第12章 简单控制系统

1、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

2、）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-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

3、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

4、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

5、,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

6、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

7、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

8、,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

9、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

10、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

11、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

12、”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

13、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,利用定值器或其他手动操作器遥控; 控制器本身有切换装置或带有副线板,切至“手动”位置,利用定值器或手操轮遥控; 控制器不切换,放在“自动”位置,利用定值器改变给定值而进行遥控。但此时宜将比例度置于中间数值,不加积分和微分作用,38,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,5.控制器的手动和自动的切换,通过手动遥控控制阀,使工况趋于稳定以后,控制器就可以由手动切换到自动,实现自动操作。 要求：平稳、迅速，实现无扰动切换,39,第五节 控制

14、系统的投运及操作中的常见问题,6.控制器参数的整定,不管采用哪种方法进行整定,所得到的自动控制系统,在正常工况下,由于经常受到各种扰动,被控变量不可能总是稳定在一个数值上长期不变。 如果出现记录曲线是一条直线或一个圆,就要检查一下测量记录仪表有否故障,灵敏度是否足够等,40,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,一、控制系统操作中的常见问题,1.控制系统间的相互干扰及克服办法,图12-18 精馏塔控制系统之间的干扰,精馏塔两个温度控制系统之间相互干扰,41,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,图12-19 压力和流量控制系统之间的干扰,图12-20 负荷分配系统,42,第五节 控制系

15、统的投运及操作中的常见问题,43,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,2.测量系统的故障及判别方法,发现工艺参数的记录曲线出现异常情况时,首先要分析情况,判别其原因,这是正常操作的前提之一,判别的方法,1)记录曲线的分析比较,记录曲线突变。记录曲线突然大幅度变化。 记录曲线出现不规则变化。 记录曲线出现等幅振荡。 记录曲线不变化,呈直线状 (或圆状,44,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,举例,图12-21 不规则变化的记录曲线,图12-22 记录曲线的等幅振荡,45,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,46,第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题,3.控制系统运行中的常

16、见问题,出现问题时，除了要考虑前面所讲的测量系统可能出现的故障以外,特别要注意被控对象特性的变化以及控制阀特性变化的可能性,要结合仪表和工艺两个方面去找原因。 针对适应对象特性的变化,一般可以通过重新整定控制器参数,以获得较好的控制质量,47,例题分析,1.试总结归纳一下控制器参数整定的方法、特点与使用场合,解:工程上常用的整定方法的特点与使用场合列表如下,48,例题分析,2.图12-23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12-23 锅炉控制,解：在液位控制系统中,如果从安全角度出发,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。如果要保证蒸汽的质量,汽中不能