化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第8章.ppt

1、化工仪表及自动化,第八章 对象特性和建模,内容提要,数学模型及描述方法 被控对象数学模型 数学模型的主要形式 机理建模 一阶对象 积分对象 时滞对象,1,内容提要,描述对象特性的参数 放大系数 时间常数 滞后时间 实测建模,2,第一节 数学模型及描述方法,自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。,研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素，如下图所示。,3,一、被控对象数学模型,图8-1 对象的输入、输出量,第一节 数学模型及描述方法,对象的数学模型分为静态数

2、学模型和动态数学模型,4,第一节 数学模型及描述方法,用于控制的数学模型（a、b）与用于工艺设计与分析的数学模型（c）不完全相同。,5,第一节 数学模型及描述方法,分类,数学模型建立的途径不同,机理建模 实测建模 混合模型,6,第一节 数学模型及描述方法,机理模型从机理出发,即从对象内在的物理和化学规律出发, 建立描述对象输入输出特性的数学模型。,经验模型对于已经投产的生产过程,我们可以通过实验测试或依据积累的操作数据,对系统的输入输出数据,通过数学回归方法进行处理。,混合模型通过机理分析,得出模型的结构或函数形式，而对其中的部分参数通过实测得到。,7,第一节 数学模型及描述方法,二、数学模型

3、的主要形式,8,非参量模型,当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。,第一节 数学模型及描述方法,当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型,参量模型,9,静态数学模型比较简单,一般可用代数方程式表示。 动态数学模型的形式主要有微分方程、传递函数、差分方程及状态方程等,第一节 数学模型及描述方法,10,对于线性的集中参数对象,在允许的范围内，多数化工对象动态特性可以忽略输入量的导数项可表示为,1.微分方程,第一节 数学模型及描述方法,11,第二节 机理建模,一、一阶对象,1.水槽对象,18,第二节 机理建模,19,（8-14）,若变化量很微小，可以近似认为Q2与h 成正

4、比,图8-2 水槽对象,第二节 机理建模,20,2.RC电路,ei若取为输入参数， eo为输出参数，根据基尔霍夫定理,由于,图8-3 RC电路,第二节 机理建模,二、积分对象,当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，称为积分对象。,21,图8-4 积分对象,第二节 机理建模,三、时滞对象,有的对象或过程,在受到输入作用后,输出变量要隔上一段时间才有响应,这种对象称为具有时滞特性的对象,而这段时间就称为时滞0 (或纯滞后)。,时滞的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。,23,第二节 机理建模,24,溶解槽及其反应曲线,举例,第二节 机理建模,从测量方面来说，由于测量点选择不

5、当、测量元件安装不合适等原因也会造成传递滞后。,图8-6 蒸汽直接加热器,当加热蒸汽量增大时，槽内温度升高，然而槽内溶液流到管道测温点处还要经过一段时间0。所以，相对于蒸汽流量变化的时刻，实际测得的溶液温度T要经过时间0后才开始变化。,注意：安装成分分析仪器时，取样管线太长，取样点安装离设备太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。,25,26,第二节 机理建模,图8-7 时滞对象输入、输出特性,第二节 机理建模,说明：基于机理通过推导可以得到描述对象特性的微分方程式或传递函数。,27,第三节 描述对象特性的参数,一、放大系数K,对于前面介绍的水槽对象，当流入流量Q1有一定的阶跃变化后

6、，液位h也会有相应的变化，但最后会稳定在某一数值上。如果我们将流量Q1的变化Q1看作对象的输入，而液位h的变化h看作对象的输出，那么在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出，这种特性称为对象的静态特性。,28,第三节 描述对象特性的参数,29,或,K在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，即被控变量对这个量的变化越灵敏。,图8-8 水槽液位的变化曲线,第三节 描述对象特性的参数,30,生产过程要求一氧化碳的转化率要高，蒸汽消耗量要少，触媒寿命要长。通常用变换炉一段反应温度作为被控变量，来间接地控制转换率和其他指标

