过程控制仪表.ppt

第三章过程控制仪表 3 1总体概述 一 过程控制仪表的分类及特点 1 按能源形式分类 可分为电动 气动 液动和机械式等几种 工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表 2 按信号类型分类 模拟式 数字式 由模拟元件构成传输信号通常为连续变化的模拟量 如电流信号 电压信号 气压信号等线路较简单 操作方便 使用灵活 价格较低 以微处理器 单片机等大规模集成电路芯片为核心传输信号通常为断续变化的数字量 如脉冲信号可以进行各种数字运算和逻辑判断 其功能完善 性能优越 能解决模拟式仪表难以解决的问题 3 按结构形式分类 单元组合式仪表基地式仪表集散型计算机控制系统现场总线控制系统 单元组合式仪表 将各种单元进行不同组合 可以构成多种多样 适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统 有电动单元组合仪表 DDZ 和气动单元组合仪表 QDZ 两大类 都经历了I型 II型 0 10mA III型 4 20mA 1 5v 的三个发展阶段 根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求 将仪表做成能实现一定功能的独立仪表 称为单元 各个仪表之间用统一的标准信号进行联系 单元组合仪表 变送单元 温度变送器压力变送器差压变送器流量变送器液位变送器 将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置 以供显示 记录或控制 转换单元 直流毫伏转换器频率转换器电 气转换器气 电转换器 将电压 频率等电信号转换成标准统一信号 或者进行标准统一信号之间的转换 以使不同信号在同一控制系统中使用 单元组合仪表 控制单元 运算单元 比例积分微分控制器比例积分控制器比例微分控制器具有特种功能的控制器 将变送单元的测量信号与给定信号比较 按偏差给出控制信号 去控制执行器 加减器乘除器开方器 显示单元 指示仪指示记录仪报警器 单元组合仪表 给定单元 执行单元 辅助单元 输出统一标准信号 作为被控变量的给定值送到控制单元 实现定值控制 给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值 角行程电动执行器直线行程电动执行器气动薄膜调节阀 按控制器输出的控制信号和手动操作信号 改变控制变量 操作器 手动操作及手动 自动的切换作用阻尼器 压力或流量等信号的平滑 阻尼限幅器 限制信号的上 下限值安全栅 将危险场所与非危险场所隔开 起安全防爆作用 基地式控制仪表 相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起 构成一个仪表 通常以指示 记录仪表为主体 附加控制 测量 给定等部件而构成 其控制信号输出一般为开关量 也可以是标准统一信号 一个基地式仪表具有多种功能 与执行器联用或与变速器联用 便可构成一个简单的控制系统 性能价格比高 适用于单参数的控制系统 集散控制系统 DCS系统 分散控制 集中管理 控制站 下位机 操作站 上位机 过程通信网络 数据采集 处理及控制由DCS系统的基本控制器 包括控制卡 信号输入输出卡 电源等 构成或由可编程序控制器PLC 包括CPU I O 电源等模块 或带有微处理器的数字式控制仪表构成 实现操作站与控制站的连接提供与企业管理网络的连接 过程信息的集中显示 操作和管理由工业控制计算机 监视器 打印机 鼠标 键盘 通信网卡等组成 现场总线控制系统 FCS系统 现场控制和双向数字通信 将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中 实现现场控制 现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信 二 信号制 信号制即信号标准 是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值 气动仪表的信号标准 20kPa 100kPa电动仪表的信号标准 4 20mADCDDZII型电动仪表的信号标准 0 10mADC 1 检测元件和变送器的作用 模拟仪表 标准信号通常采用4 20mA 0 10mA 1 5v电流或电压信号 20 100kPa气压信号 将工业生产过程的参数 流量 压力 温度 物位 成分等 经检测 变送单元转换为标准的电或气信号 变送器输出的是被控变量的测量值 它被送到显示和控制装置 用于显示和控制 现场总线仪表 标准信号是数字信号 3 2检测变送环节 一 检测变送环节的性能 2 对检测变送单元的基本要求 准确 检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量 误差小 迅速 及时反映被控或被测变量的变化 