簡單控制系統組成原理

簡單控制系統組成原理第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2023年5月6日

北京石油化工學院自動化系2/49簡單控制系統組成原理過程控制系統設計步驟12檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器

3被控變量與操縱變量的選擇第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2023年5月6日

北京石油化工學院自動化系1、過程控制系統設計步驟3/49以加熱爐的控制為例ORC：氧氣流量控制器TRC：溫度控制器

PC：燃料壓力控制器◆確定控制目標⑴在安全運行條件下，保證熱油出口溫度穩(wěn)定；⑵在安全運行條件下，保證熱油出口溫度穩(wěn)定、煙氣含氧量穩(wěn)定；⑶在安全運行條件下，保證熱油出口溫度穩(wěn)定，而且加熱爐熱效率最高；第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4/491、過程控制系統設計步驟◆選擇測量參數（被控量）ORC：氧氣流量控制器TRC：溫度控制器

PC：燃料壓力控制器對于目標⑴：對于目標⑵：對于目標⑶：

熱油出口溫度熱油出口溫度、煙氣含氧量熱油出口溫度、加熱爐熱效率（煙氣含氧量、排煙溫度、一氧化碳）第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三5/491、過程控制系統設計步驟◆操作量的選擇ORC：氧氣流量控制器TRC：溫度控制器

PC：燃料壓力控制器對于目標⑴：對于目標⑵：對于目標⑶：

燃油流量或熱油流量燃油流量或熱油流量、氧氣流量（煙道擋板、送風擋板）燃油流量或熱油流量、氧氣流量（煙道擋板、送風擋板）第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三◆控制方案的確定ORC：氧氣流量控制器TRC：溫度控制器

PC：燃料壓力控制器對于目標⑴：對于目標⑵：對于目標⑶：

a:

溫度單回路控制系統b:溫度流量串級控制系統a:

溫度單回路和煙氣含氧量單回路控制系統b:將系統看作MIMO進行建模

與目標⑵中a方案類似，但煙氣含氧量的控制屬于隨動系統1、過程控制系統設計步驟6/49第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三◆選擇控制算法PID、內?？刂?、推理控制、預算控制、解耦控制等等◆執(zhí)行器的選擇◆設計報警和聯鎖保護系統根據工藝介質等要求選擇調節(jié)閥的氣開、氣關方式，流量特性等◆控制系統的調試和投運控制參數整定等1、過程控制系統設計步驟7/49第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1、過程控制系統設計步驟控制系統設計概述首先，要求自動控制系統設計人員在掌握較為全面的自動化專業(yè)知識的同時，也要盡可能多地熟悉所要控制的工藝裝置對象；其次，要求自動化專業(yè)技術人員與工藝專業(yè)技術人員進行必要的交流，共同討論確定自動化方案；第三，自動化技術人員要切忌盲目追求控制系統的先進性和所用儀表及裝置的先進性。工藝人員要進一步建立對自動化技術的信心，特別是一些復雜對象和大系統的綜合自動化，要注意傾聽自動化專業(yè)技術人員的建議；第四，設計一定要遵守有關的標準﹑行規(guī)，按科學合理的程序進行。8/49第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1、過程控制系統設計步驟說明：框圖中的各個信號都是增量。各環(huán)節(jié)的增益有正、負之別。通常將執(zhí)行器、被控對象和檢測變送環(huán)節(jié)合并為廣義對象。簡單控制系統有控制通道和擾動通道兩個通道：控制通道是操縱變量作用到被控變量的通道。擾動通道是擾動作用到被控變量的通道。設定值保持不變的反饋控制系統稱為定值控制系統設定值是任意變化的反饋控制系統稱為隨動控制系統或伺服控制系統?？刂葡到y中如果包含采樣開關，則這類控制系統稱為采樣控制系統9/49第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1、過程控制系統設計步驟確定控制方案調研，論證包括被控變量的選擇與確認﹑操縱變量的選擇與確認﹑檢測點的初步選擇、繪制出帶控制點的工藝流程圖和編寫初步控制方案設計說明書等等。儀表及裝置的選型要考慮到供貨方的信譽﹑產品的質量﹑價格﹑可靠性﹑精度﹑供貨方便程度﹑技術支持﹑維護等因素。相關工程內容的設計包括控制室設計﹑供電和供氣系統設計﹑儀表配管和配線設計和聯鎖保護系統設計等等，提供相關的圖表。10/49第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1、過程控制系統設計步驟初步設計初步設計的主要目的是上報審批，并為定貨做準備。施工圖設計是在項目和方案獲批后，為工程施工提供有關內容詳細的設計資料。設計文件和責任簽字包括設計﹑校核﹑審核﹑審定﹑各相關專業(yè)負責人員的會簽等，以嚴格把關，明確責任，保持協調。參與施工和試車設計代表應該到現場配合施工，并參加試車和考核。設計回訪在生產裝置正常運行一段時間后，應去現場了解情況，聽取意見，總結經驗。11/49第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器