7、。,图8-9 一氧化碳变换过程示意图,图8-10 不同输入作用时的被控变量变化曲线,第三节 描述对象特性的参数,影响变换炉一段反应温度的因素主要有冷激流量、蒸汽流量和半水煤气流量。改变阀门1、2、3的开度就可以分别改变冷激量、蒸汽量和半水煤气量的大小。从右上图看出，冷激量对温度的相对放大系数最大；蒸汽量对温度的相对放大系数次之；半水煤气量对温度的相对放大系数最小。,31,第三节 描述对象特性的参数,二、时间常数T,32,从大量的生产实践中发现，有的对象受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值；有的对象在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。,图8-11 不同

8、时间常数对象的反应曲线,第三节 描述对象特性的参数,33,第三节 描述对象特性的参数,34,由前面的推导可知,图8-12 反应曲线,第三节 描述对象特性的参数,对于简单水槽对象，K=RS，即放大系数只与出水阀的阻力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。,35,第三节 描述对象特性的参数,36,当对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2所需的时间，就是时间常数T，实际工作中，常用这种方法求取时间常数。显然，时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。,第三节 描述对象特性的参数,图8-13 不同时间常数对象的反应曲线,T1T2T3T4,说明 时间常数大

9、的对象（如T4) 对输入的反应较慢， 一般认为惯性较大。,37,第三节 描述对象特性的参数,38,在输入作用加入的瞬间，液位h的变化速度是多大呢？,第三节 描述对象特性的参数,图8-14 时间常数T的求法,由左下图所示，式（8-41）代表了曲线在起始点时切线的斜率，这条切线在新的稳定值h（）上截得的一段时间正好等于T。,39,第三节 描述对象特性的参数,三、滞后时间,分类,40,第三节 描述对象特性的参数,1.时滞,图8-15 具有纯滞后的一阶对象反应曲线,可见，具有时滞的一阶对象与没有时滞的一阶对象,它们的反应曲线在形状上完全相同,只是具有时滞的反应曲线在时间上错后一段时间0。,41,第三节

10、 描述对象特性的参数,2.容量滞后,图8-16 具有容量滞后对象的反应曲线,图8-17 图解近似方法,42,第三节 描述对象特性的参数,在容量滞后与纯滞后同时存在时，常常把两者合起来统称滞后时间，即0h。,43,图8-18 滞后时间示意图,第三节 描述对象特性的参数,目前常见的化工对象的滞后时间和时间常数T大致情况如下： 被控变量为压力的对象不大,T也属中等; 被控变量为液位的对象很小,而T稍大; 被控变量为流量的对象和T都较小,数量级往往在几秒至几十秒; 被控变量为温度的对象和T都较大,约几分至几十分钟。,44,第四节 实测建模,45,第四节 实测建模,在测试过程中要注意：, 加测试信号之前

11、，对象的输入量和输出量应尽可能稳定一段时间，不然会影响测试结果的准确度。 对于具有时滞的对象，当输入量开始作阶跃变化时，其对象的输出量并未开始变化,这时要在记录纸上标出开始施加输入作用的时刻，即反应曲线的起始点，以便计算滞后时间。 为保证测试精度，排除测试过程中其他干扰的影响，测试曲线应是平滑无突变的。,46,第四节 实测建模, 加试测试信号后，要密切注视各干扰变量和被控变量的变化，尽可能把与测试无关的干扰排除。 测试和记录工作应该持续进行到输出量达到新稳定值基本不变时为止。 在反应曲线测试工作中，要特别注意工作点的选取。,47,第四节 实测建模,图8-19 测试的对象特性连接图,48,例题分

12、析,1.某温度计是一静态放大系数为1的一阶环节。当温度计由温度为 0的地方突然插入温度为100的沸水中，经1min后,温度指示值达到98.5。试确定该温度计的时间常数T,并写出其相应的微分方程式与传递函数。,解：参照式 (8-36) ，已知 K= 1，输入阶跃幅值为100， t= 60s时，其温度值 y= 98. 5，则有,由上式可以解得 T= 14. 3 (s),49,例题分析,50,END,化工仪表及自动化,第九章 基本控制规律,内容提要,位式控制 双位控制 具有中间区的双位控制 多位控制 比例控制 比例控制规律及其特点 比例度及其对控制过程的影响 积分控制 积分控制规律及其特点,1,内容

