测量仪表与自动化14

1、化工仪表及自动化Instrumentation and Automation In Chemical Engineering第 14 章 简单控制系统简单控制系统（单回路控制系统）是最基本、结构最简单的一种，有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流地位的今天仍占70以上。简单控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，同时也是复杂控制系统的基础。掌握了单回路系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。所谓简单控制系统有四个环节：被控对象（对象）、测量变送装置、控制器和执行器。 这体现了控制系统方案设计的基本准则：力求简单、可靠、经济与保证效果良好。 简单控制

2、系统的方框图简单控制系统的方框图测量值控制器调节阀被控对象偏差给定值操纵值操纵变量干扰D测量变送器-SvPvDvMvq被控变量y+e第 14 章 简单控制系统14.1 简单控制系统的设计14.1.1 设计内容14.1.2 被控变量的选择14.1.3 操纵变量的选择14.1.4 测量变送器的选择14.1.5 气动执行器的选择14.1.6 控制器控制规律及正反作用的选择14.2 控制器参数的工程整定14.3 控制系统的投运 14.1.1 设计内容简单控制系统的设计最重要的是：控制系统方案的设计控制器参数整定 设计方法： 是在对被控对象作全面深入的了解和分析的基础上，根据工艺的要求选择被控变量，操纵

3、变量，合理选择控制系统的测量元件和变送器，合理选择控制器、执行器、显示仪表和其他仪表，从而确定一个较为合理的简单控制系统方案。 精馏塔流程图精馏塔流程图14.1.2 被控变量的选择被控变量：生产过称中希望借助自动控制系统保持定值（或按一定规律变化）的变量。选择方法：从生产过程对控制系统的要求出发，找出对产品产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。 在某些情况下，对被控变量的选择是一目了然，但也有如下一些情况，需要对被控变量的选择认真加以考虑： 1. 表示某些质量指标的参数有好几个，应是独立可调的。例:情况一：要对锅炉产生的饱和蒸汽质量进行控制，提出了三种方案： 压力P P与温度T T皆为被控变

4、量； 温度T T为被控变量； 压力P P为被控变量。自由度为因此独立变量只有1个 F=C-p+ 2 =1- 2+ 2 =1F 自由度（Degree of Freedom） C 组分数(number of independent component) P 相数（phase number）14.1.2 被控变量的选择1. 表示某些质量指标的参数有好几个，应是独立可调的。例:情况二：若要对锅炉产生的过热蒸汽质量进行控制，提出了三种方案： 压力P P与温度T T皆为被控变量； 温度T T为被控变量； 压力P P为被控变量。 因为蒸汽在过热状态下只存在一个气相自由度为因此独立变量有2个注：自由度在热力学

5、中，当系统处于平衡状态时，在不改变相的数目的情况下，可独立改变的因素的数目F=C-p+ 2 =1-1+ 2 = 2F 自由度； C 组分数； P 相数 14.1.2 被控变量的选择2.某些质量指标，因无合适的测量仪表直接反映质量指标，从而选择与直接质量指标之间有单值线性对应关系而又反应快的间接指标作为被控变量。例:在精馏过程中，要控制塔顶或塔底产品质量(浓度)，因缺乏直接测量浓度的成分仪表或成分测量仪表滞后过大，使控制系统的控制品质很差，不能满足工艺的要求。而物料的温度与浓度近似为单一对应关系。所以选用了温度（间接参数）为被控变量。精馏塔流程图精馏塔流程图通过上述讨论，被控变量的选择原则包括：

6、p尽量选用直接指标作为被控变量，因为它最直接最可靠。p当无法获得直接指标的信号，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，p被控变量应独立可调。p选择被控变量时，必须考虑到工艺过程的合理性及仪表的现状。 14.1.2 被控变量的选择14.1.3 操纵变量的选择操作变量:用于克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量操纵变量类型：最常见为流量，也有电压、转速等。举例： 影响灵敏板温度的因素： 进料流量、进料成分、进料温度、 回流流量、回流温度、 加热蒸汽流量、 冷凝器冷却温度、塔压等 选择加热蒸汽流量作为操纵变量精馏塔流程图精馏塔流程图14.1.3 操

