过程控制原理与工程第5章

1、过程控制原理与工程于辉 主编过程控制原理与工程第5章5.1简单控制系统的组成5.2被控变量与操纵变量的选择5.2.1被控变量的选择5.2.2操纵变量的选择5.3测量滞后对控制质量的影响及克服办法5.3.1测量滞后对控制质量的影响5.3.2克服测量滞后及信号的处理方法5.4控制阀的选择5.4.1控制阀概述5.4.2控制阀的流量特性过程控制原理与工程第5章5.4.3控制阀的流量特性的选择5.4.4控制阀气开、气关形式的选择5.4.5阀门定位器的正确使用5.5控制器的选择5.5.1控制器控制规律的选择5.5.2控制器正、反作用的确定5.6简单控制系统工程应用案例5.7简单控制系统的投运和控制器参数整

2、定5.7.1系统的投运5.7.2控制器参数的工程整定过程控制原理与工程第5章5.8简单控制系统的故障及故障排除5.8.1自动控制系统的故障及判别方法5.8.2故障分析举例过程控制原理与工程5.1简单控制系统的组成图5-1简单液位控制系统过程控制原理与工程5.1简单控制系统的组成图5-2单回路控制系统的组成框图过程控制原理与工程5.2被控变量与操纵变量的选择在自动控制系统的组成框图中最重要的是确定控制对象，控制对象是最重要的工艺生产设备。确定控制对象也就是选择对象的输入信号(操纵变量)与对象的输出信号(被控变量)，一旦操纵变量与被控变量确定后，控制通道中对象的特性也就确定了。过程控制原理与工程5

3、.2.1被控变量的选择1)尽量选择能直接反映产品质量指标的变量作为被控变量。2)如果工艺变量本身(如温度、压力、流量、液位等)就是要求控制的指标，则称为直接控制指标。3)被控变量一般应该是独立可调的，不应因调整它而引起其他变量的明显变化，发生关联作用而影响整个生产过程的稳定。4)被控变量应是易于检测且灵敏度足够大的变量。过程控制原理与工程5.2.2操纵变量的选择1.对象静态特性对控制质量的影响及按静态特性选择操纵变量2.对象动态特性对控制质量的影响及按动态特性选择操纵变量过程控制原理与工程1.对象静态特性对控制质量的影响及按静态特性选择操纵变量图5-3变换炉反应温度控制系统1)控制进入变换炉的

4、冷激量。过程控制原理与工程1.对象静态特性对控制质量的影响及按静态特性选择操纵变量2)控制进入变换炉的煤气量。3)控制进入变换炉的蒸汽量。过程控制原理与工程2.对象动态特性对控制质量的影响及按动态特性选择操纵变量图5-4干扰通道的动态响应曲线过程控制原理与工程2.对象动态特性对控制质量的影响及按动态特性选择操纵变量(1)控制通道时间常数T0、纯滞后时间0对控制质量的影响控制通道时间常数T0太大，过程反应速度慢，控制作用对被控变量的动态响应慢，易引起较长的过渡时间。(2)干扰通道时间常数Tf、纯滞后时间f对控制质量的影响控制系统在阶跃扰动的作用下，干扰通道的Tf越大，干扰对被控变量的影响越慢。过

5、程控制原理与工程2.对象动态特性对控制质量的影响及按动态特性选择操纵变量图5-5有、无纯滞后的过渡过程1)如一个控制系统存在两个以上的干扰通道，从动态角度看，时间常数小的干扰通道对被控变量的影响最显著。过程控制原理与工程2.对象动态特性对控制质量的影响及按动态特性选择操纵变量2)控制通道时间常数(T0)越小对被控变量的影响越为明显。3)在选择操纵变量时，应使干扰作用点靠近控制阀而远离测量元件处。过程控制原理与工程5.3测量滞后对控制质量的影响及克服办法测量变送器的作用是把工艺变量的值检测出来，并转换成统一电(或气)信号，如风压0.020.1MPa，或电信号420mA，等等。下面从控制系统的角度

6、，对在参数的测取和变送中碰到的问题进行讨论。过程控制原理与工程5.3.1测量滞后对控制质量的影响1.纯滞后时间m2.测量滞后Tm过程控制原理与工程1.纯滞后时间m图5-6pH值控制系统过程控制原理与工程2.测量滞后Tm图5-7反应器温度自动控制系统过程控制原理与工程2.测量滞后Tm图5-8控制过程记录曲线图过程控制原理与工程5.3.2克服测量滞后及信号的处理方法1.克服测量滞后的方法2.测量信号的处理过程控制原理与工程1.克服测量滞后的方法(1)选择快速的测量元件克服测量滞后的根本办法就是合理选择快速的测量元件。(2)正确选择安装位置在自动控制系统中，以温度控制系统的测温元件和质量控制系统的采