13、提要,比例积分控制规律与积分时间 积分时间对系统过渡过程的影响 微分控制 微分控制规律及其特点 实际的微分控制规律及微分时间 比例微分控制系统的过渡过程 比例积分微分控制,2,概论,3,概论,4,第一节 位式控制,一、双位控制,5,理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为,图9-1 理想双位控制特性,图9-2 双位控制示例,第一节 位式控制,6,将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。,图9-3 实际的双位

14、控制规律,二、具有中间区的双位控制,图9-4 具有中间区的双位控制过程,第一节 位式控制,7,第一节 位式控制,三、多位控制,对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复杂程度增加。,图9-5 三位控制器特性图,8,第二节 比例控制,9,在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。,图9-6 水槽液位控制,第二节 比例控制,（9-4）,10,一、比例控制规律及其特点,图9-8 简单比例控制系统示意图

15、,比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量,第二节 比例控制,如上图，根据相似三角形原理,所以，对于具有比例控制的控制器,（9-5）,11,第二节 比例控制,12,比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。,（9-7）,二、比例度及其对控制过程的影响,1.比例度,第二节 比例控制,13,第二节 比例控制,当温度变化全量程的40%时,控制器的输出从0mA变化到10mA。在这个范围内,温度的变化和控制器的输出变化p是成比例的。但是当温度变化超过全量程的40%时 (在上例中即温度变化超过40时) ,控制器的输出就不能再跟着变化了。 这是因为控制器的输出最多只能变化100

16、%。所以,比例度实际上就是使控制器输出变化全范围时,输入偏差改变量占满量程的百分数。,14,第二节 比例控制,15,图9-9 比例度与输入输出的关系,将式（9-7）改写后得,第二节 比例控制,对一只控制器来说， K是一个固定常数。,而,KC值与值都可以用来表示比例控制作用的强弱。,16,第二节 比例控制,17,左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。,图9-10 简单水槽的比例控制过程,液位开始下降,作用在控制阀上的信号,进水量增加,偏差的变化曲线,图9-11 比例度对过渡过程的影响,在t=t0时，系统外加一个干扰作用,第二节 比例控制,优点：反应快，控制及时 缺点：存在余差,18,第三节

17、积分控制,一、积分控制规律及其特点,19,当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。,图9-12 积分控制规律,第三节 积分控制,20,第三节 积分控制,图9-13 液位控制系统,图9-14 积分控制过程,21,第三节 积分控制,二、比例积分控制规律与积分时间,图9-15 比例积分控制规律,22,第三节 积分控制,23,第三节 积分控制,三、积分时间对系统过渡过程的影响,图9-16 积分时间对过渡过程的影响,24,第四节 微分控制,比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。 当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大

18、； 负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。,25,第四节 微分控制,一、微分控制规律及其特点,26,图9-17 微分控制的动态特性,第四节 微分控制,二、实际的微分控制规律及微分时间,微分作用的特点在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。,实际微分控制规律是由两部分组成：比例作用与近似微分作用，其比例度是固定不变的，恒等于100%，所以认为：实际的微分控制器是一个比例度为 100%的比例微分控制器。,微分作用,27,第四节 微分控制,图9-18 实际微分器输出变化曲线,可见，t =0时, p=KDA；t =时,p =A。,微分控制器在阶跃信号的作用下,输

19、出p一开始就立即升高到输入幅值A的KD倍,然后再逐渐下降,到最后就只有比例作用A了。 微分放大倍数KD决定了微分控制器在阶跃作用瞬间的最大输出幅度。,28,第四节 微分控制,微分时间TD是表征微分作用强弱的一个重要参数，它决定了微分作用的衰减快慢，且它是可以调整的。,(9-22),29,第四节 微分控制,三、比例微分控制系统的过渡过程,30,第四节 微分控制,图9-19 微分时间对过渡过程的影响,微分作用具有抑制振荡的效果，可以提高系统的稳定性,减少被控变量的波动幅度,并降低余差。 微分作用也不能加得过大。 微分控制具有“超前”控制作用。,31,第四节 微分控制,四、比例积分微分控制,同时具有

20、比例、积分、微分三种控制作用的控制器称为比例积分微分控制器。,（9-28）,32,第四节 微分控制,图9-20 PID控制器输出特性,33,例题分析,1.目前,在化工生产过程中的自动控制系统,常用控制器的控制规律有位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。试综述它们的特点及使用场合。,解：列表分析如下:,34,35,36,例题分析,(9-11),（9-27）,（9-28）,37,例题分析,2.对一台比例积分控制器作开环试验。已知KC=2，TI= 0.5min。若输入偏差如图9-21所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。,图9-21 输入偏差信号变化曲线,38,例题分析