7、纵变量的选择对象特性对选择操纵变量的影响干扰通道/控制通道1.对象静态特性的影响选择放大系数大的可控变量作为操纵变量2.对象动态特性的影响（1）控制通道时间常数要小，否则校正作用迟缓（2）控制通道纯滞后时间尽量要小，否则控制质量下降（3）干扰通道时间常数要大（4）干扰通道纯滞后时间无影响干扰干扰操纵变量操纵变量被控变量被控变量干扰通道干扰通道控制通道控制通道14.1.3 操纵变量的选择总结：操纵变量选择原则：p首先要考虑工艺上的合理性、经济性，除物料平衡调节外，一般避免用主物料流量（生产负荷）作为操纵变量。p操纵变量应有克服干扰影响的校正能力，控制通道的放大系数应比较大。 p控制通道的动态响应

8、要较干扰通道的动态响应为快，滞后时间尽量小。14.1.4 测量变送的选择测量变送装置是控制系统中获取信息的装置，是系统进行控制作用的依据。所以要求能及时、准确地反映被控变量的情况。 选择快速测量元件。 简单控制系统的方框图简单控制系统的方框图测量值控制器调节阀被控对象偏差给定值操纵值操纵变量干扰D测量变送器-SvPvDvMvq被控变量y+e14.2.5 气动执行器的选择调节阀的选择包括：结构形式、阀的口径、气开、气关形式、流量特性p流量特性的选择重要性直接影响自动调节系统的调节质量和稳定性选择方法：根据广义对象（除控制器外其它环节合并成的环节）的特性及工作特性修正对象（包括变送器）输入输出广义

9、对象调节阀 调节阀特性补偿示意图 为使自动调节系统在负荷变化时，保证一定的调节质量，要求调节系统总特性为线性微分方程，在整个操作范围内保持不变，可通过适当选择调节阀的流量特性，以阀的特性的变化来补偿其它环节已变化了的特性。14.2.5 气动执行器的选择调节阀的选择包括：结构形式、阀的口径、气开、气关形式、流量特性p流量特性的选择选择方法：根据广义对象（除控制器外其它环节合并成的环节）的特性以及工作特性的修正若广义对象为线性且 S 值接近于 1 可采用直线特性；对非线性广义对象或 S 0,MvDv DMv 0,Mv14.1.6 控制器控制规律及正反作用的选择2. 控制器正反作用的选择方法：符号分

10、析法分析每个环节的特性： 输入增加，输出增加，“”（正作用）。输入增加，输出减小，“”（反作用）。如果四个环节的符号相乘，得到负号“”，即为负反馈。即： 如果四个环节的符号相乘得到正号“”，为负反馈。实例分析：14.1.6 控制器控制规律及正反作用的选择2. 控制器正反作用的选择方法：符号分析法举例：加热炉控制系统被控对象：加热炉 （操纵变量：燃气流量 被控变量：原料出口温度) 燃料量 原料出口温度 （正作用“”）测量变送：温度变送器（正作用“”）调节阀：根据工艺安全条件 选气开阀（正作用“”）控制器：为保证系统为负反馈，应为反作用“”验证：温度升高()（控制器反作用） （调节阀气开）阀开度(

11、燃料流量）原料出口温度14.2.4 控制器控制规律及正反作用的选择2. 控制器正反作用的选择方法：符号分析法举例：液罐控制系统被控对象：液罐 （操纵变量：出口流量 被控变量：液位） 出口流量增加，液位下降，（反作用“”）液位变送器：正作用“”调节阀：工艺安全条件（避免抽空）： 选气开阀（正作用“”）控制器：为保证系统为负反馈，应为“正作用” “”验证：液位升高()控制器正作用阀开度( 调节阀气开出口流量液位设计举例:将浓缩乳液干燥成乳粉被控变量： 选间接质量指标：乳粉出口温度T操作变量：备选：乳化物流量、旁路空气量和加热蒸汽量，分别以1、2、3调节阀位置代表这三种方案。 分析：乳化物流量：滞后

12、最小，对温度校正最灵敏，但由于乳液流量是生产负荷，一般要求保证产量稳定，所以不宜选为操纵变量。 设计举例:将浓缩乳液干燥成乳粉分析：加热蒸汽量：其过程是蒸汽流量经过换热器热交换，以改变空气温度，由于换热器的 时间常数大，此方案对干燥温度的校正作用灵敏度最差。综合考虑，选旁路空气流量气动调节阀：气关阀 理由？控制器：正正/ /反作用？反作用？ 第 14 章 简单控制系统14.1 简单控制系统的设计14.2 控制器参数的工程整定14.2.1 临界比例度法（稳定边界法）14.2.2 衰减曲线法14.2.3 经验凑试法14.3 控制系统的投运 14.2.1 控制器参数的工程整定控制器参数整定 一旦控制

