《回路控制系统》PPT课件.ppt

3.1 概述 3.2 被控量与操纵量的选择 3.3 检测及变送环节的考虑 3.4 控制阀的选择 3.5 控制器控制规律及作用方向的选择 3.6 控制器参数的工程整定 3.7 控制系统的投运 3.8 单回路控制系统设计实例,1,第3章 单回路控制系统,3.1 概述,2,检测/变送,控制器,执行器,对象,实际值,期望值 SP,单回路控制系统,单回路（系统）:反馈控制中的最基本系统 特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍(占85%以上),3,4,系统组成及分析,系统组成,锅炉汽包水位控制系统,被控变量：汽包液位 过程（被控对象）：锅炉汽包 操纵变量：进水流量 主要扰动：蒸汽量的变化,被控对象（被控过程）、测量变送、 控制器、控制阀,控制过程分析,(1)平衡状态：当给水量和蒸汽量均不变的情况下，控制系统处于平衡状态，并将保持这个状态，直到有新的扰动产生。,(2)扰动分析：,5,控制器正、反作用,控制器应选正作用,控制器过程分析,正作用控制器,气关阀,(3) 调节过程分析：,应选气关阀,控制阀选择：,6,3.2 被控量和操纵量的选择,3.2.1 被控量的选择,7,对生产安全、质量、产量具有决定作用的“关键”的工艺参数,在生产现场，绝大多数为直接指标控制,被控变量的选择：,分两种情况,直接可测量,直接不可测,直接指标控制,间接指标控制,控制系统的设计目标: 使生产过程自动按照预定的目标进行,工艺上的质量指标：,加热炉的被控变量选择,经工艺分析，塔顶组份XD与温度TD、压力P存在对应关系,塔顶（底）馏出物的组份,这些组份往往不能“直接”测量,找一个与组份有关的变量进行控制,直接指标控制难以实现时选择间接指标控制。,被控变量选择原则,9,有代表性：通常都是比较主要的工艺参数。（反映主要矛盾） 独立可控：尽量避免和其他回路的被控变量有关联（耦合)关系。 滞后要小：采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。 灵敏度高：被控变量应能被测量，并具有足够大的灵敏度。 成本要低：选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和仪表产品现状。,在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量（操纵量）后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。,3.2.2 操纵量的选择,操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素，应该遵循快速、有效地克服干扰的原则去选择操纵量。,操纵量的选择原则,控制变量应是可控的，即工艺上允许调节。 控制变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件，增大扰动通道的容量滞后，可减少对被控量的影响； 操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发，还必需考虑生产工艺的合理性、经济性。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量,11,例1：,O,P,例2：加热炉用燃料油加热400度，设计温度控制系统。,O,P,影响加热炉出口温度的各种输入因素,通道太长,时间常数大,O,3.3 检测及变送环节的考虑,3.3.1 检测及变送环节任务、作用及要求 任务: 对被控量进行正确测量，并将其转换为标准信号。 要求: 能正确、及时地反映被控量的状况，提供操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据。,13,3.3.2 检测变送环节特性 通常等效为带滞后的一阶惯性特性 【理想特性为比例环节】,14,3.3.2 选型注意事项 应尽量减少其时间常数与滞后时间。,15,选择快速反应的测量元件，以减小时间常数 选择合适的测量点，以减小纯滞后 使用微分单元，以克服容量滞后,O,P,3.4 控制阀的选择,问题：干扰(设定值、负荷或其它因素变化)的存在会破坏系统的正常运行状态，那么用什么办法来克服扰动的影响【请根据系统框图回答】,16,SP,控制阀 GV(s),检测与变送器 Gm(s),PV,对象 GP(s),控制器 GC(s),单回路控制系统,扰动,控制阀选择内容,流量特性(实际上就是选线性还是对数特性，因为抛物线特性阀通常用的很少，而蝶阀当导通角为0-70o时近似为对数特性) ； 结构形式；开闭形式； 口径计算。,17,ZXP(ZJHP)型新系列 气动薄膜直通单座阀,ZAZN型电动双座阀,3.3.1控制阀的流量特性选择,3.3.1.1选择原则 系统稳定运行准则 使在生产负荷变动情况下，已整定的控制器的参数值不需改变，而控制系统仍能保持预定的品质指标。 