21、,解：对于PI控制器,其输入输出的关系式为,将输出分为比例和积分两部分,分别画出后再叠加就得到PI控制器的输出波形。比例部分的输出为,当KC = 2时,输出波形如图9-22(a)所示。,积分部分的输出为,39,例题分析,图9-22 输出曲线图,当KC = 2 , TI = 0. 5min时,故pI输出波形如图9-22 (b)所示。,将图9-22(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图9-22 (c)所示。,40,END,化工仪表及自动化,第十章 自动控制仪表,内容提要,自动控制仪表的作用与分类 控制仪表的能源形式 控制仪表的结构形式 控制仪表的信号形式 模拟式控制仪表 概述 DD

22、Z-型电动控制器,1,内容提要,数字式控制仪表 概述 可编程调节器的主要特点 可编程调节器的基本构成及原理 KMM可编程序调节器,2,第一节 控制仪表的作用与分类,控制仪表或称控制器,它将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差,进行一定的运算,并将运算结果以一定信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制。,一、控制仪表的能源形式,3,第一节 控制仪表的作用与分类,二、控制仪表的结构形式,按控制仪表与自动控制系统中的检测、变送、显示等各部分的组合方式不同,主要可以分为基地式控制仪表与单元组合式控制仪表等。,基地式控制仪表,基地式控制仪表是将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表

23、。 结构比较简单,常用于单机控制系统。,4,第一节 控制仪表的作用与分类,单元组合式仪表,单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。 使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。,优点, 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。 可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至液动表联系起来,混合使用。,5,第一节 控制仪表的作用与分类, 由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿

24、命长、性能较好。 由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。 有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。,6,第一节 控制仪表的作用与分类,分 类,根据使用能源的不同,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。,在电动单元组合仪表中还包括执行单元(K)。,7,第一节 控制仪表的作用与分类,气动单元组合仪表是以 0.14MPa压缩空气为能源,各单元之间以统一的 0.020.1MPa气压标准信号相联系,整套仪表的精度为1级。,电动单元组合式仪表的发展阶段： DDZ-型电子管器件为主要器件 DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件 DDZ-型线性集成电路作为核

25、心器件,8,第一节 控制仪表的作用与分类,三、控制仪表的信号形式,9,第二节 模拟式控制仪表,一、概述,模拟式控制仪表所传送的信号形式为连续的模拟信号。,10,第二节 模拟式控制仪表,基本功能,PID运算功能 测量值、给定值与偏差显示 输出显示 手动与自动的双向切换 内、外给定信号的选择 正、反作用的选择,11,第二节 模拟式控制仪表,一、DDZ-型电动控制器,12,1. DDZ-型仪表的特点,（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。,优点,电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。 本信号制的电流-电压转换电阻为250。

26、 由于联络信号为15V DC，可采用并联信号制，因此干扰少，连接方便。,第二节 模拟式控制仪表,13,（2）广泛采用现性集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。,优点,由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。 由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。 由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。,第二节 模拟式控制仪表,（3）型仪表统一由电源箱供给24V DC电源，并有蓄电池作为备用电源。,优点,各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有利条件。 在工频电

27、源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。,14,第二节 模拟式控制仪表,15,（4）内部带有附加装置的控制器能和计算机联用,在与直接数字计算机控制系统配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用。 （5）自动、手动的切换是双向无扰动的方式进行的。 （6）整套仪表可构成安全火花防爆系统。,第二节 模拟式控制仪表,16,图10-1 DDZ-型控制器结构方框图,主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输出电路及指示电路等组成。,型控制器有全刻度指示和偏差指示两个基型品种。,17,图10-2 DTL