7、样装置所引起的测量滞后为最大，它与元件外围物料的流动状态、流体的性质和停滞层厚度有关，如果把测量元件安装在死角、容易挂料、结焦的地方，将大大增加测量滞后。过程控制原理与工程1.克服测量滞后的方法图5-9焙烧炉灵敏点示意图过程控制原理与工程1.克服测量滞后的方法(3)正确使用微分单元对于测量滞后大的系统，引入微分作用也是有效的办法。过程控制原理与工程2.测量信号的处理图5-10对脉动气压信号加阻尼1阀2变送器3气容过程控制原理与工程2.测量信号的处理(1)周期性的脉动信号需进行低通滤波在流体输送过程中，由于输送机械的往复运动，流体的压力和流量会呈现周期性的脉动变化，它的频率与输送机械的往复频率相

8、一致，常见的如活塞式压缩机的出口压力和以往复泵输送液体时的流量。(2)测量噪声需进行低通滤波有些容器的液位本身会剧烈跳动，使变送器的输出波动不止。过程控制原理与工程2.测量信号的处理图5-11液位控制系统采用阻尼器的方案过程控制原理与工程5.4控制阀的选择过程控制原理与工程5.4.1控制阀概述控制阀是控制系统中非常重要的一个环节，它接受来自控制器的输出信号，通过改变阀的开度来达到最终的控制目的。控制阀直接与介质接触，当在高温、高压、深冷、强腐蚀、高黏度、易结晶等各种恶劣条件下工作时，控制阀选择的重要性就更为突出。不论是简单控制系统，还是复杂控制系统，控制阀都是控制系统不可缺少的组成部分。从保证

9、控制质量的角度，除了选择阀的类型外，在设计中还包括以下三个内容。1)选择阀的口径。2)选择阀的流量特性。3)选择阀的气开与气关形式。过程控制原理与工程图5-12控制阀输入输出对应关系过程控制原理与工程5.4.2控制阀的流量特性1.理想流量特性2.工作流量特性过程控制原理与工程5.4.2控制阀的流量特性图5-13控制阀的阀芯形状过程控制原理与工程1.理想流量特性图5-14控制阀的四种理想流量特性曲线图过程控制原理与工程1.理想流量特性(1)直线流量特性过程控制原理与工程1.理想流量特性表5-1控制阀的相对开度与相对流量(可调比R=30)(2)对数(等百分比)流量特性对数流量特性又叫等百分比流量特

10、性，是指单位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。过程控制原理与工程1.理想流量特性(3)快开流量特性快开流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与该点相对流量值的倒数成正比关系。过程控制原理与工程1.理想流量特性(4)抛物线流量特性抛物线流量特性是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与该点相对流量值的平方根成正比。过程控制原理与工程1.理想流量特性过程控制原理与工程2.工作流量特性图5-15具有串联阻力的控制阀过程控制原理与工程2.工作流量特性图5-16串联管道时控制阀在不同S值时的工作特性过程控制原理与工程5.4.3控制阀的流量特性的选择1.根据对象特性选择控

11、制阀的流量特性2.S值的考虑3.特殊情况的考虑过程控制原理与工程1.根据对象特性选择控制阀的流量特性图5-17换热器出口温度控制系统过程控制原理与工程1.根据对象特性选择控制阀的流量特性(1)负荷变化对对象特性的影响在生产过程中负荷的变化将可能导致有些对象的放大系数、纯滞后及时间常数的变化。(2)根据对象特性选择控制阀的流量特性从上述的例子可以看出，在生产过程中负荷的变化可能导致对象的静、动特性的变化。过程控制原理与工程1.根据对象特性选择控制阀的流量特性图5-18控制阀特性补偿示意图过程控制原理与工程2.S值的考虑控制阀在实际使用时，工艺配管的情况不同，即S值的不同，会影响控制阀的流量特性，

12、因此选择阀的特性时要考虑S值的大小。当S0.6时，理想流量特性畸变不严重，可以不考虑配管的影响，选择控制阀的理想流量特性。当S=0.60.3时，理想特性是直线特性的则畸变为快开特性，理想特性是对数(等百分比)特性的则畸变为抛物线以致直线流量特性。因此，当要求的工作特性为直线特性时，理想特性应选用等百分比；当要求的工作特性为快开型时，理想特性应选用直线型；当要求的工作特性为等百分比时，由于受现有产品的限制，理想特性仍选对数(等百分比)，同时还要考虑采用阀门定位器进一步加以补偿。当S0.3时，流量特性畸变严重，此时已不适合自动控制。过程控制原理与工程3.特殊情况的考虑1)从控制阀正常工作时阀门开度