過程控制系統設計步驟112/49簡單控制系統組成原理3被控變量與操縱變量的選擇第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2023年5月6日

北京石油化工學院自動化系13/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2023年5月6日

北京石油化工學院自動化系14/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三檢測變送環(huán)節(jié)的性能檢測元件和變送器的基本要求是準確、迅速和可靠。按照生產過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器合適的測量范圍（量程）與精度等級。

選擇檢測元件時應考慮該元件能否適應工業(yè)生產過程環(huán)境；能否長期穩(wěn)定運行；測量儀表反應慢，會造成測量失真。應盡可能選擇時間常數小的傳感器、變送器，考慮精確度和響應的快速性等。還應考慮檢測元件和變送器的線性特性等。15/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三儀表的精確度影響檢測變送環(huán)節(jié)的準確性。應合理選擇儀表的精確度，以滿足工藝檢測和控制要求為原則。檢測變送儀表的量程應滿足讀數誤差的精確度要求，同時應盡量選用線性特性。儀表量程大Km小，而儀表量程小則Km大。檢測元件和變送器增益Km的線性度與整個閉環(huán)控制系統輸入輸出的線性度有關，當控制回路的前向增益足夠大時，整個閉環(huán)控制系統輸入輸出的增益是Km的倒數。例如，采用孔板和差壓變送器檢測變送流體的流量時，由于差壓與流量之間的非線性，造成流量控制回路呈現非線性，并使整個控制系統開環(huán)增益非線性。16/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三相對于過程的時間常數，大多數檢測變送環(huán)節(jié)的時間常數是較小的。但成分檢測變送環(huán)節(jié)的時間常數和時滯會很大；氣動儀表的時間常數較電動儀表要大；采用保護套管溫度計檢測溫度要比直接與被測介質接觸檢測溫度有更大的時間常數。此外，應考慮時間常數隨過程運行而變化的影響。例如，由于保護套管結垢，造成時間常數增大，保護套管磨損，造成時間常數減小等。對檢測變送環(huán)節(jié)時間常數的考慮主要應根據檢測變送、被控對象和執(zhí)行器三者時間常數的匹配，即增大最大時間常數與次大時間常數之間的比值。17/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三減小時間常數的措施包括檢測點位置的合理選擇；選用小慣性檢測元件；縮短氣動管線長度，減小管徑；正確使用微分單元；選用繼動器等放大元件等。為了增大最大時間常數與次大時間常數之間的比值，對于快速響應的被控對象，例如，流量、壓力等，有時需要增大檢測變送環(huán)節(jié)的時間常數，常用的措施有合理選用微分單元（反微分）；并聯大容量的電容或氣容；串聯阻容濾波環(huán)節(jié)等。18/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三對檢測變送信號的處理檢測變送信號的數據處理包括信號補償、線性化、信號濾波、數學運算、信號報警和數學變換等。19/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三信號補償熱電偶檢測溫度時，由于產生的熱電勢不僅與熱端溫度有關，也與冷端溫度有關，因此需要進行冷端溫度補償；熱電阻到檢測變送儀表之間的距離不同，所用連接導線的類型和規(guī)格不同，線路電阻不同，因此需要進行線路電阻補償；氣體流量檢測時，若檢測點溫度、壓力與設計值不一致，因此需要進行溫度和壓力的補償；精餾塔內介質成分與溫度、塔壓有關，正常操作時，塔壓保持恒定，可直接用溫度進行控制，當塔壓變化時，需要用塔壓對溫度進行補償等。20/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三線性化檢測變送環(huán)節(jié)是根據有關的物理化學規(guī)律檢測被控變量的，它們有些存在非線性，例如，熱電勢與溫度、差壓與流量等，這些非線性會造成控制系統的非線性，因此，應對檢測變送信號進行線性化處理?？梢圆捎糜布M成非線性環(huán)節(jié)實現，例如，采用開方器對差壓進行開方運算，也可用軟件實現線性化處理。21/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三信號濾波由于存在環(huán)境噪聲，例如，泵出口壓力的脈動，儲罐液位的波動等，它們使檢測變送信號波動并影響控制系統的穩(wěn)定運行，因此，需要對信號進行濾波。信號濾波有硬件濾波和軟件濾波，有高頻濾波、低頻濾波、帶通、帶阻濾波等。硬件濾波通常采用阻容濾波環(huán)節(jié)，可以用電阻電容組成低通濾波，也可用氣阻和氣容組成濾波環(huán)節(jié)?？梢越M成有源濾波、也可組成無源濾波等。軟件濾波采用計算方法，用程序編制各種數字濾波器實現信號濾波，具有投資少，應用靈活等特點。在智能儀表、DCS等裝置中通常采用軟件濾波。過程控制中常用的數學濾波算法有下列幾種：一階低通濾波；一階高通濾波；遞推平均濾波；程序判別濾波。22/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三數學運算、信號報警和數學變換當檢測信號與被控變量之間有一定的函數關系時，需要進行數學運算獲得實際的被控變量數值。節(jié)流裝置測得的差壓數據應進行開方運算；根據測得瞬時流量進行積分運算獲得累積流量等。對檢測的信號要進行一些復合的數學運算，例如，對氣體流量的溫度和壓力補償運算就包含加、乘和除的運算。信號的數字變換也常常被應用于檢測變送信號的處理?？焖俑焕锇Ｗ儞Q、小波變換等。在計算機控制系統中，模數轉換和數模轉換。如果檢測變送信號超出工藝過程的允許范圍，就要進行信號報警和聯鎖處理。同樣，在計算機控制系統中如果檢測到檢測元件處于異常狀態(tài)時，也需要為操作人員提供相關報警信息。23/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2023年5月6日