28、-3110型调节器正面图,1自动-软手动-硬手动切换开关；2双针垂直指示器；3内给定设定轮；4输出指示器；5硬手动操作杆；6软手动操作板键；7外给定指示灯；8阀位指示器；9输出记录指示；10位号牌；11输入检测插孔；12手动输出插孔,第二节 模拟式控制仪表,第三节 数字式控制仪表,18,数字式控制器与模拟式控制器的异同点：,不同点,相同点,仪表总的功能和输入输出关系基本一致。,一、概述,第三节 数字式控制仪表,二、可编程调节器的主要特点,19,1.功能丰富。 2. 通用性强。 3.可靠性好。,第三节 数字式控制仪表,三、可编程调节器的基本构成及原理,20,图10-3可编程调节器的原理方框图,第

29、三节 数字式控制仪表,四、KMM可编程序调节器,21,是一种单回路的数字控制器。,可以接收5个模拟输入信号，4个数字输入信号，输出3个模拟信号，输出3个数字信号。,可编程调节器的原理方框图,1.KMM调节器的面板及其功能键,第三节 数字式控制仪表,2.KMM调节器的侧面,22,第三节 数字式控制仪表,3.KMM的控制类型,KMM调节器内有两个PID运算式，即PID1和PID2，根据使用PID运算式的个数及给定方式的不同，又可以分为四种控制类型。,(1)控制类型 只用一个PID运算式，采用本机内给定 (LSP)，无串级(CAS)状态。 (2)控制类型1 只用一个PID运算式，在“自动”时以 LS

30、P1为设定值(内给)，在串级(CAS)状态时以RSP1为设定值(外给)，来自其他调节器或运算器，也可来自本调节器内的其他运算单元的输出。,23,第三节 数字式控制仪表,(3)控制类型2 用两个PID运算式,在“自动”时,PID1的输出为PID2的给定,PID1为内给定(LSP1)。 (4)控制类型3 用两个PID运算式,有手动、自动、串级三种状态(即M、A、C),当处于自动状态时, PID2为本机给定(LSP2)；处于串级状态时，PID2为外给定(RSR2)。RSP2可以是PID1的输出,也可以是外来的模拟输入或某些运算单元的输出。,24,第三节 数字式控制仪表,表10-1 各种控制类型下 P

31、V、SP的内容,注: LSPLocalset Point(本机内给定)； RSPRemote Set Point(遥控外给定)。,25,第三节 数字式控制仪表,4.KMM调节器的操作,(1)准备,(2)正常运行方式,手动(MAN)方式 自动(AUTO)方式 串级(CAS)方式 跟踪(FOLLOW)方式,(3)非正常运行方式,联锁手动方式(IM) 后备方式(S),26,例题分析,试述理想运算放大器的特点及各种运算电路。,解：理想运算放大器的主要特点有:输入阻抗Ri =;输出阻抗Ro=0;开环电压增益A=;频带宽度f OL =。,图10-6是表示反相输入的电路,输入电压经阻抗Zi后由放大器的反相端

32、 (“-”端)输入。输出电压经反馈阻抗Z0反馈到输入端,因而构成了一闭环电路。选择不同的反馈环节,可以使该闭环电路具有不同的运算作用。因而,又称这种闭环电路为运算电路。,图10-6 反相输入电路图,27,例题分析,由集成运算放大器的电压增益A的定义可知 (VT-VF)A=Vo 由于A=，而Vo受到电源电压的限制,为一有限值,故有VT =VF如果VT是接地的,由于VF近似等于VT ,故称该点为“虚地”。 因为Ri=，故Ib=0 ,于是有 Ii =-I0 考虑到VF0,故有,28,例题分析,当选择阻抗 Z0 和 Zi 为不同形式时，Vo就与 Vi有不同的关系,亦即构成不同的运算电路。 Z0 和 Z

33、i 都以复数阻抗形式出现。当 Z0和 Zi 分别为两个电容 C0和 Ci时,则,将此二式代入式(10-1)，则得,29,例题分析,这就是说,输出电压与输入电压成比例关系,为比例运算电路。,当 Zi为一电阻 Ri，Z0为一电容 C0时,则,将此二式代入式 (10-1) ,则得,将上式反变换,便得,这就是说,输出电压与输入电压的积分成比例,为积分运算电路。,30,例题分析,当Zi为一电阻 Ri与电容 Ci并联,而 Z0为一电容 C0时,则,将此二式代入式 (10-1) ,则得,将上式反变换,便得,这就是说,输出电压与输入电压成比例积分关系,为比例积分电路。,31,69,END,化工仪表及自动化,第

