簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

油氣儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)1主要回答三個(gè)問(wèn)題

1.控制什么？

2.拿什么來(lái)控制？

3.通過(guò)什么方式控制？2第一個(gè)問(wèn)題：控制什么？(控制工藝要求的指標(biāo))具體分為兩種情況：1.工藝要求的指標(biāo)可以直接在線(xiàn)測(cè)量

直接控制這個(gè)指標(biāo)就可以了（直接指標(biāo)控制）2.工藝要求的指標(biāo)不可以直接在線(xiàn)測(cè)量

尋找一個(gè)與工藝指標(biāo)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且可以測(cè)量的另一個(gè)間接指標(biāo)，通過(guò)控制間接指標(biāo)來(lái)達(dá)到控制工藝指標(biāo)的目的（間接指標(biāo)控制）3第二個(gè)問(wèn)題：拿什么控制？(拿一個(gè)對(duì)被控變量影響較顯著的操縱變量來(lái)控。)4第三個(gè)問(wèn)題：以什么方式控制？（選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律）最常用的調(diào)節(jié)規(guī)律：位式控制、P、PI、PD、PID后續(xù)問(wèn)題：如何整定PID參數(shù)？臨界比例度法＋經(jīng)驗(yàn)衰減曲線(xiàn)法＋經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)湊試法最好的方法就是“經(jīng)驗(yàn)”5概述四個(gè)基本環(huán)節(jié)：

測(cè)量變送環(huán)節(jié)控制器執(zhí)行器被控對(duì)象被控變量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設(shè)定值＋－選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述6控制器(LC或TC)執(zhí)行器（控制閥）被控對(duì)象（液位儲(chǔ)槽或換熱器）測(cè)量、變送環(huán)節(jié)（LT或TT）被控變量（液位或溫度）干擾偏差設(shè)定值＋－廣義對(duì)象簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖載熱體冷流體換熱器溫度控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)常見(jiàn)的兩種簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)：7被控變量的選擇明確控制目的使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)按照預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行，并使工藝參數(shù)保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值上（或按預(yù)定規(guī)律變化）分析生產(chǎn)工藝“關(guān)鍵”變量：對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)過(guò)程的安全具有決定作用的變量確定被控變量?jī)煞N控制類(lèi)型：直接指標(biāo)控制和間接指標(biāo)控制當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)信號(hào)缺少檢測(cè)手段、信號(hào)微弱、滯后很大時(shí)，可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的變量做為間接控制指標(biāo)。選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述8

要有代表性。被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般都是工藝過(guò)程中比較重要的變量。

應(yīng)該獨(dú)立可控。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的被控變量應(yīng)避免和其他控制系統(tǒng)的被控變量有關(guān)聯(lián)（耦合)關(guān)系。

滯后要小。采用直接指標(biāo)作為被控變量最直接也最有效。當(dāng)無(wú)法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量和變送環(huán)節(jié)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。

靈敏度要高。被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來(lái)，并具有足夠大的靈敏度。

成本要低。選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝的合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。

被控變量選擇的一般原則

9操縱變量與干擾變量

原則上，在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入作為控制變量后，其它所有未被選中的輸入則成了為系統(tǒng)的干擾變量。

選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制通道干擾通道干擾變量控制變量被控變量干擾作用與控制作用之間的關(guān)系被控對(duì)象控制質(zhì)量系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程形式——超調(diào)量、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間、振蕩周期對(duì)象特性反映系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系分為對(duì)象靜態(tài)特征和對(duì)象動(dòng)態(tài)特征考察對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，用以選擇操縱變量10操縱變量的選擇原則

操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。為此，應(yīng)通過(guò)合理選擇操縱變量，使控制通道的放大倍數(shù)適當(dāng)大、時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小(但不宜過(guò)小，否則易引起振蕩)、純滯后時(shí)間盡量小。為使其他干擾對(duì)被控變量的影響盡可能小，應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)盡可能小、時(shí)間常數(shù)盡可能大。在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。一般說(shuō)來(lái)不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量，因?yàn)樯a(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，是不宜經(jīng)常波動(dòng)的。11選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述測(cè)量元件的選擇

