第6章 简单控制系统

1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.1简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制指由一个测量变送器、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阀和一个对象所构成的单闭环控制系统 第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统的设计与参数整定的设计与参数整定TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC LT仪表符号标准仪表符号标准过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l说明：l常规仪表图形

2、符号是直径为常规仪表图形符号是直径为12mm(或或10mm)的细实线圆圈的细实线圆圈l上下有分隔直线的表示控制室仪表（集中盘面安装）上下有分隔直线的表示控制室仪表（集中盘面安装） l中间无分隔直线的为现场仪表（就地安装）中间无分隔直线的为现场仪表（就地安装） l 后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号TC206后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数TC206过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统原理方框图控制系统原理方框图给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操

3、作量被控变量被控变量干扰干扰热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC控制系统工艺流程图控制系统工艺流程图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2简单控制系统设计简单控制系统设计 过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为纳为安全性、稳定性和经济性安全性、稳定性和经济性三个方面。三个方面。 安全性：整个生产过程中，确保人员设备的安全。安全性：整个生产过程中，确保人员设备的安全。稳定性：指系统在一定外界干扰下，在系统参数、稳定性：指系统在一定外界干扰下，在系统参

4、数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。力。经济性经济性：指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。提高经济效益与社会效益。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 2. 过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 方案设计：是系统设计的核心方案设计：是系统设计的核心 工程设计：是在控制方案正确设计的基础上进行工程设计：是在控制方案正确设计的基础上进行工程安装：是保证系统正常运行的前提工程安装：是保证系统正常运行的前提仪表调校、调节器参数整定：是系统运行在最佳状仪表调

5、校、调节器参数整定：是系统运行在最佳状态的重要保证态的重要保证 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3. 过程控制系统设计的步骤过程控制系统设计的步骤1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型）建立被控过程的数学模型 传统的基于模型的控制，首先解决数学建模的传统的基于模型的控制，首先解决数学建模的问题：包括机理法建模和测试法建模。问题：包括机理法建模和测试法建模。 有一些情况下，由于被控过程的复杂性，实施有一些情况下，由于被控过程的复杂性，实施起来有一定的难度。起来有一定的难度。 无模型控制技术正在成为研究热点。无模型控制技术正

6、在成为研究热点。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3）确定控制方案：）确定控制方案： 包括控制方式和系统组成结构包括控制方式和系统组成结构的确定，是系统设计的关键步骤。必须深入了解的确定，是系统设计的关键步骤。必须深入了解生产工艺情况，结合控制要求，根据过程特性、生产工艺情况，结合控制要求，根据过程特性、扰动情况以及限制条件等运用控制理论和控制技扰动情况以及限制条件等运用控制理论和控制技术才能设计一个工艺上合理的正确控制方案。术才能设计一个工艺上合理的正确控制方案。 4）控制设备选型（选择传感器、变送器、控制器）控制设备选型（选择传感器、变送器、控制器与执行器）与执行器）5）实验

7、（或仿真）验证：）实验（或仿真）验证：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2被控参数与控制变量的选择被控参数与控制变量的选择6.2.2.1被控参数的选择被控参数的选择被控变量被控变量生产过程中希望借助自动控制保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。持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关、根据生产工艺的要求，找出影响生产

8、的关键变量作为被控变量键变量作为被控变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1 储槽液位控制系统储槽液位控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。就应以储槽液位为被控变量。 LC TTh过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2 换热器出口温度控制系统换热器出口温度控制系统工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。统就应以出口温度为被控变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC过程控制系统与仪表过程

9、控制系统与仪表 第第6章章2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。参数作为被控变量。例例3 化工的精馏物纯化工的精馏物纯度控制系统度控制系统精馏工艺是利用被分精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度离物中各组分的挥发温度不同，将各组分分离。不同，将各组分分离。如图将苯如图将苯甲苯混合甲苯混合液进行分离。液进行分离。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 该精馏塔的工艺该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔要求是要使塔顶（