可靠 能在环境工况下长期稳定运行 3 选用时的基本考虑 首先考虑元件能否适应工业生产过程中的高低温 高压 腐蚀性 粉尘和爆炸性环境 能否长期稳定运行 仪表精度和量程的选择选用仪表的精度要合适 应符合工业检测要求仪表测量误差 仪表本身误差 环境工况引入的误差 动态误差量程选择 量程的改变会引起最大读数误差变化和增益变化 考虑仪表和变送器的线性特性 4 动态特性 Km小 增大控制器的增益 有利于克服扰动对影响 Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关 选择合适的测量范围可改变检测变送环节Km 对Km的考虑 作为广义对象的组成 应考虑与Tp和Tv的匹配 及增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值 对Tm的考虑 相对于Tp Tm是较小的 但有例外 成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大 气动仪表的时间常数较电动仪表要大 采用保护套温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数 应考虑时间常数随过程运行而变化的影响 保护套结垢 造成时间常数增大 保护套磨损 造成时间常数减小 减小Tm的措施 检测点位置的合理选择 选用小惯性检测元件 缩短气动管线长度 减小管径 正确使用微分单元 选用继动器或放大器等 对 m的考虑 m l v 与Tm一起考虑 应使 m Tm小通常在温度 过程成分的检测变送中要考虑减小 m的途径 选择合适的检测点位置 减小传输距离l 选用增压泵 抽气泵等装置 提高传输速度v 热电偶检测温度时 由于产生的热电偶不仅与热端温度有关 也与冷端温度有关 因此需要进行冷端温度补偿 二 对检测变送信号的处理 1 信号补偿 热电阻到检测变送仪表之间的距离不同 连接导线的类型和规格不同 导致线路电阻不同 因此需要进行线路电阻补偿 气体流量检测时 由于检测点温度 压力与设计值不一致 因此需要进行温度和压力的补偿 精馏塔内介质成分与温度 塔压有关 正常操作时 塔压保持恒定 可直接用温度进行控制 当塔压变化时 需要用塔压对温度进行补偿 2 线性化 硬件组成非线性环节进行线性化处理 例如采用开方器对差压进行开方运算 也可用软件实现线性化处理 3 信号滤波 目的 由于存在随机噪声 引起检测信号波动 计算机控制时 由于信号是采样输入 因此 引入噪声 方法 硬件滤波 RC电路 气阻气容等组成滤波线路数字滤波 数字低通 高通 带通等滤波程序 算法有 一阶低通滤波 一阶高通滤波 递推平均滤波 程序判别滤波 4 数学运算 5 信号报警 当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时 需要进行数学运算获得实际的被控变量数值 如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围 就要进行信号报警和连锁处理 6 数字变换 例如快速傅里叶变换 小波变换 在计算机控制系统中 模数转换和数模转换时经常使用的 形象地称执行器为实现生产过程自动化的 手脚 3 3执行器 一 概述 执行器安装在生产现场 直接与介质接触 常常在高压 高温等恶劣的状况下工作 因此 它是控制系统的薄弱环节 作用 控制流入或流出被控过程的物料或能量 从而实现对过程参数的自动控制 直接影响过程控制系统的质量 接受调节器输出的控制信号 转换成直线位移或角位移 来改变调节阀的流通截面积 根据执行机构使用的能源种类 执行器可分为气动 电动 液动三种 气动执行器 结构简单 工作可靠 价格便宜 维护方便 防火防爆等优点 电动执行器 能源取用方便 信号传输速度快和传输距离远 动作较快 缺点是结构复杂 推力小 价格贵 适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所 液动执行器 推力最大 但目前使用不多 调节机构有单座 双座 偏心旋转 套筒 蝶阀等 1 气动执行器 气动执行机构有薄膜式和活塞式两种 二 执行器结构 调节机构 控制阀体 作用 是一个局部阻力可以变化的节流元件 流量方程 调节原理 当口径A和差压 P1 P2 一定时 流量Q仅随阻尼 的变化而变化 改变阀门的开启程度 可改变流通阻力而控制介质流量 2 电动执行器 电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成 最简单的电动执行器称为电磁阀其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件 将调节阀的信号转变为阀的开度 其中调节机构和气动执行器是通用的 不同的只是电动执行器使用电动执行机构 即使用电动机等电的动力启闭调节阀 气开阀 在有信号压力输入时阀打开 无信号压力时阀全关 