34、十一章 执行器,内容提要,气动执行器 气动执行器的组成与分类 控制阀的流量特性 控制阀的选择 气动执行器的安装和维护 阀门定位器与电-气转换器 气动阀门定位器 电-气阀门定位器 电-气转换器,1,内容提要,电动执行器 概述 角行程电动执行机构 直行程电动执行机构,2,概述,3,作用,接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。,按能源形式分类,气动执行器 电动执行器 液动执行器,执行器,从结构来说,执行机构 调节机构,概述,4,第一节 气动执行器,5,一、气动执行器的组成与分类,1.组成,第一节 气动执行器,图11-2 气动薄膜控

35、制阀外形图,6,第一节 气动执行器,7,2.执行机构的分类,结 构,第一节 气动执行器,8,第一节 气动执行器,9,3.控制阀的分类,根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。,（1）直通单座控制阀,阀体内只有一个阀芯与阀座。,直通单座阀,第一节 气动执行器,10,（2）直通双座控制阀,阀体内有两个阀芯和两个阀座。,直通双座阀,第一节 气动执行器,（3）角形控制阀,角形阀的两个接管呈直角形。,11,角形阀,第一节 气动执行器,（4）高压控制阀,高压控制阀的结构形式大多为角形,阀芯头部掺铬或镶以硬质合金,以适应高压差下的冲刷和汽蚀。 为了减少高压差对阀的汽蚀,有时采用几级阀芯,把高差压

36、分开,各级都承担一部分以减少损失。,12,第一节 气动执行器,（5）三通控制阀,共有三个出入口与工艺管道连接。,13,（A）分流型 （B）合流型,第一节 气动执行器,14,（6）隔膜控制阀,采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。,隔膜阀,第一节 气动执行器,（7）蝶阀,15,蝶阀,第一节 气动执行器,16,（8）球阀,节流元件是带圆孔的球形体（A）或是一种V形缺口球形体（B）。,第一节 气动执行器,（9）凸轮挠曲阀,阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。,17,凸轮挠曲阀,第一节 气动执行器,18,（10）笼式阀,笼式阀,第一节 气动执行器,二、控制阀的流量特性,控制阀的流量特性是指

37、被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即,19,第一节 气动执行器,20,1.控制阀的理想流量特性,在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状,（1）直线流量特性,第一节 气动执行器,21,R为控制阀的可调范围或可调比。,第一节 气动执行器,注意：当可调比R不同时，特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。,22,第一节 气动执行器,23,假设R=,位移变化量为10%,在10时，流量变化的相对值为 在50时，流量变化的相对值为 在80时，流量变化的相对值为,在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。,第一节 气动执行器

38、,24,（2）等百分比（对数）流量特性,等百分比流量特性是指单位相对行程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。,（11-6）,将（11-6）积分,将前述边界条件代入,（11-11）,第一节 气动执行器,25,（4）抛物线流量特性,（3）快开流量特性,这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。,快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。,第一节 气动执行器,26,.工作流量特性,在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。,（1）串联管道的工作流量特性,图11-7 串联管道的情形,工作流量特性,第一

39、节 气动执行器,27,图11-8管道串联时控制阀的工作流量特性,第一节 气动执行器,28,（2）并联管道的工作流量特性,控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。,如图11-9所示，显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即QQ1Q2。,图11-9 并联管道情况,第一节 气动执行器,29,以x代表并联管道时控制阀全开时的流量与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差p为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。,图11-10并联管道时控制阀的工作特性,第一节 气动执行器,30,由

40、上图可见,当x1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作流量特性与理想流量特性相同。 随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。 控制阀关死，即l/L0时，流量Qmin大大增加。,第一节 气动执行器,在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。 采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。,31,第一节 气动执行器,32, 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的

41、影响尤为严重。 串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。 串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。 串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，串联管道时控制阀大开度时影响严重，并联管道时控制阀小开度时影响严重。,结论,第一节 气动执行器,三、控制阀的选择,1.控制阀的尺寸选择,流经控制阀的流量为,令,代入式 (11-13) ,得,(11-13),(11-14),C称为控制阀的流量系数,它与阀芯与阀座的结构、阀前后的压差、流体性质等因素有关。,33,第一节 气动执行器,额定流量系数指在控制阀全开,阀两端压差为0.1MPa,介质密度为1g/cm3时,流经控制阀的介质流量数