10、或塔底）馏出物达到规定的底）馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的纯度。按照被控变量的选择原则选择原则1，塔顶（或，塔顶（或塔底）馏出物的组分应塔底）馏出物的组分应作为被控变量。作为被控变量。但是，没有合适但是，没有合适的仪表在线检测馏出物的仪表在线检测馏出物的纯度，则不能直接作的纯度，则不能直接作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章只好在与馏出物的只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺参数中，找出合适的变参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行量作为被控变量，进行间接参数控制。间接参数控制。经工艺分析发现，经工艺分

11、析发现，塔内压力和塔内温度都塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变验，选出一个合适的变量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章间接控制参数的确定间接控制参数的确定经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3 3、被控

12、变量必须有足够大的灵敏度、被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。被控变量必须灵敏，容易被测量。4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控变量，要求保持恒定。被控变量，要求保持恒定。上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采用简单控制系统，只能设置一个温控系统，

13、保证塔用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。顶或塔底一端的产品质量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l补充原则：选取独立变量补充原则：选取独立变量l例例1：对锅炉产生的：对锅炉产生的饱和蒸汽饱和蒸汽质量进行控制，提出质量进行控制，提出了三种方案：了三种方案：l（1）压力）压力P与温度与温度T皆为被控变量皆为被控变量l（2）温度）温度T为被控变量为被控变量l（3）压力）压力P为被控变量为被控变量l原则：遵循相律关系，原则：遵循相律关系，F=C-P+2,l其中其中F自由度自由度,C为组分数为组分数,P为相数为相数lF=1-2+2=1,表示独立变量只有一

14、个，选取表示独立变量只有一个，选取压力或温度即可压力或温度即可l（一般选择压力，考虑测量元件时间常数，简单，可靠）（一般选择压力，考虑测量元件时间常数，简单，可靠）l思考：思考：若是过热蒸汽？若是过热蒸汽？过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2.2控制变量选择控制变量选择把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制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作用的变量称为控制变量控制变量或或操纵变量操纵变量。最常见的操。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。纵变量的。 LC TTh过程控制系统与仪表

15、过程控制系统与仪表 第第6章章控制变量的确定控制变量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。可控的，有些是不可控的。q在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；q其它未被选中的因素则视为系统的干扰。其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量被控变量影响变量影响变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对

16、象特性对控制品质影响的分析：对象特性对控制品质影响的分析：1过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s) 控制器的传递函数；控制器的传递函数；Go(s) 广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s) 扰动通道的传递函数。扰动通道的传递函数。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 被控参数被控参数y(t)受到设定信号受到设定信号x(t)和干扰信号和干扰信号f(

17、t)的的共同影响：共同影响：000( )( )( )( )X( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssF sGs GsGs Gs干扰通道干扰通道控制通道控制通道 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：)()()(sYsXsE将将 可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一样的。将分母是一样的。将Gc(s)、 Go(s)代入：代入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()(

18、)()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000( )( )( )( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsYssFsGs GsGs Gs过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+=+=vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小

19、；vK0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏。越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏。vKf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用越强，稳态误差越大。一般一般K0Kf, 应选放大系数大的变量作为控制变应选放大系数大的变量作为控制变量。若不能满足时，可调节量。若不能满足时，可调节Kc来补偿，使来补偿，使K0 Kc Kf过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（通道）动态特性对控制品质的影响1）干扰通道动态特性对控制品质的影响）干扰通道动态特性对控制品质的影响 f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoo

20、focfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s干扰通道的惯性因子干扰通道的惯性因子1/1/（Tf s+1）对扰动起到）对扰动起到滤波的作用，使干扰作用滤波的作用，使干扰作用的影响缓慢的影响缓慢. .vTf 越大，容积越多，干扰对被控变量的影响越越大，容积越多，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。缓慢，越有利于控制。 v干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则则Tf 越大，控制时最大偏差越小。越大，控制时最大偏差越小。f( )1Y (s)( )( )1( )( )11( )( )ffcofcoG sKF sF sG s

21、 G sT sG s G s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：例：某控制系统中，干扰某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个分别在三个位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y ( )( )1( )( )csF sGs Gs0201012100G( )G(s)( )( )( )1( )( )1( )( )ccsGsFsF sGs GsGs Gs过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 f1

22、(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大造成动态偏差较大。造成动态偏差较大。 所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。远，干扰对被控参数影响越小。 y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 因为，因为， f 使干扰对被使干扰对被控变量的影响推迟了控变量的影响推迟了f 时间时间，则控制作用也推迟则控制作用也推迟f 时间时间 ，整个过渡过

