单回路控制系统PPT课件.ppt

第十二章单回路控制系统 本章介绍单回路控制系统的组成与工作原理 主要讲述单回路控制系统的设计 包括 1 被控量和操纵量的确定 2 检测与变送器的选择 3 控制作用和控制阀的选择 4 控制系统的工程整定和投运 最后通过一个例子来说明单回路控制系统的设计问题 1 第十二章单回路控制系统 第一节概述第二节被控量与操纵量的选择第三节检测及变送环节的考虑第四节控制阀的选择第五节控制器控制规律及作用方向的选择第六节控制器参数的工程整定第七节自动控制系统的投运第八节单回路控制系统设计实例 2 第一节概述 一 单回路控制系统组成与工作原理由一个测量变送器 一个调节器 一个执行器和对象组成 仅有一个闭合回路的系统叫单回路控制系统 回路系统占总系统的80 以上 在选择控制方案时 只有在简单控制系统不能满足生产过程控制的要求时 才考虑采用两个回路以上组成的复杂控制系统 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 3 二 如何确定控制方案 控制系统的设计就是在了解工艺要求基础上 选择合适的控制方案 确定相应的控制装置 以使被控量按预期自动运行 设计时主要考虑以下几个环节 1 被控量 输出 和操纵量 输入 的确定 2 检测变送环节的考虑 信息的获取与变送 3 控制作用和控制阀的选择 4 控制系统的工程整定和投运 4 第二节被控量和操纵量的选择 一 被控量的选择原则 作为被控量 必须能够获得检测信号并有足够大的灵敏度 滞后要小 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状 检测点的选取必须合适 被控量的选择方法 1 选直接参数 即能直接反映生产过程产品产量和质量 以及安全运行的参数 如锅炉水位控制 2 选间接参数 当选直接参数有困难时采用 间接指标与直接指标之间必须是一一对应的函数关系 如锌精矿沸腾炉的炉温控制 炉温是反映焙砂质量的一个间接指标 5 二 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 那如何选 从对象特性对控制质量的影响入手 完成下表 6 操纵量的选择原则 1 控制通道对象放大系数适当地大些 时间常数适中 纯滞后越小越好 2 扰动通道对象的放大系数应尽可能小 时间常数应尽可能大 3 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 4 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 7 第三节检测及变送环节的考虑 一 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 二 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 三 选型注意事项应尽量减少其时间常数与滞后时间 8 第四节控制阀的选择 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 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 9 控制阀选择内容 1 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 2 结构形式 3 开闭形式 4 口径计算 ZXP ZJHP 型新系列气动薄膜直通单座阀 ZAZN型电动双座阀 10 一 控制阀的流量特性选择 一 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 11 控制阀的流量特性选择原则 G0 s GC s GV s GP s Gm s const通常使G0 jwg 0 5 为什么 其中wg为相位截止频率 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 控制阀 KV 阀与对象的放大系数 输入 输出 合成 K0 对象 KP 式中KV KP分别为控制阀与被控对象的放大系数 12 二 流量特性的选择方法 1 数学分析法根据对象特性选取控制阀流量特性 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 1 需要考虑工艺配管情况 2 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 13 对数 抛物线 蝶阀 R2R1 R2R1 R2R1 Q1Q2 数学分析法 随动控制系统 设定值R为干扰 1 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 2 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 3 KP变化 且随Q增大反而增大 则应选快开流量特性 Q y Q y Q y l Q l Q l Q 设定值R改变 快开 直线 14 R R R Q1Q2Q3 数学分析法 定值控制系统 负荷为干扰 1 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 2 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 3 KP变化 且随Q增大反而增大 则应选快开流量特性 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 15 数学分析法选控制阀流量特性注意事项 1 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 2 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 3 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 16 经验法 按控制对象选择流量特性 17 经验法 按配管情况选择流量特性 18 三 控制阀特性选择注意事项 1 应根据主要干扰的变化来选择阀门特性 2 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 3 要求高时 应从动态角度考虑与分析 4 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 19 四 阀门流量特性选择实例 1 根据物料平衡求对象特性 LT Q1 Q2 LC A h 2 画控制系统方框图 GC s Gm s GV s H s B s Q1 s Q2 s 20 3 设定值扰动引起工作点移动 出液阀开度b不变 KP会随设定值变化 静态推理 考虑对动态特性的补偿 综合静态与动态要求 选直线特性控制阀 21 4 出液阀开度b0变化引起工作点移动 设定值恒定 即h0不变 KP 1 b0 TC 1 b0 要补偿对象特性变化对系统的影响 可按如下过程来选取控制阀流量特性 若b0 KP 要维持K0恒定 需KV Q2 Q1 需阀开度 要求阀在开度增大时 阀增益减少 故应选对数阀 静态补偿推理过程 动态补偿推理过程 TC 稳定性 需KV 若b0 要维持稳定性能不变 要求阀在开度增大时 阀增益减少 故应选快开阀 Q2 Q1 需阀开度 综合静态与动态要求 选直线阀 22 二 控制阀结构形式的选择 控制阀选用时需注意两点 1 被控介质的工艺条件 如温度 压力 流量 2 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 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 