北京石油化工學院自動化系24/49執(zhí)行器(氣動薄膜控制閥)的選擇根據使用的能源種類，控制閥可分為氣動、電動和液動三種。其中氣動控制閥具有結構簡單，工作可靠，價格便宜，防火防爆等優(yōu)點，在自動控制中用得最多，故以下的討論僅涉及氣動控制閥。控制閥選擇的內容包括：結構形式及材質的選擇，口徑大小及開閉形式的選擇，流量特性的選擇，以及閥門定位器的選擇等。2、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三控制閥由執(zhí)行機構和調節(jié)機構兩部分組成。執(zhí)行機構將控制器的輸出信號轉換成直線位移或角位移，兩者之間為比例關系；調節(jié)機構則將執(zhí)行機構輸出的直線位移或角位移轉換成流通截面積的變化，從而改變操縱變量的大小。執(zhí)行機構有三種類型：薄膜式、活塞式和長行程式。薄膜式結構簡單，價格便宜，使用最為廣泛。調節(jié)機構的類型有：直通閥（雙座式和單座式），角閥，三通閥，球形閥，閥體分離閥，隔膜閥，蝶閥，高壓閥，偏心旋轉閥和套筒閥等。直通閥和角閥供一般情況下使用，其中直通單座閥適用于要求泄漏量小的場合；直通雙座閥適用于壓差大、口徑大的場合，但其泄漏量要比單座閥大；角閥適用于高壓差、高粘度、含懸浮物或顆粒狀物質的場合。三通閥適用于需要分流或合流控制的場合，其效果比兩個直通閥要好；蝶閥適用于大流量、低壓差的氣體介質；隔膜閥則適用于有腐蝕性的介質。此外,還應根據操縱介質的工藝條件和特性選擇合適的材質。

