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化工仪表及自动化 第六章简单控制系统 第一个问题 控什么 答 控制工艺要求的指标 具体分为两种情况 1 工艺要求的指标可以直接在线测量直接控制这个指标就可以了 直接指标控制 2 工艺要求的指标不可以直接在线测量寻找一个于工艺指标有明显的对应关系 且可以测量的另一个间接指标 通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的 间接指标控制 例如 精馏塔的组分是不能直接在线测量的 通过分析可以发现 当压力恒定的时候 组分与温度存在单值对应关系 或者温度恒定的时候 组分与压力存在单值对应关系 根据P155中的分析 最终可以确定 固定压力 通过控制温度来间接控制组分是合理的 第三个问题 以什么方式控 答 没有标准答案 选择合适的调节规律 最常用的调节规律 位式控制 P PI PD PID 需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合 后续问题 如何整定PID参数 答 临界比例度法 经验衰减曲线法 经验经验凑试法 最好的方法就是 经验 第二个问题 拿什么控 答 拿一个对被控变量影响较显著的变量来控 K大一些 T小一些 最好为0 第一节简单控制系统的结构与组成 简单控制系统通常是指由一个测量元件 变送器 一个控制器 一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统 图6 1液位控制系统 图6 2温度控制系统 第一节简单控制系统的结构与组成 图6 3简单控制系统的方块图 第二节简单控制系统的设计 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值 或按一定规律变化 的变量称为被控变量 明确控制目的 使生产过程自动按照预定的目标进行 并使工艺参数保持在预先规定的数值上 或按预定规律变化 分析生产工艺 关键 变量 对产品的产量 质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量 确定被控变量 两种控制类型 直接指标控制和间接指标控制当质量指标信号缺少检测手段 信号微弱 滞后很大时 可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标 一 被控变量的选择 第二节简单控制系统的设计 图6 5苯 甲苯溶液的T x图 图6 6苯 甲苯溶液的p x图 举例 塔顶易挥发组分纯度XD 塔顶温度TD 塔顶压力P三者之间的关系为 XD f TD P 两个独立变量 第二节简单控制系统的设计 从工艺合理性考虑 常常选择温度作为被控变量 原因 在精馏塔操作中 压力往往需要固定 只有将塔操作在规定的压力下 才易于保证塔的分离纯度 保证塔的效率和经济性 否则将影响工况 挥发度可能改变 物料平衡可能破坏 引起负荷波动 在塔压固定的情况下 精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的 这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系 所选变量有足够的灵敏度 第二节简单控制系统的设计 选择被控变量的原则 要有代表性 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态 一般是工艺过程中较重要的变量 滞后要小 尽量采用直接指标作为被控变量 当无法获得直接指标信号 或其测量和变送信号滞后很大时 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 灵敏度要高 被控变量应能被测量出来 并具有足够大的灵敏度 成本要低 选择被控变量时 必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状 被控变量应是独立可控的 简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联 耦合 关系 第二节简单控制系统的设计 在自动控制系统中 把用来克服干扰对被控变量的影响 实现控制作用的变量称为操纵变量 最常见的操纵变量是介质的流量 二 操纵变量的选择 1 操纵变量 第二节简单控制系统的设计 图6 7精馏塔流程图 如果根据工艺要求 选择提馏段某块塔板 一般为灵敏板 的温度作为被控变量 举例 控制变量与干扰变量 原则上 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操纵变量后 其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量 图6 8影响提馏段温度各种因素示意图 第二节简单控制系统的设计 影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有 通过工艺分析 选择蒸汽流量作为操纵变量 控制更及时 更显著 图6 8影响提馏段温度各种因素示意图 O P 图6 9干扰通道与控制通道示意图 干扰变量由干扰通道施加在对象上 起着破坏作用 使被控变量偏离给定值 操纵变量由控制通道施加到对象上 使被控变量回复到给定值 起着校正作用 控制质量系统的过渡过程形式 超调量 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期 对象特性系统的输入输出关系 分为对象静态性质和对象动态性质考察对象特性对控制质量的影响 用以选择控制变量 2 对象特性对操纵变量的影响 放大系数 K P 控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征 从控制有效性考虑 K0应适当的大一些 干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征 希望Kf小一些 Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小 控制变量选择的原则一 当多个输入变量都影响被控变量时 从静态特性考虑 应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量 对象静态特性对操纵变量的影响 操纵变量和干扰对被控变量的影响与对象特性有密切的关系 对象动态性质对操纵变量的影响 控制通道时间常数T0 由D E看出控制通道滞后时间 0 纯滞后使超调量增加 T0小一点好 反应灵敏 控制及时 不能过大 否则会使控制变量的校正作用迟缓 超调量增大 过渡时间增长 时间常数T 干扰通道时间常数Tf Tf越大越好 干扰对被控变量的影响越缓慢 越有利于改善控制质量 干扰通道滞后时间 f 只要控制通道不存在纯滞后 干扰通道的纯滞后 f不会影响控制质量 第二节简单控制系统的设计 操纵变量的选择原则 操纵变量应是可控的 即工艺上允许调节的变量 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏 在选择操纵变量时 除了从自动化角度考虑外 还要考虑工艺的合理性与生产的经济性 测量滞后对控制质量的影响 2 测量元件纯滞后时间的影响 一般是由于测量元件安装位置引起的 三 测量元件特性的影响 选择快速测量元件 正确选择测量元件的安装位置 在自动控制系统中 以温度测量元件和成分分析的取样装置所引起的测量滞后为最大 通常测量单元件应选择在最具代表性 响应最灵敏 最迅速的位置安装 应避免将其安装在死角或易挂料结焦的地方 分析取样则应在温度比较稳定 离设备较近之处 尽量减小纯滞后 正确使用微分器正确使用微分器 合理引入微分特性的超前作用 对克服测量滞后 改善控制质量是一种有效的方法 克服测量滞后的几种方法 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 一 控制规律的选择目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律 比例控制规律P 比例积分控制规律PI 比例积分微分控制规律PID 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 三种控制器性能比较表 2 控制器正 反作用的选择 保证整个控制系统形成负反馈 在控制系统中 控制器 被控对象 测量元件及执行器都有各自的作用方向 一般被控对象 测量元件及执行器的作用方向是固定的 因此为了使系统构成负反馈 应对控制器的正反作用进行调整 所谓作用方向 就是指输入变化后 输出的变化方向 当输入增加时 输出也增加 则称该环节为 正作用 方向 反之 当环节的输入增加时 输出减小 则称该环节为 反作用 方向 何谓 正 反 作用 控制器正反作用选择的基本原则 控制器正 反作用选择的步骤 1 判断被控对象的正反作用方向 由工艺机理确定 2 判断执行器的正反作用方向 由工艺安全条件选定 其选择原则是 控制信号中断时 应保证设备和操作人员的安全 3 确定广义对象的正反作用方向 一般测量变送环节为正作用方向 根据被控对象和执行器的作用方向 确定广义对象的正反作用方向 4 确定控制器的正反作用方向 广义对象正作用方向 则控制器应选择为反作用 反之亦然 第五节控制系统的投运及操作中的常见问题 炉温是随燃料的增多而升高的 以炉子也是 正 方向作用的 为了在控制阀气源突然断气时 炉温不继续升高 采用了气开阀 停气时关闭 是 正 方向 变送器是随炉温升高 输出增大 也是 正 方向 所以控制器必须为 反方向 才能当炉温升高时 使阀门关小 炉温下降 第五节控制系统的投运及操作中的常见问题 当控制阀打开时 液位是下降的 所以对象的作用方向是 反 的 控制阀采用了气开阀 在一旦停止供气时 阀门自动关闭 以免物料全部流走 故控制阀是 正 方向 变送器为 正 方向 这时控制器的作用方向必须为 正 才行 液位控制 控制阀采用了气开阀 例题分析 下图是锅炉的压力和液位控制系统的示意图 试确定系统中控制阀的气开 气关型式及控制器的正反作用 图锅炉控制 解 在液位控制系统中 从安全角度出发 主要是要保证锅炉水位不能太低 则控制阀应选择气关型 以便当气源中断时 能保证继续供水 防止锅炉烧坏 例题分析 流量控制阀应选择气关型 为 方向 当供水流量增加时 液位是升高的 故对象为 方向 测量变送器一般都是 方向 故在这种情况下 液位控制器LC应为正作用方向 在蒸汽压力控制系统中 为了保证气源中断时 停止燃料供给 防止烧坏锅炉 故控制阀应选择气开型 为 方向 当燃料量增加时 蒸汽压力是增加的 故对象为 方向 测量变送器为 方向 故压力控制器PC应为反作用方向 图锅炉控制 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 控制系统的投运 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 气管线 电源 气源等 以保证接线的正确性 及故障时能及时确定故障原因 2 根据经验或估算比例度 积分时间TI和微分时间TD的数值 或将控制器放在纯比例作用 比例度放在较大位置 3 确认控制阀气开 气关作用 确认控制器正 反作用 4 手动操作执行器 待工况稳定后 将控制器由手动状态切换到自动状态 控制系统由开环控制变为闭环控制 初步投运过程基本结束 但控制系统的过渡过程不一定满足要求 需要进一步整定比例度 积分时间TI和微分时间TD三个参数 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 1 临界比例度法 一 控制器参数的工程整定 按照已定的控制方案 求取使控制质量最好的控制器参数值 即确定最合适的控制器比例度 积分时间TI和微分时间TD 几种常用的工程整定法 先通过试验得到临界比例度 k和临界周期Tk 然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 图6 20临界振荡过程 在闭环的控制系统中 先将控制器变为纯比例作用 TI为无穷大 TD为零 在干扰作用下 从大到小地逐渐改变控制器的比例度 直至系统产生等幅振荡 这时记下临界比例度 K和临界振荡周期TK 表6 1临界比例度法参数计算公式表 特点 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值 图6 194 1和10 1衰减振荡过程 2 衰减曲线法 在闭环的控制系统中 先将控制器变为纯比例作用 并将比例度预置在较大的数值上 在达到稳定后 用改变给定值的办法加入阶跃干扰 观察被控变量记录曲线的衰减比 然后从大到小改变比例度 直至出现4 1或10 1衰减比为止 通过比例度 s和衰减周期TS或上升时间T升 得到控制器的参数整定值 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 表6 24 1衰减曲线法控制器参数计算表 表6 310 1衰减曲线法控制器参数计算表 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 根据经验先将控制器参数放在一个数值上 直接在闭环的控制系统中 通过改变给定值施加干扰 在记录仪上观察过渡过程曲线 运用 TI TD对过渡过程的影响为指导 按照规定顺序 对比例度 积分时间TI和微分时间TD逐个整定 直到获得满意的过渡过程为止 3 经验凑试法 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 表6 4各类控制系统中控制器参数经验数据表 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 整定的步骤 1 先用纯比例作用进行凑试 待过渡过程已基本稳定并符合要求后 再加积分作用消除余差 最后加入微分作用是为了提高控制质量 比例度过小 积分时间过小或微分时间过大 都会产生周期性的激烈振荡 但是 积分时间过小引起的振荡 周期较长 比例度过小引起的振荡 周期较短 微分时间过大引起的振荡周期最短 第三节控制器控制规律的原则及参数整定 图6 20三种振荡曲线比较 图6 21比例度过