42、(以m3/h表示)。,34,第一节 气动执行器,35,主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。,结构形式选择,特性选择,先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。,目前使用比较多的是等百分比流量特性。,2.控制阀结构与特性的选择,第一节 气动执行器,主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。,选择要求,压力信号增加时，阀关小、压力

43、信号减小时阀开大的为气关式。反之，为气开式。,3.气开式与气关式的选择,36,第一节 气动执行器,37,表11-1组合方式表,图11-11 组合方式图,第一节 气动执行器,四、控制阀的安装和维护,38,（1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。,（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60和不低于-40的地方，并应远离振动较大的设备。,（3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。,第一节 气动执行器,（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。,（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般

44、应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。,（6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。,39,第一节 气动执行器,40,（7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。,（8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。,第二节 阀门定位器与电-气转换器,一、气动阀门定位器,41,气动阀门定位器与气动控制阀配套使用,组成闭环系统,利用反馈原理来改善控制

45、阀的定位精度和提高灵敏度,并能以较大功率克服阀杆的摩擦力、介质的不平衡力等影响,从而使控制阀门位置能按控制仪表来的控制信号实现正确定位。,组成及作用,分类,定位器有正作用和反作用两种。,第二节 阀门定位器与电-气转换器,42,第二节 阀门定位器与电-气转换器,二、电-气阀门定位器,采用电-气阀门定位器后，可用电动控制器输出的010 mA 或420 mA DC电流信号去操纵气动执行机构；,43,第二节 阀门定位器与电-气转换器,44,第二节 阀门定位器与电-气转换器,三、电-气转换器,可将来自电动控制器的输出信号经转换后用以驱动气动执行器,或者将来自各种电动变送器的输出信号经转换后送往气动控制器

46、。,45,第三节 电动执行器,定义,电动执行器是电动控制系统中的一个重要组成部分。它把来自控制仪表的010mA或420mA的直流统一电信号,转换成与输入信号相对应的转角或位移,以推动各种类型的控制阀,从而达到连续控制生产工艺过程中的流量,或简单地开启和关闭阀门以控制流体的通断,达到自动控制生产过程的目的。,46,第三节 电动执行器,一、概述,1.电动执行器的特点, 由于工频电源取用方便,不需增添专门装置,特别是执行器应用数量不太多的单位,更为适宜; 动作灵敏、精度较高、信号传输速度快、传输距离可以很长,便于集中控制; 在电源中断时,电动执行器能保持原位不动,不影响主设备的安全; 与电动控制仪表

47、配合方便,安装接线简单; 体积较大、成本较贵、结构复杂、维修麻烦,并只能应用于防爆要求不太高的场合,47,例题分析,在生产实际中,由于生产负荷的变动,使原设计的控制阀尺寸不能相适应,会有什么后果?为什么?,解：当生产中由于负荷增加,使原设计的控制阀尺寸显得太小时,会使控制阀经常工作在大开度,调节效果不好。 此时若开启旁路阀,会使控制阀特性发生畸变,可调范围大大降低;当生产中由于负荷减少,使原设计的控制阀尺寸显得太大时,会使控制阀经常工作在小开度,调节显得过于灵敏 (特别是对于直线流量特性的控制阀) ,控制阀有时会振动,产生噪声,严重时发出尖叫声。,51,例题分析,此时为了增加管路阻力,有时会适

48、当关小与控制阀串联的工艺阀门,但这样做的结果会使控制阀的特性发生严重畸变,甚至会接近于快开特性,控制阀的实际可调范围降低,严重时会使控制阀失去调节作用。 所以当生产中负荷有较大改动时,在可能的条件下,应相应地更换控制阀,或采用其他控制方案 (例分程控制系统)。,52,END,化工仪表及自动化,第十二章 简单控制系统,内容提要,概述 被控变量的选择 操纵变量的选择 控制器控制规律的选择及参数整定 控制规律的选择 控制器参数的工程整定,1,内容提要,控制系统的投运及操作中的常见问题 控制系统的投运 控制系统操作中的常见问题,2,第一节 概述,3,简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制