25/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三閥結構形式

特點及適用場合直通單座閥只有一個閥芯,閥前后壓差小,適用于要求泄漏量小的場合直通雙座閥有兩個閥芯,閥前后壓差大,適用于允許有較大泄漏量的場合角閥閥體呈直角,適用于高壓差、高粘度、含懸浮物和顆粒狀物質的場合隔膜閥適用于有腐蝕性介質的場合蝶閥適用于有懸浮物的介質、大流量、壓差小、允許大泄漏量的場合三通閥適用于分流或合流控制的場合高壓閥適用于高壓控制的特殊場合不同結構形式控制閥特點及適用場合26/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三控制閥氣開、氣關形式的選擇對于一個具體的控制系統來說，究竟選氣開閥還是氣關閥，即在閥的氣源信號發(fā)生故障或控制系統某環(huán)節(jié)失靈時，閥是處于全開的位置安全，還是處于全關的位置安全,要由具體的生產工藝來決定。氣開式調節(jié)閥：隨著控制信號的增加而開度加大，當無壓力控制信號時，閥門處于全關閉狀態(tài)；氣關式調節(jié)閥：隨著信號壓力的增加，閥門逐漸關小，當無信號時，閥門處于全開狀態(tài)。27/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三控制閥氣開、氣關形式的選擇應遵循幾條原則首先要從生產安全出發(fā),即當氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制閥膜片破裂而漏氣等而使控制閥無法正常工作以致閥芯回復到無能源的初始狀態(tài)（氣開閥回復到全關，氣關閥回復到全開），應能確保生產工藝設備的安全，不致發(fā)生事故。如生產蒸汽的鍋爐水位控制系統中的給水控制閥，為了保證發(fā)生上述情況時不致把鍋爐燒壞,控制閥應選氣關式。從保證產品質量出發(fā)，當發(fā)生控制閥處于無能源狀態(tài)而回復到初始位置時，不應降低產品的質量，如精餾塔回流量控制閥常采用氣關式，一旦發(fā)生事故，控制閥全開，使生產處于全回流狀態(tài),防止不合格產品的蒸出，從而保證塔頂產品的質量。28/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三從降低原料、成品、動力損耗來考慮。如控制精餾塔進料的控制閥就常采用氣開式,一旦控制閥失去能源即處于氣關狀態(tài)，不再給塔進料，以免造成浪費。從介質的特點考慮。精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般選氣開式，以保證在控制閥失去能源時能處于全關狀態(tài)避免蒸汽的浪費，但是如果釜液是易凝、易結晶、易聚合的物料時，控制閥則應選氣關式以防調節(jié)閥失去能源時閥門關閉，停止蒸汽進入而導致釜內液體的結晶和凝聚。29/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三控制閥流量特性理想流量特性是控制閥兩端壓降恒定時的流量特性，亦稱為固有流量特性。工作流量特性是在工作狀況下（壓降變化）控制閥的流量特性?？刂崎y出廠所提供的流量特性指理想流量特性。理想流量特性可分為線性、等百分比（對數）、拋物線、雙曲線、快開、平方根等多種類型。國內常用的理想流量特性有線性、等百分比和快開等幾種。

30/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三線性流量特性線性流量特性是指控制閥的流量與閥桿的行程成線性關系，即單位行程變化引起的流量變化是常數。對數流量特性對數流量特性是指單位行程變化引起的流量變化與此點的流量成正比關系，即控制閥的放大系數是變化的，隨流量的增加而增大。快開流量特性快開流量特性是指是指單位行程變化引起的流量變化與此點的流量成反比關系。31/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三32/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