1 执行机构与调节机构的组合 三 调节阀的气开和气关 气关阀 在有信号压力时阀关闭 无信号压力时阀全开 从控制系统角度出发 气开阀为正作用 气关阀为反作用 正作用执行机构 当输入气压信号增大时 阀杆向下移动 反作用执行机构 当输入气压信号增大时 阀杆向上移动 正体阀 阀杆下移时流量减小 反体阀 阀杆下移时流量增大 气关型 气开型 气开型 气关型 2 选择原则 基本原则 根据安全生产的要求选择调节阀的气开和气关 考虑事故状态时人身 工艺设备的安全 当过程控制系统发生故障 如气源中断 控制器损坏或调节阀坏了 时 调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全 考虑事故状态下减少经济损失 保证产品质量 考虑介质的性质 对装有易结晶 易凝固物料的装置 蒸汽流量调节阀需选用气关式 一旦事故发生 使其处于全开状态 以防止物料结晶 凝固和堵塞给重新开工带来麻烦 甚至损坏设备 1 理想流量特性 调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系 即 相对流量 即调节阀某一开度时流量与全开流量之比 相对开度 即调节阀某一开度行程与全开行程之比 四 调节阀的流量特性 理想流量特性 在阀前后压差为一定的情况下 p 常数 得到的流量特性 取决于阀芯的形状 不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性 直线流量特性曲线 K 常数 即执行器的放大系数 调节阀的相对流量与相对开度成直线关系 即单位位移变化所引起的流量变化是一个常数 边界条件 当l 0时 q qmin当l L时 q qmax 调节阀的可调比 R 30 只要阀芯位移量相同 则流量变化也总是相同的 即单位行程变换所引起的流量变化是相等的 在10 开度时 在50 开度时 在80 开度时 相对流量的相对于当前值的相对变化量为 直线流量特性调节阀在小开度时 控制作用强 易产生振荡 大开度时 调节缓慢 不够及时 对过程控制系统来说 要求在小负荷时控制作用小一些 大负荷时控制作用加强一些 这需要由调节阀的流量特性来补偿 直线流量特性调节阀时不能满足这一要求的 对数 等百分比 流量特性 代入边界条件 单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系 在10 开度时 在50 开度时 在80 开度时 从过程控制工程来看 利用对数 等百分比 流量特性是有利的 调节阀在小开度时 调节阀的放大系数小 控制平稳缓和 调节阀在大开度时 其放大系数大 控制作用灵敏有效 抛物线流量特性 将边界条件代入可得 它介于直线流量特性和对数流量特性之间 通常可用对数流量特性来代替 单位相对行程 开度 的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系 快开流量特性 在小开度时流量就已很大 随着行程的增大 其流量就很快达到最大 故称为快开特性 当阀的行程大时 阀的流通面积不再增大 不能起控制作用 这种调节阀通常用于二位式控制或程序控制 2 工作流量特性 调节阀前后压差变化时的流量特性称为工作流量特性 调节阀与管道设备串联时的工作流量特性 令S为调节阀全开时的阀前后压差与管道系统的压差之比 即 串联管道调节阀工作特性 在S 1时 管道阻力损失为零 系统的总压差全部降在调节阀上 实际工作流量特性与理想特性是一样的 随着S值的减小 管道阻力损失增加 结果不仅调节阀全开时的流量减小 而且流量特性也发生了很大的畸变 直线特性趋向于快开特性 等百分比特性趋向于直线特性 并且S值越小 影响越大 因此在实际使用中 S值不能太小 通常希望S值不低于0 3 调节阀与管道设备并联时的工作流量特性 并联的目的 冗余措施 增大产量 流量 令S 为调节阀全开流量与总管最大流量之比 即 当s 1时 即关闭旁路 调节阀工作流量特性西即为理想流量特性 随着旁路阀打开 即s 值逐渐减小时 系统可调范围大大下降 这将使调节阀所能控制的流量变化很小 3 调节阀流量特性的选择 考虑系统的控制品质 一个理想的控制系统 希望其总的放大系数在系统的整个操作范围内保持不变 考虑工艺管道情况 调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关 即与工艺配管情况有关 考虑负荷变化情况 调节阀流量特性的选择一般分两步进行 首先根据过程控制系统的要求 确定工作流量特性 然后根据流量特性曲线的基本情况 确定理想流量特性 以作为向生产厂家定货的内容 直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大 控制过于灵敏 易引起振荡 且阀芯 阀座也易受到损坏 因此在S值小 负荷变化大的场合 不宜采用 等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大 