測(cè)量變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)。要求其能正確及時(shí)反映被控變量的狀況。測(cè)量?jī)x表的選用和安裝：量程、材質(zhì)、精度等滿(mǎn)足工藝要求測(cè)量?jī)x表本身要反應(yīng)快應(yīng)選擇有代表性位置進(jìn)行安裝儀表安裝時(shí)所用的輔助裝置不應(yīng)帶來(lái)較大的測(cè)量滯后(至少要滿(mǎn)足要求)12選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述執(zhí)行閥的選擇執(zhí)行閥是將控制器的輸出轉(zhuǎn)化為對(duì)被控對(duì)象的實(shí)際操作（動(dòng)作），是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的、必不可少的組成部分。執(zhí)行閥選擇時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)：1、口徑（流通能力）、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式（氣開(kāi)氣關(guān)）、正反作用、流量特性等滿(mǎn)足要求2、本身反應(yīng)快（氣信號(hào)不要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸、必要時(shí)可以采用電氣轉(zhuǎn)換器、閥門(mén)定位器）3、閥門(mén)安裝位置應(yīng)盡可能靠近被控設(shè)備（二者中間不能有很長(zhǎng)的工藝管路，否則會(huì)人為增大廣義對(duì)象的純滯后）13選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制器控制規(guī)律的選擇常用的幾種控制規(guī)律

位式控制

適用于對(duì)控制質(zhì)量要求不高，被控對(duì)象是單容量的、且容量較大、滯后較小、負(fù)荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動(dòng)范圍較寬的場(chǎng)合。

比例控制優(yōu)點(diǎn)：克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過(guò)渡時(shí)間短。缺點(diǎn)：存在余差適用于控制通道滯后小、負(fù)荷變化不大、允許被控變量有余差的場(chǎng)合

比例積分控制優(yōu)點(diǎn)：無(wú)余差缺點(diǎn)：系統(tǒng)的超調(diào)量、振蕩周期都會(huì)相應(yīng)增大，過(guò)渡時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、不允許被控變量存在余差場(chǎng)合

比例微分控制

優(yōu)點(diǎn)：利用微分超前的作用，在被控對(duì)象具有較大滯后的場(chǎng)合下，將會(huì)有效地改善質(zhì)量。缺點(diǎn)：有可能會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)失控而發(fā)生事故。

比例積分微分控制

比例積分微分控制綜合了比例、積分、微分控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制要求高的場(chǎng)合。

14控制器正、反作用的選擇

何謂“正”、“反”作用？所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當(dāng)輸入增加時(shí)，輸出也增加，稱(chēng)該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，則稱(chēng)該環(huán)節(jié)為“反作用”方向。

控制器正反作用選擇的基本原則

保證整個(gè)控制系統(tǒng)形成負(fù)反饋。在控制系統(tǒng)中，控制器、被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器都有各自的作用方向，一般被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器的作用方向是固定的，因此為了使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋，應(yīng)對(duì)控制器的正反作用進(jìn)行調(diào)整。

控制器正反作用選擇的步驟

1、判斷被控對(duì)象的正反作用方向，由工藝機(jī)理確定；

2、判斷執(zhí)行器的正反作用方向，由工藝安全條件選定。其選擇原則是：控制信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全；

3、確定廣義對(duì)象的正反作用方向，一般測(cè)量變送環(huán)節(jié)為正作用方向。根據(jù)被控對(duì)象和執(zhí)行器的作用方向，確定廣義對(duì)象的正反作用方向；

4、確定控制器的正反作用方向，廣義對(duì)象正作用方向，則控制器應(yīng)選擇為反作用，反之亦然。被控變量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設(shè)定值＋－廣義對(duì)象15選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定控制系統(tǒng)的投運(yùn)（1）熟悉被控對(duì)象和整個(gè)控制系統(tǒng)，檢查所有儀表及連接管線(xiàn)、電源、氣源等，保證接線(xiàn)的正確性，故障時(shí)能及時(shí)確定故障原因；（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或估算比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的數(shù)值，或?qū)⒖刂破鞣旁诩儽壤饔?，比例度放在較大位置；（3）確認(rèn)控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)作用；確認(rèn)控制器的正、反作用；（4）手動(dòng)操作執(zhí)行器，待工況穩(wěn)定后，將控制器由手動(dòng)狀態(tài)切換到自動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)由開(kāi)環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制。初步投運(yùn)過(guò)程基本結(jié)束。但控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程不一定滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)一步整定比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD三個(gè)參數(shù)。