控制閥的理想流量特性是在閥兩端壓降恒定條件下的流量特性，實際應用時，控制閥兩端的壓降下降，因此，控制閥理想流量特性發(fā)生畸變。33/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三壓降比S定義為控制閥全開時，閥兩端壓降占系統總壓降的比值。Pv是控制閥兩端的壓降，PP是系統中其他管路的阻力，包括靜壓頭、管路阻力等。系統的總壓降為PT。則有：34/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三控制閥流量特性的選擇根據控制系統穩(wěn)定運行準則，擾動或設定變化時，控制系統靜態(tài)穩(wěn)定運行的條件是控制系統各開環(huán)增益之積基本恒定；控制系統動態(tài)穩(wěn)定運行的條件是控制系統總開環(huán)傳遞函數的?；竞愣ā＿x擇控制閥工作流量特性的目的通過控制閥調節(jié)機構的增益來補償因對象增益變化而造成開環(huán)總增益變化的影響。即用Kv的變化補償Kp的變化，使K開=KcKvKpKm基本恒定。討論時，假設控制器增益（或比例度）、執(zhí)行機構增益、檢測變送環(huán)節(jié)增益不隨負荷或設定而變化。這樣，當對象增益Kp隨負荷或設定變化時，通過選擇合適的控制閥流量特性，使控制閥增益Kv與Kp之積保持基本不變。35/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三控制閥工作特性的選擇控制系統通常受到多種擾動的影響，因此，在選擇控制閥工作流量特性時應抓住主要矛盾，即對控制系統有主要影響的擾動，據此選擇控制閥工作流量特性。在考慮被控對象特性時，應從整個工作范圍考慮，而不能僅局限在工作點附近，因為，在工作點附近的特性通?？山茷榫€性，不能獲得正確的分析結果。流量特性的選擇是用于補償廣義被控對象的非線性特性，有時，被控對象的非線性并不能夠用選擇控制閥的流量特性來補償。例如，pH控制系統。

36/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三控制閥口徑大小的選擇主要依據閥的流通能力。正常工況下要求控制閥開度處于15～85%之間,因此,不宜將控制閥口徑選的太小或過大,否則,會使控制閥可能運行在全開時的非線性飽和工作狀態(tài),系統失控;或使閥門經常處于小開度的工作狀態(tài),造成流體對閥芯、閥座嚴重沖蝕,甚至引起控制閥失靈。37/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三閥門定位器有氣動閥門定位器和電—氣閥門定位器兩種，后者還兼有電—氣轉換功能。閥門定位器有以下三方面的功能：改善控制閥的動、靜態(tài)特性改善控制閥的流量特性實現分程控制38/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三其他執(zhí)行器除了控制閥外，其他的執(zhí)行器有執(zhí)行電動機、液壓伺服機構等。執(zhí)行電動機是一種電動機，它是根據控制系統發(fā)來的指令執(zhí)行運動的機電一體化產品。執(zhí)行電動機按電動機原理可分為直流電動機、步進電動機、交流同步電動機、交流異步電動機、開關磁阻電動機等。按控制方式可分為調壓調速、變頻調速和電磁調速等。在需要大功率、高精度控制的場合，通?？刹捎靡簤簜鲃酉到y和電液控制系統。其他執(zhí)行裝置包括新型直流電動機、形狀記憶合金驅動執(zhí)行器、壓電驅動執(zhí)行器、磁致伸縮驅動執(zhí)行器、仿生步進驅動執(zhí)行器、超導驅動執(zhí)行器、橡膠驅動執(zhí)行器等。39/492、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三正作用：當設定值不變時，隨著測量值的增加，調節(jié)器的輸出也增加，則稱為“正作用”方式；同樣，當測量值不變，設定值減小時，調節(jié)器輸出增加，稱為“正作用”方式。反作用：如果測量值增加或設定值減小時，調節(jié)器輸出減小，則稱為“反作用”方式。正作用：測量值–給定值反作用：給定值–測量值

調節(jié)器正、反作用的定義：2、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器40/49第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器控制系統中各環(huán)節(jié)的正、負符號作如下規(guī)定：調節(jié)閥：氣開式取“+”氣關式取“-”；被控對象：若控制變量（通過控制閥的物料或能量）增加時，被控參數隨之增加取“+”；反之，則取“-”；變送器：輸出信號隨被測量增加而增大，取“+”；反之取“-”；調節(jié)器：測量輸入增加，調節(jié)器輸出增大（正作用）時取“+”；測量輸入增加，調節(jié)器輸出減?。ǚ醋饔茫r取“-”。41/49第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器調節(jié)器正反作用選擇原則：整個單回路構成負反饋系統。

調節(jié)器符號（“+”或“－”）×執(zhí)行器符號（“+”或“－”）×變送器符號（“+”或“－”）×被控過程符號（“+”或“－”）=“－”42/49第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2、檢測/變送/執(zhí)行器/調節(jié)器例1加熱爐溫度控制系統

調節(jié)閥：氣開式，取“+”；被控對象：控制變量（通過調節(jié)閥的物料或能量）增加時，被控參數