流量相对变化值是恒定不变的 因此它对负荷变化有较强的适应性 由对象特性 选工作特性 推理想特性 查厂家手册 五 阀门定位器 气动执行器的主要附件利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和灵敏度实现准确定位 改善调节阀的动态特性 改变调节阀的流量特性 实现分程控制 一 基本控制算法分析 控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号 偏差 变化的规律 这个规律常称为控制器的特性 3 4控制器的模拟控制算法 原理简单 使用方便 适应性强 鲁棒性强 即其控制品质对被控对象特性变化不太敏感 控制作用的初始稳态值 比例放大系数 积分时间 微分时间 Kd 微分增益 1 比例控制算法分析 二 比例控制算法 控制输出与偏差之间在一定范围内保持比例关系 有饱和区的比例特性 局部 线性整体 非线性 通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入 偏差 的范围 因此 比例度又称为比例带 当采用计算机控制装置或单元组合仪表 则有 如果u直接代表调节阀的开度 当调节阀开度改变100 即从全关到全开 即 则可以看出 就代表对应的被调量的相对变化范围 只有当被调量处在这个范围以内 调节阀的开度 变化 才与偏差成比例 超出这个 比例带 以外 调节阀已处于全开或全关的状态 此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系 而调节器也至少暂时失去其控制作用了 例如 若测量仪表的量程为100 C 则 50 就表示被调量需要改变50 C才能使调节阀从全关到全开 控制器有正作用和反作用之分 控制器增益有正负之分 当控制器的测量y增加时 控制器的输出u增加 正作用控制器当控制器的测量y增加时 控制器的输出u增加 反作用控制器 由于 u Kc r y Kce 则 正作用控制器 Kc为负号 反作用控制器 Kc为正号 2 比例增益对控制系统的影响 对余差的影响 Kc e 定值控制系统 当干扰是幅值为F的阶跃信号 Kc e 自衡非振荡过程 随动控制系统 输入信号是幅值为R的阶跃信号 根据终值定理 无自衡非振荡过程 随动控制系统 e 0 定值控制系统 Gf s 具有自衡特性时 e 0 Gf s 具有无自衡特性 即 对系统过渡过程的影响 衰减比 最大动态偏差 余差 振荡 周期 对控制系统稳定性的影响 系统的开环频率特性曲线 系统的开环频率特性曲线随比例增益的增加向 1 j0 点移动 系统的稳定性变差 随着比例增益的增大 系统的稳定性变差 上述的结果适用于大多数工业过程被控对象的稳定性分析 但对具体被控对象和扰动通道还应具体分析 设开环不稳定对象 采用比例控制器 Kc增大时 控制系统的根轨迹 Kc小时 系统不稳定 随着Kc的增大 系统的改善 直到系统阻尼 1 比例积分控制算法分析 Ti为积分时间Ki为积分增益 积分控制的主要作用在于消除余差 u t 物理上是不能实现 三 比例积分控制算法 2 对PI控制作用的分析 PI控制作用是P作用和I作用之和 比例控制起粗调作用 积分作用起细调作用 直到余差消除 偏差为零时积分输出才停止 PI控制作用是比例增益不断调整的P作用 PI控制作用是初始稳态值不断移动的P作用 对系统过渡过程的影响 Ti对定值控制系统过渡过程的影响 Kc相同 Ti减小 当Kc不变时 减小Ti 积分控制作用增强 衰减比减小 振荡加剧 随动控制系统闭环响应的超调量增大 调节过程加快 振荡频率升高 PI控制器中 保持Kc不变而减小Ti 或保持Ti不变而增大Kc 都会增强积分控制作用 使衰减比减小 振荡加剧 超调量或最大偏差增大 积分控制作用除了用于消除闭环系统余差外 它也降低闭环控制系统的振荡频率 使闭环控制系统的响应变慢 这是由于引入积分后 闭环系统阶数增大 并引入相位滞后所造成的 1 微分控制规律 比例控制和微分控制都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的 不管当时偏差的变化趋势 四 比例微分控制算法 如果控制器能够根据被控变量的变化速度来移动调节阀 而不要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作 那么控制的效果会更好 等于赋予控制器以某种程度的预见性 这种控制作用称为微分控制 此时控制器的输出与被控变量或其偏差对时间的倒数成正比 即 理想比例控制算法为 2 比例微分控制算法 写成增量式为 Td为微分时间 微分时间Td是在斜坡信号输入下 达到同样输出值u PD作用比纯比例P作用提前的时间 Kd称为微分增益 严格按照上式动作的控制器在物理上是不能实现的 从数学上说 理想的微分作用在输入阶跃信号时 其输出为高度为无穷大 宽度为无