系统稳定运行维持方法 通过选择适当的控制阀特性来保证【原因：对象特性通常随负荷(工作点)而变，除控制器外系统中无其它可变部分】。 流量特性选择实质与原则 以控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化，使系统成为一个理想的控制系统，即保证系统特性在整个操作范围内基本维持不变：,18,19,控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化：,G0(s)=GV(s)GP(s)Gm(s)=const 若仅考虑静态特性，并考虑到控制器增益与检测变送环节增益通常维持不变，则有,阀与对象的放大系数,选择控制阀特性改善控制系统性能：,按4：1衰减比进行整定，G0(jwg)=GC(jwg)GV(jwg)GP(jwg)Gm(jwg) -0.5 其中wg为系统的相位交界频率。,3.3.1.2流量特性的选择方法,1)数学分析法 根据对象特性选取合适的控制阀流量特性 2)经验法(工程上多采用) 根据被控对象、控制参数，按照经验选取流量特性。按经验法选择流量特性时： 需要考虑工艺配管情况; 考虑负荷变换的情况: 在负荷变化幅度大的场合，选等百分比阀较合适；当所选控制阀经常工作在小开度时，也宜选等百分比阀。,20,数学分析法（举例）,21,数学分析法（举例）,22,数学分析法（举例）,23,由于设定值扰动引起工作点移动,静态特性的补偿,数学分析法（举例）,24,由于设定值扰动引起工作点移动,动态特性的补偿,数学分析法（举例）,25,由于出液阀开度扰动引起工作点移动,数学分析法:随动控制系统(设定值R为干扰),对象KP恒定，即被控量与控制阀输出流量Q成正比，则阀流量特性应选线性； KP变化，且随Q增大反而减少，则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性； KP变化，且随Q增大反而增大，则应选快开流量特性；,26,对数/抛物线/蝶阀,R2 R1,R2 R1,R2 R1,Q1 Q2,Q,y,Q,y,Q,y,l,Q,l,Q,l,Q,设定值R改变,快开,直线,数学分析法:定值控制系统(负荷为干扰),对象KP恒定，即被控量与控制阀输出流量Q成正比，则阀流量特性应选线性； KP变化，且随Q增大反而减少，则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性； KP变化，且随Q增大反而增大，则应选快开流量特性；,27,R,R,R,Q1Q2Q3,y,Q,y,l,Q,l,Q,l,Q,负荷线,负荷线,y,负荷线,负荷改变,对数/抛物线/蝶阀,快开,直线,数学分析法选控制阀流量特性注意事项,不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量特性可能是不一样，甚至是相反的，所以应根据引起工作点移动的主要干扰来选取控制阀流量特性； 采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性，考虑到快开特性特点，一般用于双位控制或程序控制而不适合于连续自动调节，此时可用线性阀代替； 生产实践中，通常阀前后压差是变化的，故选择时还需考虑配管条件等对流量特性的影响。,28,经验法：按控制对象选择流量特性,29,3.3.1.3 控制阀流量特性选择注意事项,应根据主要干扰的变化来选择阀门特性； 当对象特性可用图形表示时，用图解法选；而当特性可用解析式表示时用解析法选【注意对象特性必须是增量化前的方程】； 要求高时，应从动态角度考虑与分析； 控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性恒定，为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满足此要求。如节流装置测流量，配开方器，用线性控制阀；如不加开方器，从静态考虑要选快开特性，实际选线性。,30,3.3.2 控制阀结构形式的选择,控制阀选用时需注意两点： 被控介质的工艺条件，如温度、压力、流量等。 被控介质的流量特性，如黏度、腐蚀性、毒性、是否含悬浮颗粒、液态还是气态等。,31,a)单座控制阀 b)双座控制阀 c)角形控制阀 d)套筒控制阀 1-阀杆；2-上阀盖；3-填料；4-阀芯；5-阀座；6-阀体 部分控制阀结构,控制阀结构形式特点及适用场所,32,3.3.3 控制阀开闭(作用)形式的选择,控制阀的开(信号增大时阀开大)闭(信号压力增大阀关小)形式选择主要基于以下几点考虑： 安全角度：出现意外，保证人员、设备安全； 质量角度：出现意外事故，考虑产品质量； 消耗角度：原料、成品及动力； 介质特点：特殊介质，考虑结晶、蒸发等因素 控制阀作用方式的选择要和控制器作用方式的选择匹配以满足控制通道作用方向的要求。