49、器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。,图12-1 液位控制系统,图12-2 温度控制系统,表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号,4,第一节 概述,5,图12-3简单控制系统的方块图,第二节 被控变量的选择,6,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。,被控变量的界定,它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的； 人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。,第二节 被控变量的选择,被控变量的分类（按照与生产过程的关系）,直接指标控制； 间接指标控制。,7,第二节 被控变量的选择,8,图12-5 苯

50、-甲苯溶液的T-x图,图12-6 苯-甲苯溶液的p-x图,举例,第二节 被控变量的选择,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。 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。,9,第二节 被控变量的选择,10,选择被控变量的原则, 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。, 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒

51、定，需要较频繁的调节。, 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。,第二节 被控变量的选择, 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。, 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。,11,第三节 操纵变量的选择,12,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。,第三节 操纵变量的选择,13,图12-7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

52、量。,举例,第三节 操纵变量的选择,影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有： 进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。,通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。,14,图12-8影响提馏段温度各种因素示意图,第三节 操纵变量的选择,15,图12-9 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。,第三节 操纵变量的选择,16,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

53、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。,第四节 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和比例积分微分控制规律PID。,17,第四节 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,18,第四节 控制器控制规律的原则及参数整定,1.临界比例度法,19,二、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

54、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。,第四节 控制器控制规律的原则及参数整定,20,图12-10 临界振荡过程,表 12-2临界比例度法参数计算公式表,特点,比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。 对于临界比例度很小的系统不适用。 对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。,第四节 控制器控制规律的原则及参数整定,21,通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。,图12-1141和101衰减振荡过程,表12-341衰减曲线法控制器参数计算表,表12-4101衰减曲线法控制器参数计算表,2.衰减曲线法,第四

55、节 控制器控制规律的原则及参数整定,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41或10 1衰减比为止。通过比例度s 和衰减周期TS,得到控制器的参数整定值。,22,第四节 控制器控制规律的原则及参数整定,23,第四节 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

56、个整定，直到获得满意的过渡过程为止。,24,3.经验凑试法,第四节 控制器控制规律的原则及参数整定,25,表12-5 各类控制系统中控制器参数经验数据表,第四节 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。,26,第四节 控制器控制规律的原则及参数整定,27,图12-12三种振荡曲线比较,图12-13比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较,比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，产生的周期性激烈振荡。,如果比例度过大或积分时间过大，过渡过程变化缓慢的情形。,第四节 控制器控

57、制规律的原则及参数整定,28,（2）先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。,特点,方法简单，适用于各种控制系统。 特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。 此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。,第四节 控制器控制规律的原则及参数整定,29,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,一、控制系统的投运,1.准备工作,对于工艺人员与仪表人员来说 对于仪表人员来说,要重视！,30,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,2.仪表检查,投运前要在现场校

58、验仪表一次, 确认正常后可考虑投运。,对于控制记录仪表,除了要观察测量指示是否正常外,还特别要对控制器控制点进行复校。,31,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,3.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式,控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系统成为负反馈闭环系统的重要一环。,正作用？ 反作用？,图12-14 控制器正、反作用开关示意图,32,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,图12-15 加热炉出口温度控制,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。炉温是随燃料的增多而升高的,以炉子也是“正”方向作用的。变送器是随

59、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。,33,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,图12-16 液位控制,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。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。变送器为“正”方向。这时控制器的作用方向必须为“正”才行。,34,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,4.控制阀的投运,35,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,一种是先用人工操作旁路阀,然后过渡到控制阀手动遥控; 另一种是一开始就用手动遥控。,开车时的两种操作步骤：,36,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,当由旁路阀手工操作转为控制阀手动遥控时,步骤如下: 先将截止阀1和截止阀2关闭,手动操作旁路阀3 ,使工况逐渐趋于稳定; 用手动定值器或其他手动操作器调整控制阀上的气压P,使它等于某一中间数值或已有的经验数值; 先开上游阀1 ,再逐渐开下游阀2 ,同时逐渐关闭旁路阀3,以尽量减少波动(亦可先开下游阀2); 观察仪表指示值,改变手动输出,使被控变量接近给定值。,37,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,远距离人工控制控制阀叫手动遥控,可以有三种不同的情况: 控制阀本身是遥控阀,利用