hào)的疊加，通過加法器相加以后送往調(diào)節(jié)閥，能較快地把物料出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上圖是加熱爐的前饋－反饋控制系統(tǒng)。若負(fù)荷變化是主要擾動(dòng)原料的流量檢測信號(hào)直接送往前饋補(bǔ)償裝置FFC，補(bǔ)償后的輸出與爐出口溫度調(diào)節(jié)器TC的輸出相疊加以后，去控制燃料流量，這樣的控制系統(tǒng)能使?fàn)t出口溫度的穩(wěn)定程度大大提高汽包給水爐膛蒸汽燃料反反LS鍋爐蒸汽壓力選擇性控制系統(tǒng)圖為輔助鍋爐蒸汽壓力