23、程曲线也推迟整个过渡过程曲线也推迟时间时间f ，但控制品质未变。但控制品质未变。v干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f不影响控制质量。不影响控制质量。f()( 1 )Y ( s )()()1 () ()( 1 ) ( 1 )( 1 )ff ocoofo c fGsKT sFsFsGsGsT s Ts K KTs 含有含有e f s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 设控制系统的临界放大系数为设控制系统的临界放大系数为Kmax，临界振荡频率为，临界振荡频率为c 可控性指标：可控性指标： 在一定程度上代表了被控过程的控在一定程度上代表了被控过程的控制性能：制性能： Kmax越大，表示可选放

24、大系数越大，表示可选放大系数K越大，从而稳态越大，从而稳态误差越小；误差越小； c越大，表示系统可选工作频率越大，过渡越大，表示系统可选工作频率越大，过渡过程越快。过程越快。 一般，控制通道时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将一般，控制通道时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将使过程的使过程的Kmax与与c值变小，从而使控制性能变差。值变小，从而使控制性能变差。 2）控制通道动态特性对控制品质的影响）控制通道动态特性对控制品质的影响l 系统控制性能评价系统控制性能评价cKmax过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章GCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道时间常数控制通道时间常数T

25、0太大，使控制速度变太大，使控制速度变慢，动态偏差变大，系统过渡时间变长。慢，动态偏差变大，系统过渡时间变长。v控制通道控制通道G01的时间常数的时间常数T01增大，使控增大，使控制速度变慢，最大偏差增大；制速度变慢，最大偏差增大；G02是控制、干是控制、干扰共用通道，扰共用通道，T02不影响最大偏差不影响最大偏差l控制通道时间常数控制通道时间常数To对控制品质的影响对控制品质的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l控制通道时间常数控制通道时间常数T0的大小反映了控制作用的强的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被

26、控参数影响的快慢。数影响的快慢。l若若T0太大太大，控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不及时，系统过渡时间长，控制质量下降。控制不及时，系统过渡时间长，控制质量下降。l若若T0太小太小，易引起系统振荡，使系统稳定性下降。，易引起系统振荡，使系统稳定性下降。l所以，所以， T0应适当小一点。应适当小一点。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 3）控制通道多个时间常数关系对控制品质的影响例：系统的开环传递函数为：T1 T2 T3KmaxcKmaxc原始数据10 5 212.60.415.2减小T15 5 29.80.494.8减小T210 2.5 21

27、3.50.547.3减小T310 5 119.80.5711.2增大T120 5 219.20.377.1减小T2、T310 2.5 119.30.7414.2) 1)(1)(1(1)()()()(321sTsTsTsWsWsWsWvmoc过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制通道多个时间常数匹配问题控制通道多个时间常数匹配问题l从表中可以看出，控制通道的时间常数数值错开，从表中可以看出，控制通道的时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量

28、。l在实际生产过程中，若过程本身存在多个时间常在实际生产过程中，若过程本身存在多个时间常数，则最大的时间常数往往涉及生产设备的核心，数，则最大的时间常数往往涉及生产设备的核心，不能轻易改动，但是减小第二、三个时间常数比不能轻易改动，但是减小第二、三个时间常数比较容易实现。较容易实现。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章4）控制通道滞后时间对控制品质的影响）控制通道滞后时间对控制品质的影响GCGVGO2GFGmfreGO1y控制通道的时间滞后包括纯滞后控制通道的时间滞后包括纯滞后 和容量和容量滞后滞后 ，它们对控制质量的影响不利，尤其，它们对控制质量的影响不利，尤其是是 影响最坏。影

29、响最坏。0c0过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章y2(t)yk(t)tyy1(t)01v控制通道控制通道G01的纯滞后的纯滞后 ，使控制作用滞后使控制作用滞后01到达，造到达，造成控制偏差增大。成控制偏差增大。vG02是控制、干扰共用通道，是控制、干扰共用通道， 干扰作用滞后干扰作用滞后02产生，但控产生，但控制作用再滞后制作用再滞后02到达，同样造到达，同样造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制通道纯滞后控制通道纯滞后0越小越好。越小越好。 0会使控制时间延长、会使控制时间延长、最大偏