16選擇被控變量選擇操縱變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定控制器參數(shù)的工程整定什么是“參數(shù)整定”？按照已定控制方案求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。即確定最合適的控制器比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，使控制質(zhì)量滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)要求。

對(duì)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般希望過(guò)渡過(guò)程呈4:1至10:1的衰減振蕩過(guò)程。

yt4:1yt10:117控制器參數(shù)的工程整定

參數(shù)整定方法：理論計(jì)算、工程整定（又叫經(jīng)驗(yàn)整定方法，分為臨界比例度法、衰減曲線(xiàn)法、經(jīng)驗(yàn)湊試法）

181、臨界比例度法

先將控制器放在純比例作用，在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩。這時(shí)的比例度稱(chēng)為臨界比例度δK，周期稱(chēng)為臨界振蕩周期Tk。然后按表中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。Tkttfy臨界振蕩過(guò)程注意：當(dāng)不存在臨界比例度或臨界比例度過(guò)小以及工藝要求不允許等幅振蕩時(shí)，該方法不適用?？刂谱饔帽壤?積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)比例2δk

比例＋積分2.2δk

0.85Tk比例＋微分1.8δk0.1Tk比例＋積分＋微分1.7δk

0.5Tk0.125Tk192、衰減曲線(xiàn)法

將控制器放在純比例作用，在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)出現(xiàn)4:1衰減比為止，這時(shí)的比例度稱(chēng)為衰減比例度δS

，周期稱(chēng)為衰減周期Ts。然后按表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值?？刂谱饔帽壤?積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)比例δS

比例＋積分1.2δS

0.5Ts比例＋積分＋微分0.8δS

0.3Ts0.1Ts4:1衰減法參數(shù)計(jì)算公式表

fytTst4:1ytT升ft10:110:1衰減法參數(shù)計(jì)算公式表

控制作用比例度%積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)比例δS

比例＋積分1.2δS

2T升

比例＋積分＋微分0.8δS

1.2T升

0.4T升

20采用衰減曲線(xiàn)法必須注意以下幾點(diǎn)：(1)加的干擾幅值不能太大，一般為額定值的5％左右;(2)必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的δS、Ts、T升。(3)對(duì)于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線(xiàn)上嚴(yán)格得到4:1衰減曲線(xiàn)比較困難。一般以被控變量來(lái)回波動(dòng)兩次達(dá)到穩(wěn)定，就可以近似地認(rèn)為達(dá)到4:1衰減過(guò)程了。

213、經(jīng)驗(yàn)湊試法被控對(duì)象對(duì)象特性比例度％積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，參數(shù)有波動(dòng)，δ要大，TI要短，不用微分40～1000.3～10.5～0.3溫度對(duì)象容量滯后大，參數(shù)變化遲緩，δ應(yīng)小，TI要長(zhǎng)，一般需加微分20～603～10壓力對(duì)象容量滯后不大，一般不用微分30～700.4～3液位對(duì)象時(shí)間常數(shù)范圍較大，δ應(yīng)在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分20～800.4～3“看曲線(xiàn)，調(diào)參數(shù)”

經(jīng)驗(yàn)湊試法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，直接在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，通過(guò)改變給定值施加干擾，觀(guān)察過(guò)渡曲線(xiàn)，運(yùn)用比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定的順序，對(duì)δ、TI和TD逐個(gè)整定，直到獲得滿(mǎn)意的過(guò)渡過(guò)程。下表是各控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。22整定的步驟有兩種：(1)先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過(guò)渡過(guò)程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用提高控制質(zhì)量。(2)按上表給出的范圍把TI定下，如要引入微分作用，可取TD=(1/3~1/4)TI，然后對(duì)δ進(jìn)行湊試，湊試步驟與(1)相同。23比例度過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)小或微分時(shí)間過(guò)