23 控制阀结构形式特点及适用场所 24 三 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 考虑原料 成品及动力等的因素 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 正正 反反 p0 p0 正反 反正 p0 p0 气关阀气开阀 25 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 1 进料 出料阀 控制原料 热源 气开 2 回流阀 如精馏罐回流 气关 3 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 26 四 控制阀口径计算 调节阀的口径选择是由调节阀流通能力C 或称流量系数 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 27 一 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 1 根据实际最大流量Qmax 算出相应的流通能力Cmax 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 2 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 25 0 8之间 即按常用流量乘以4 1 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 28 二 控制阀口径计算计算步骤 1 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 2 确定计算C值的各项参数值 如阀前 后压力及压差 最大 常用与最小流量 密度以及其他辅助修正系数 3 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 4 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 5 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 6 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 29 第五节控制器控制规律及作用方向的选择 一 控制器控制规律的选择控制系统品质主要取决于控制器控制作用的选择 选择控制规律时 需根据对象特点以及控制要求来进行 基本的控制作用主要有位式 比例 P 比例积分 PI 比例微分 PD 和比例积分微分 PID 等几种 下表列出了它们各自特点以及使用场合以供选择 30 常用控制规律特点及适用场合 31 二 控制器正 反作用方式的选择 原则 使整个单回路构成负反馈系统 即 控制器 广义对象 控制器 正作用为 反作用为 广义对象 包括控制阀 气开式为 气关式为 实际对象 输入物料或能量增加时 被控参数随之增加为 随之减少为 与检测变送环节 一般为 32 第六节控制器参数整定 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 工程上主要采用工程整定法 33 一 经验试凑法 是将控制器参数设置为某些经验值 下表 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 控制器参数经验数据表 34 二 临界比例带法 在扰动作用下被控量出现等幅振荡的状态叫临界状态 见图 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 35 临界比例带法 Ziegler Nichols第二法则得到的PID控制器 将给出如下公式 GPID s 36 三 衰减曲线法 此法以4 1或10 1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4 1或10 1衰减过程的曲线 如图 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 然后按对应表的经验公式 求出相应的P TI和TD值 4 1与10 1衰减曲线 4 1 10 1 TS TA 37 10 1衰减比控制器参数计算表 4 1衰减比控制器参数计算表 38 四 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 tT 响应曲线法整定又称为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 其整定目标是得到4 1衰减响应曲线 整定过程如下 39 1 得到广义对象的响应曲线 如何得到 2 由响应曲线得广义对象特性GP s 看作带滞后的一阶系统 3 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 40 响应曲线法 Ziegler Nichols第一法则得到的PID控制器 将给出如下公式 GPID s 41 五 工程整定方法优缺点 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 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 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 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 42 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 43 第七节自动系统的投运 一 步骤投运 一 准备工作 1 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 2 现场校验所有仪表 保证仪表能正常使用 3 确认控制器的正 反作用 根据经验或估算 设置控制器参数 或将调节器设置为纯比例作用 并根据经验或估算设置比例度值较大 4 确认控制阀的气开 气关作用 5 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 44 二 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 1 2 3 P 控制阀安装示意图 三 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 如图 45 四 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 必须注意的是由手动切换到自动或由自动切换到手动 因所用的仪表型号不同 而有不同的切换程序和操作方法 46 二 系统运行中的故障判别 控制系统顺利投运之后 说明控制方案设计合理 仪表及管线安装正确 工作正常 但在长期运行中 仪表或工艺有时会出现故障 使记录曲线发生变化 到底是工艺问题还是仪表自动装置的原因造成曲线变化 这要进行判别 操作人员要有所了解 简单判别方法如下 1 比较记录曲线前后变化 2 比较控制室与现场同位号仪表的指示值 3 比较相同仪表之间的指示值 47 第八节单回路控制系统设计举例 一 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 图12 A储液槽 Q1 Q2 48 二 贮槽液位系统控制方案设计 一 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