30、差增大。最大偏差增大。 控制变量的选择原则：控制变量的选择原则： 1、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 2、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后时间越小越好。滞后时间越小越好。 3、干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数尽、干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数尽可能大，扰动引入位置要远离被控参数，尽可能靠可能大，扰动引入位置要远离被控参数，尽可能靠近调节阀。近调节阀。 4、多个时间常数错开。、多个时间常数错开。过程控制系统与仪表过程控制系

31、统与仪表 第第6章章例例1中，影响储槽液位的主要因素有：液体流中，影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和流出量。这两个变量影响力相当，显然，液入量和流出量。这两个变量影响力相当，显然，液体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。 LC TThQiQo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2中，影响出口温度的主要因素有：载热介中，影响出口温度的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量等。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选等。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介

32、质流量作为控制变量。载热介质流量作为控制变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TCQrQiTiTr过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例3中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度T灵灵的因的因素主要有：素主要有： TT进料的流量（进料的流量（Q入入）、）、进料的成分（进料的成分（ x入入）、）、进料的温度（进料的温度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的温度（回流的温度（T回回），），加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）

33、、）、冷凝器冷却温度等。冷凝器冷却温度等。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素其它基本为不可控因素 TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1、蒸汽流量对提馏、蒸汽流量对提馏段温度影响比回流量段温度影响比回流量对提馏段温度影响更对提馏段温度影响更迅速、更显著。迅速、更显著。2、从节能角度来讲，、从节能角度来讲，控制蒸汽流量比控制控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要回流量消耗的能量要小。小。 在两个可控因素中，选蒸汽流量

34、为操纵变量。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：因为： TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3检测环节、执行器及调节器正负作用选择检测环节、执行器及调节器正负作用选择 6.2.3.1传感器、变送器选择传感器、变送器选择1按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。适的测量范围（量程）与精度等级。检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。一系列误差来衡量。绝对误差绝对误差 指仪表指示值与被测参数真值之

35、间的差值指仪表指示值与被测参数真值之间的差值 引用误差引用误差 把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即 txxx%100%1000 xxx标尺下限值标尺上限值过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章精度等级精度等级 按仪表工业规定，去掉最大引用误差的按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.

36、0，1.5，2.5，4.0等。等。注意：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的注意：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能测量仪表反应慢，会造成测量失真。

37、应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。选择时间常数小的传感器、变送器。减小减小Tm和和m均对提高系统的控制质量有利。若均对提高系统的控制质量有利。若Tm较较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。态误差。 最好选用惰性小的快速测量元件，一般选其时最好选用惰性小的快速测量元件，一般选其时间常数为控制通道时间常数的间常数为控制通道时间常数的1/10以下为宜。以下为宜。 OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l必要时在测量元件之后引入微分环节，利用超必要时在测量元件之后引入微分环节，利

38、用超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。从减前作用来补偿测量元件引起的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大量程，即增大Km。l信号传递时延将降低控制质量，可采取以下改信号传递时延将降低控制质量，可采取以下改善措施：善措施：（1）若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，）若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，以缩短气压信号的传送距离以缩短气压信号的传送距离（2）若调节器输出为气压信号，可在）若调节器输出为气压信号，可在5060 m距离间，装距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，减小传递时间。一继动器，提

39、高气压信号的传输功率，减小传递时间。（3）若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附）若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，或采用电气阀门定位器。近，或采用电气阀门定位器。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制系统图 pHT LT LC pHC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽l04测量信号的处理测量信号的处理 测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。量信号的线性化处理。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪

40、表 第第6章章6.2.3.2执行器的选择执行器的选择l一、概述一、概述l执行器组成：执行器组成：执行机构和调节机构执行机构和调节机构。调节机构又。调节机构又称调节阀。称调节阀。l执行器作用：接受控制器输出的控制信号，并将执行器作用：接受控制器输出的控制信号，并将其转换为直线位移和角位移，操纵调节机构，自其转换为直线位移和角位移，操纵调节机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。制。l根据执行机构所使用能源的不同，执行器可以分根据执行机构所使用能源的不同，执行器可以分为气动、电动、液动三大类。为气动、电动、液动三大类。过程控制系统与仪表过程控