,33,正 正,反 反,p0,p0,正 反,反 正,p0,p0,气关阀 气开阀,控制阀开闭选择之安全原则,控制阀开闭形式的选择主要从生产安全角度考虑，一般在控制阀气/电源中断时，应切断进入被控设备的原料或热源，停止向设备外输出产品： 进料/出料阀(控制原料/热源) 气开； 回流阀(如精馏罐回流) 气关 串级控制时如阀的开闭形式可任选，为使主控与串级切换方便，选KV与主对象放大系数符号相同的(气开时KV为正，气关为负)。 例如：加热炉的燃料油控制应采用气开阀， 放热反应罐冷却水控制应采用气关阀。,34,例：加热炉温度控制系统的控制阀应采用何种开闭（正反）形式？,35,3.3.4 控制阀口径计算,调节阀的口径选择是由调节阀流量系数C(或称流通能力C)决定的。调节阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件(即给定的介质流量与物性参数及阀前后的压差等)进行Cmax值的计算，然后按调节阀生产厂家的产品目录，选出相应的调节阀口径，使得通过调节阀的流量满足工艺要求的最大流量且留有一定的裕度，但裕度不宜过大。 【流通能力定义】在给定的行程下，当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3时，流经调节阀的流体流量(以m3/h表示)。,36,控制阀口径计算计算方法,在新装置的设计时，通常按流通能力C值确定阀门口径，常用方法有两种： 根据实际最大流量Qmax，算出相应的流通能力Cmax（计算方法见教材表11-3），然后从产品系列中选取稍大于Cmax的C值及相应的阀门口径，选取时应留必要的余地。最后对实际最大流量Qmax及实际最小流量Qmin时的阀门开度进行验算：在Qmax时应不大于90%,在Qmin时不小于10%。 按常用流量算出相应的流通能力Cvc。选用阀门C值应使Cvc/C在0.250.8之间，即按常用流量乘以41.25倍。一般Cvc/C=0.5为相宜，当工作特性为对数型时可更小些。,37,控制阀口径计算计算步骤,根据工艺专业委托的条件，初选阀的型式、流向及流量特性，并决定流量系数C值的计算方法。 确定计算C值的各项参数值，如阀前、后压力，最大、常用、最小流量，阀前后压差，密度以及其他辅助修正系数。 判别工况是阻塞流还是非阻塞流，如为阻塞流工况，且流量较大，则应进行噪声预估计算，如为非阻塞流，一般可不进行噪声预估计算。 选定合适的C值计算公式，计算最大流量下阀的Cmax值，并圆整之。 按圆整的Cmax值在所选阀型的标准系列中，找与C Cmax/0.85靠近的额定C值，其对应的阀径即为所选调节阀的阀径。 进行压力、压差、开度(10%Qmax/Qmin)校验，以验证所选调节阀口径的正确性。,38,例：某一蒸汽加热器，饱和水蒸气的正常用量是450kg/h，蒸汽阀前压力为196.2kPa，阀后设计压力为29.4kPa。试确定直通双座阀的口径。 解: 阀前绝对压力 p1=196.2+101.33=297.53kPa 阀后绝对压力 p2=29.4+101.33=130.73kPa 因p2/p10.5， 故应用表11-3(不同介质流通能力C的实用计算公式)中蒸汽C的公式： 蒸汽 C=Ms/(1.406710-4p1) 即 Cvc=Ms /(1.406710-4p1)=10.75 Cvc4=43 Cvc1.25=13.44 根据计算和表12-3可知，公称通径Dg为40mm的直通双座阀可以适用。,39,3.5.1常用控制规律特点及适用场合,40,3.5 控制器的控制律及作用方式选择,3.5.2控制器作用方式的选择,41,正作用：当设定值不变，测量值增加时控制器输出也增加；或者当测量值不变，设定值减少时控制器输出增加。 反作用：测量值增加控制器输出减少。,42,原则： 1、控制阀：气开式为“”，气关式为“-”； 2、控制器：正作用为“”，反作用为“-”； 3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“”，随之减少为“-”； 4、变送器：一般为“”；,控制器正、反作用选择的判别式： (控制器“”)*(控制阀“”)*(对象“”)=“”,控制器正、反作用的选择,例：请判定图示温度控制系统中调节阀和调节器的作用型式。 1-当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介 质，调节介质为过热蒸汽时； （气关调节阀，正作用调节器；） 2-当物料为温度过高时易结焦或分解的介质， 调节介质为过热蒸汽时； （气开调节阀，反作用调节器；） 3-当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的 软化水时； 4-当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软 化水时；,43,（气开调节阀，正作用调节器；）,（气关调节阀，反作用调节器；）,(控制器“”)*(控制阀“”)*(对象“”)=“”,例：下图中，控制系统的调节器应该选用正作用方式，还是反作用方式？