13、方案确定以后，被控对象各通道的特性就已确定，这时控制质量就主要取决于控制器参数（PB、TI、TD）的整定。 方法：理论计算法/工程整定法y(t)trtpBTs0t)(yryBAy(t)tpB0BAtsT)(y(a) 给定值阶跃变化下的过渡过程(b) 干扰阶跃变化下的过渡过程14.2.1 临界比例度法 先通过实验得到临界振荡周期，然后根据经验整定出来的关系求出控制器各参数值。 具体步骤如下： 1. 控制器变为纯比例作用： PIDP（TI，TD0）； 2. 从大到小改变PB（PB 大小），,直到出现等幅震荡，记录下临界比例度PB和临界振荡周期TK 3.查表14-1(教材P232）根据经验算PID参

14、数PB、TI、TDPB/%TI/minTD/minP2PBKPI2.2PBK0.85TKPD1.8PBK0.1TkPID1.7 PBKTK0.125Tk表表14-1 14-1 临界比例度法控制器参数计算表临界比例度法控制器参数计算表tt0fTK 临界振荡过程14.2.1 临界比例度法 先通过实验得到临界振荡周期，然后根据经验整定出来的关系求出控制器各参数值。优点：临界比例度法比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。 缺点： 临界比例度法要使系统达到等幅振荡，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法不适用。PB/%TI/minTD/minP2PBKPI2.2PBK0.85TKPD1.

15、8PBK0.1TkPID1.7 PBKTK0.125Tk表表14-1 14-1 临界比例度法控制器参数计算表临界比例度法控制器参数计算表tt0fTK 临界振荡过程通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。具体步骤：1.控制器变为纯比例作用： PIDP（TI，TD0）；2.施加阶跃干扰，从大到小改变PB,直到出现4：1衰减震荡，记录下此时的比例度PBS和衰减周期TS3.查表由经验算PID参数PB、TI、TD表表14-2 14-2 衰减曲线控制器参数计算表衰减曲线控制器参数计算表衰减比衰减比控制规律控制规律PB/%TI/minTD/min4：1PPBSPI1.2PBS0.5TSPID0.8PBK

16、0.3TS0.1Tk10：1PPBSPI1.2PBS2TrPID0.8PBs1.2Tr0.4Tr14.2.2 衰减曲线法通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。优点：衰减曲线法比较简单，适用于一般情况下的各种参数的控制系统。缺点：但对于干扰频繁，记录曲线不规则，不断有小摆动的情况，由于不易得到准确的衰减比例度和衰减周期，使得这种方法难于应用。表表14-2 14-2 衰减曲线控制器参数计算表衰减曲线控制器参数计算表衰减比衰减比控制规律控制规律PB/%TI/minTD/min4：1PPBSPI1.2PBS0.5TSPID0.8PBK0.3TS0.1Tk10：1PPBSPI1.2PBS2TrPI

17、D0.8PBs1.2Tr0.4Tr14.2.2 衰减曲线法14.2.3 经验凑试法（Trial and Error） 根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行,观察被控变量的过渡过程曲线，并根据PB、TI、TD对过渡过程的影响为指导，改变相应的整定参数值,如此反复试验多次，直到获得满意的过渡过程为止。 注：参数整定工艺人员与仪表人员都需掌握。表表14-3 14-3 控制器参数整定比表控制器参数整定比表控制对象控制对象PB/%TI/minTD/min温度10603100.53压力30700.43流量401000.11液位208014.4 14.4 控制器参数的工程整定控制器参数的工程

18、整定例:某控制系统用 4:1 衰减曲线法整定控制器参数.已测得：PBs=50%,TIs=5min.试确定采用PI作用和PID作用时的控制器参数值。解: 由表14-2可以求得:PI: Kp=PBS*1.2=60% TI=TIs*0.5=2.5minPID: Kp=PBS*0.8=40% Ti=TIs*0.3=1.5mi TD=Ts*0.1=0.5min表表14-2 14-2 衰减曲线控制器参数计算表衰减曲线控制器参数计算表衰减比衰减比控制规律控制规律PB/%TI/minTD/min4：1PPBSPI1.2PBS0.5TSPID0.8PBK0.3TS0.1Tk10：1PPBSPI1.2PBS2TrPID0.8PBs1.2Tr0.4Tr第 14 章 简单控制系统14.1 简单控制系统的设计14.2 控制器参数的工程整定14.3 控制系统