41、制系统与仪表 第第6章章l二、气动执行器二、气动执行器l1气动执行器的结构和原理气动执行器的结构和原理l气动执行器接受气动执行器接受0.21051.0105a的标准气压信号，的标准气压信号， 气动执行机构和调节机构两个部分组成。气动执行机构和调节机构两个部分组成。l按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。气动活塞式按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。气动活塞式执行结构主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装执行结构主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置，工业上薄膜式应用最多。置，工业上薄膜式应用最多。l气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执气动薄膜执行机构主要

42、由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使阀芯产生相应位移，改变阀的开度。阀芯产生相应位移，改变阀的开度。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l气动执行机构按推杆位移的方向有：气动执行机构按推杆位移的方向有：l正作用形式正作用形式：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动l反作用形式反作用形式：当输入气压信号增加时，推杆向上移动：当输入气压信号增加时

43、，推杆向上移动l调节机构实际上就是阀门，直接与介质接触，其结构、材料、调节机构实际上就是阀门，直接与介质接触，其结构、材料、和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。数，以达到控制流量的目的。l根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀

44、、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式。构形式。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l2控制阀的流量特性控制阀的流量特性l控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：l从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改对整个过程控制系统的品质有很大影响

45、。一般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控制。制。l 理想流量特性理想流量特性l当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想流量特性。流量特性。)(maxLlfQQ过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛物线和快开四种。物线和快开四种。l直线流量特性

46、直线流量特性l控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。l从流量特性上来看，直线阀的放大系数在任何一点都是相从流量特性上来看，直线阀的放大系数在任何一点都是相同的，但其对流量的控制力（即流量变化的相对值）在每同的，但其对流量的控制力（即流量变化的相对值）在每点都不同。直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，点都不同。直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，在大开度时，流量相对变化量小。在大开度时，流量相对变化量小。这就说明，直线阀在小这就说明，直线阀在小开度时，控制作用太强，易产生振荡；大开度时，控制作开度时，控制作用太强，易产生振荡；大开度时，控

47、制作用太弱，调节缓慢，不够及时。用太弱，调节缓慢，不够及时。KLldqqd)/()/(max过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l 对数（等百分比）流量特性对数（等百分比）流量特性l阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。成正比，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。l对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行程变化引起的流量相对变化值是相等的。程变化引起的流量相对变化值是相等的。l 由于对具有对

48、数流量特性的控制阀而言，小开度由于对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度时，放大系数较小，控制平稳缓和，大开度时，放大时，放大系数较小，控制平稳缓和，大开度时，放大系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利用对数流量特性是有利的。用对数流量特性是有利的。 maxmax)/()/(qqKLldqqd过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l抛物线流量特性抛物线流量特性l相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。l l 快开流量特性快开流量特性l在小开度时流量就比较大，随着开度的增大

49、，流量很快达在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大。到最大。l工作流量特性工作流量特性l实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成工作流量特性。工作流量特性。lS:畸变系数畸变系数maxmax)/()/(qqKLldqqd过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 三、调节阀的选择三、调节阀的选择 1调节阀工作区

50、间的选择调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择 一般分两步进行选择：首先按照过程控制系统一般分两步进行选择：首先按照过程控制系统的要求，确定工作流量特性，再根据流量特性曲线的要求，确定工作流量特性，再根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。想流量特性。 一般由数学分析和经验法两种，目前较多采用经验法。一般由数学分析和经验法两种，目前较多采用经验

51、法。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l3调节阀的气开、气关作用方式选择调节阀的气开、气关作用方式选择l气开调节阀：随着控制信号的增加而开度加大，无控制信号气开调节阀：随着控制信号的增加而开度加大，无控制信号时，阀门处于全关状态；时，阀门处于全关状态；l气关调节阀：随着信号压力的增加，阀门逐渐关小，无信号气关调节阀：随着信号压力的增加，阀门逐渐关小，无信号时，阀门处于全开状态。时，阀门处于全开状态。l选择原则选择原则：l人身安全、系统与设备安全人身安全、系统与设备安全（首要原则）（首要原则）l保证产品质量原则保证产品质量原则(如：全回流，不出废品）如：全回流，不出废品）l减少原料