,正作用,正作用,反作用,正作用,反作用,44,例：图中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气体中也不许带有液体。试画出系统方框图，选取调节阀气开、气关型式和调节器的正、反作用，再简单说明这一调节回路的工作过程。,答：因工艺要求故障情况下送出的气体不许带液，故当气源压力为零时，阀门应打开。 调节阀是气关式 当液位升高，调节阀开度增大，由于所选取的是气关调节阀，故要求调节器输出减少， 调节器是反作用。,其工作过程如下：,液体,液位变送器输出,调节器输出,调节阀开度,液体输出,液位,45,3.6 控制器参数整定,控制器参数整定，就是确定控制器参数。控制器参数的整定方法有理论计算整定法【通过理论计算(微分方程、频率特性、根轨迹法等)求取控制器参数】和工程整定法【从工程的实际出发，直接在控制系统中进行整定】两种。 工程应用上大量采用工程整定法。 下面介绍PID型控制器参数的工程整定方法。 【经验试凑法；临界比例带法；衰减曲线法；响应曲线法】,46,3.6.1 经验试凑法,将控制器参数设置为某些经验值，使系统闭环运行，观察过渡过程的曲线形状(亦可以施加一定的扰动，如改变设定值)。若曲线不够理想，根据控制器参数对过渡过程的不同影响，按规定的顺序，反复凑试，直到满意为止。,47,控制器参数经验数据,整定步骤,48,(1)在纯比例作用下(TI=、TD=0) 在比例度PC按上表的取值下，将系统投入运行； 若曲线振荡频繁，则加大比例度PC ； 若超调量大，且趋于非周期，则减少PC，求得满意 的4：1过渡过程曲线。,(2)引入积分作用,将积分时间TI由大到小进行整定； 若曲线波动较大，则应增大TI； 若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少TI， 以求得较好的过渡过程曲线。,(3)若需引入微分作用,49,将TD按经验值或按TD=(1/31/4)TI设置，并由小到大加入； 若曲线超调量大而衰减慢，则需增大TD； 若曲线振荡厉害，则应减小TD； 观察曲线，再适当调节PC和TI，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。,PID参数整定经验,参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢，微分时间应加长； 理想曲线两个波，前高后低比； 一看二调多分析，调节质量不会低。,50,51,在扰动作用下被控量出现等幅振荡的状态叫临界状态(图4-6)，处于临界状态时控制器的比例系数(比例带)和被控量的振荡周期，分别叫做临界比例系数KC(比例带PK)和临界周期TK 。临界比例带法【Ziegler-Nichols第二法则】是在得到PK 和TK基础上的参数整定方法，计算公式见下表。,临界振荡曲线,临界比例带法参数计算表,TK,怎样得到临界状态,3.6.2 临界比例带法,(1)在纯比例作用下投入(TI=,TD=0),比例度PC适当；平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。 (2)将PC逐渐减小，得到下图所示等幅振荡过程记下临界比例度PK和临界振荡周期TK值。,52,整定步骤,(3)根据PK和TK值，采用下页表中的经验公式，计算P、TI、TD的值。,(4)按“先P后I最后D”的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。 观察其运行曲线，若不够满意，再做进一步调整。,53,例： 用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=20%,临界振荡周期TK=1min，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。,解：应用经验公式， 可得 (1).比例控制器 =2K=220%=40% (2).比例积分控制器 =2.2K=2.220%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min (3).比例积分微分控制器 =1.6K=1.620%=32% TI=0.5TK=0.51=0.5min TD=0.25TI=0.250.5=0.125min,应用临界比例度法的几点注意事项： （1）在寻找临界状态时，应格外小心。因当比例带小于临界值Pk时，会出现发散振荡，可能使被控量超出工艺要求的范围，从而造成损失。 （2）对工艺上约束严格，不允许等幅振荡的场合，不宜采用此法。 （3）当比例带过小时，纯比例控制接近于双位控制，对于某些生产工艺不利，也不宜采用此法。,54,55,3.6.3 衰减曲线法,此法以41或101衰减过程作为整定的要求。