52、和动力浪费（停止进料）减少原料和动力浪费（停止进料）l基于介质特点的工艺设备安全原则（将物料放空）基于介质特点的工艺设备安全原则（将物料放空）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3.3调节器正反作用的选择调节器正反作用的选择负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。选择调节器的正反作用。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器

53、对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章为了说明选择方法，先定义作用方向：为了说明选择方法，先定义作用方向：当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为环节为“正作用正作用”；反之，称为；反之，称为“反作用反作用” 。按此定义：按此定义：q变送器都是正作用变送器都是正作用q气开阀是正作用，气关阀是反作用气开阀是正作用，气关阀是反作用q被控对象有的正作用，有的反作用被控对象有的正作用，有的反作用q控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：正作用：测量值正作用

54、：测量值给定值给定值反作用：给定值反作用：给定值测量值测量值 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统中，各个环节的作用方向组合不当控制系统中，各个环节的作用方向组合不当的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，反而会破坏生产过程的稳定。反而会破坏生产过程的稳定。 因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测量值测量值

55、正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 调节器正反作用的确定原调节器正反作用的确定原则：则：保证系统构成负反馈保证系统构成负反馈 简单的判定方法：简单的判定方法：闭合回闭合回路中有奇数个反作用环节。路中有奇数个反作用环节。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测量值测量值反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统负反馈验证：负反馈验证：设某时刻燃料压力设某时刻燃料压力燃料流量燃料流

56、量炉温炉温出料温度出料温度TC输入输入 TC输出输出阀关小阀关小炉温炉温出料温度出料温度TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2：储槽液位控制系统：储槽液位控制系统LTLCM正正正正正正反反出料负反馈验证：负反馈验证：设某时刻进料量设某时刻进料量液位液位LC输入输入LC输出输出阀开大阀开大出料量出料量液位液位过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择 确定调节系统的方案时，要根据对象的特性和工确定调节系统的方案时，要根据对象的特性和工艺要求，选择合适的调

57、节规律，使组成的调节系统满艺要求，选择合适的调节规律，使组成的调节系统满足预期的品质指标。足预期的品质指标。 调节器的调节规律，即它的输出量与输入量（偏调节器的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。差值）之间的函数关系。P = f ( e )-e- 测量值 给定值给定值 测量值调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。节。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.1调节规律对控制品质影响的分析调节规律对控制品质影响的分析要正确地选择调

58、节规律，首先必须理解各种调要正确地选择调节规律，首先必须理解各种调节规律对控制品质的影响。节规律对控制品质的影响。最简单的调节规律是位式调节规律。最简单的调节规律是位式调节规律。根据偏差根据偏差 e 的正、负，调节器输出只有两个位的正、负，调节器输出只有两个位置：置：0或或100%。0 e100%调节器输出调节器输出两位式调节的特性两位式调节的特性位式调节下，被控参数不位式调节下，被控参数不能稳定在给定值上。要获得平能稳定在给定值上。要获得平稳的高精度的调节，必须采用稳的高精度的调节，必须采用连续调节规律。连续调节规律。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章要使控制过程平稳准确，必须

59、使用输出值能连要使控制过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器，采用比例，微分、积分等算法进续变化的调节器，采用比例，微分、积分等算法进行调节。行调节。6.3.1.1比例（比例（P）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响比例调节器输出变化比例调节器输出变化u (t) 随输入偏差随输入偏差e (t)成比成比例关系：例关系： U( )1G( )E( )PsssP比例度。比例度。 1u(t)e(t)P过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例 自力式水位比例控制系统自力式水位比例控制系统浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器

60、。如果某时刻执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠杆杠杆a、b之比例关系，决定调节作用强弱。之比例关系，决定调节作用强弱。uabea1ueebP 如果如果e = 0，则活塞无，则活塞无法提高，法提高，Q1无法加大，调无法加大，调节无法进行。节无法进行。u过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章比例带的物理意义：调节阀开度改变比例带的物理意义：调节阀开度改变100%时，时，偏差信号的变化范围占调节器输入量程的百分比。偏差信号的变化范围占调节器输入量程的百分比。比例带比例带P是放大