先在纯比例作用下，调整P值得到41或101衰减过程的曲线，如图所示，记下此时的比例带PS，在曲线上取得振荡周期TS或上升时间TA。然后按后页表中经验公式，求出相应的P、TI 和TD值。,图4.7 41与101衰减曲线,56,101衰减比控制器参数计算表,41衰减比控制器参数计算表,57,例:某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，得S=20%，TS=10分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。,解 应用表中的经验公式，可得 (1)、比例控制器 =S=20% (2)、比例积分控制器 =1.2S=1.220%=24% TI=0.5TS=0.510=5min (3)、比例积分微分控制器 =0.8S=0.820%=16% TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min,58,4.6.4 响应曲线法,典型工业过程响应曲线(开环)如下图示：,典型(S型)响应曲线,Dy,t T,响应曲线法又称为Ziegler-Nichols第一法则，是一种根据广义对象的响应曲线【如响应曲线不为S型不能使用本方法】来整定控制器参数的方法。,59,得到广义对象的响应曲线(如何得到)； 由响应曲线得广义对象特性GP(s)【看作带滞后的一阶系统】； 按下表计算得到控制器参数值。 基于响应曲线的控制器参数整定计算表,【注意】计算所得参数值，仍须根据运行情况加以调整，才是实际所需的控制器参数整定值。,整定步骤,3.6.5 工程整定方法优缺点,1）经验凑试法：简单方便，容易掌握，应用较广泛，特别是对扰动频繁的系统更为合适。但此方法靠经验，要凑到一条满意的过程曲线，可能花费时间多。此方法对PID控制器的三个参数不容易找到最佳的数值。 2）临界比例带法：较简单，易掌握和判断，应用较广。此方法对于临界比例带很小的系统不适用，因在这种情况下，控制器的输出一定很大，被控量容易一下超出允许的范围，为工艺所不允许。 3）衰减曲线法：此法是在总结临界比例带的经验基础上提出来的，较准确可靠，安全，应用广泛。但对时间常数小的对象不易判断，扰动频繁的系统不便应用。 4）响应曲线法：较准确，能近似求出广义对象的动态特性。但加阶跃信号测试，须在不影响生产的情况下进行。,60,61,3.7 控制系统的投运,投运第一步：投运前准备 熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、电源、气源等，以保证投运时能及时正确的操作，故障能及时查找； 现场校验所有仪表，保证仪表能正常使用； 确认控制器的正、反作用；根据经验或估算，设置控制器参数；或者先将调节器设置为纯比例作用，比例度根据经验或估算，设置较大的位置； 确认控制阀的气开、气关作用； 根据前述所有选择，假设被控变量受干扰有一个增加，看控制系统能否克服干扰的影响。,3.7.1 基本步骤,62,投运第二步：现场人工操作,将控制阀前后的阀门1、2关闭，打开旁通阀3，观察测量仪表能否正常工作，待工况稳定。 投运第三步：手动遥控 用手动定值器或手操器调整作用于调节阀上的信号P至一个适当数值，然后，打开上游阀门1，再逐步打开下游阀门2，过渡到遥控，待工况稳定。,1,2,3,P,控制阀安装示意图,63,投运第四步：自动操作,手动遥控使被控变量接近或等于给定值，观察仪表测量值，待工况稳定后，控制器切换到“自动”状态。至此，初步投运过程结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，这时需要进一步进行参数整定。,64,2.7.2 系统运行中的故障判别 比较记录曲线前后变化； 比较控制室与现场同位号仪表的指示值； 比较相同仪表之间的指示值。,65,3.8 控制系统设计举例,3.8.1 液体贮槽工艺简介 在工业生产过程中，图示液体贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产的正常行，物料量进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此工艺要求液体贮槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化并保证物料不产生溢出。,储液槽,66,3.8.2 贮槽液位系统控制方案设计,3.8.2.1 选择被控参数 根据工艺简况可知，液体贮槽的液位要求维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，这是保证生产正常进行的工艺指标，所以其液位是直接指标(直接参数)，即为被控参数。 3.8.2.2 选择操纵量 从液仪贮罐的生产过程来看，影响液位有两个量，一是流入贮槽的流量，二是流出贮槽的流量。调节这两