13、考虑。2)当控制阀经常工作在小开度时如前所述，宜选用对数(等百分比)流量特性的控制阀；当流过控制阀的介质中含有固体悬浮物等，易造成阀芯阀座磨损而影响控制阀的使用寿命时，由于直线型控制阀阀芯曲面形状较瘦，流线性好不易磨损，则宜选用直线流量特性控制阀；在非常稳定的控制系统中，控制阀阀位变化很小，阀特性对控制质量影响甚微，或者在正常工作时，控制阀开度较大，此时选用直线型控制阀或者对数(等百分比)控制阀均可。过程控制原理与工程5.4.4控制阀气开、气关形式的选择1)首先要从安全生产出发，即当气源供气中断、或控制器出故障而无输出、或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状

14、态(气开阀回复到全关，气关阀回复到全开)，应能确保工艺生产设备的安全，不致于发生事故。2)从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态，防止不合格产品送出，从而保证塔顶产品的质量。过程控制原理与工程5.4.4控制阀气开、气关形式的选择3)从降低原料、成品、动力消耗来考虑。4)从介质的特点考虑。过程控制原理与工程5.4.4控制阀气开、气关形式的选择图5-19执行机构和阀体的组合方式过程控制原理与工程图5-20锅炉供水控制系统过程控制原理与工程5.4.5阀门定位器的正确使用1)

15、消除控制阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高控制阀的精度和可靠性，实现准确定位。2)增大执行机构的输出功率，减小系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度。3)可以改变阀门的动作方向。4)通过改变电-气阀门定位器中凸轮的几何行状可以改变控制阀的流量特性，即可使控制阀的直线流量特性、对数(等百分比)流量特性互换使用。过程控制原理与工程5.4.5阀门定位器的正确使用5)利用阀门定位器可将控制器输出信号分段，以实现分程控制。过程控制原理与工程5.5控制器的选择过程控制原理与工程5.5.1控制器控制规律的选择在控制系统中，仪表选型确定以后，对象的特性是固定的；测量元件及变送器的特性比较简单，一

16、般也是不可以改变的；控制阀加上阀门定位器可有一定程度的调整，但灵活性不大，主要可以改变的就是控制器的参数。系统设置控制器就是通过它改变整个控制系统的动态特性，以达到控制的目的。过程控制原理与工程5.5.1控制器控制规律的选择图5-21加热炉出口温度控制系统过程控制原理与工程5.5.1控制器控制规律的选择图5-22不同控制规律控制过程曲线比较过程控制原理与工程图5-23温度控制系统过程控制原理与工程图5-24蒸汽加热器温度控制系统过程控制原理与工程图5-25蒸汽加热温度控制框图过程控制原理与工程5.6简单控制系统工程应用案例1.生产工艺概况2.控制方案设计3.过程检测控制仪表的选用过程控制原理与

17、工程1.生产工艺概况图5-26干燥器温度控制流程图过程控制原理与工程2.控制方案设计(1)确定被控变量从工艺概况可知需要控制奶粉含水量。(2)确定操纵变量影响干燥器温度的因素有乳液流量、旁路空气流量和加热蒸汽量。过程控制原理与工程3.过程检测控制仪表的选用1)由于被控温度在600以下，选用热电阻作为测温元件，配用温度变送器。2)根据过程特性和控制要求，选用对数(等百分比)流量特性的控制阀。3)为减小滞后，控制器选用PID控制。过程控制原理与工程5.7简单控制系统的投运和控制器参数整定过程控制原理与工程5.7.1系统的投运1.投运前的准备2.配合工艺开车的过程，进行控制系统各组成部分的投运过程控

18、制原理与工程1.投运前的准备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、电源、气源等，以保证投运时能及时正确地操作，故障能及时查找到位。2)检测元件、变送器、控制器、显示仪表、控制阀等必须通过检验，保证精确度要求。3)各种接线和导管必须经过检查，保证联接正确。4)根据经验或估算，设置、Ti和Td，或者先将控制器设置为纯比例作用，比例度放较大的位置。5) 确认控制阀的气开、气关形式；确认控制器的正、反作用。过程控制原理与工程2.配合工艺开车的过程，进行控制系统各组成部分的投运1)检测系统投入运行，如各种变送器的投运。2)手动遥控阀门。3)控制器投运。过程控制原理与工程5.7.2控制器

19、参数的工程整定1.临界比例度法2.经验法3.衰减曲线法过程控制原理与工程1.临界比例度法图5-27临界振荡过程过程控制原理与工程1.临界比例度法表5-2临界比例度法参数计算表过程控制原理与工程2.经验法1) 对于采用比例控制器的系统，其参数整定的步骤是：首先置Ti=(去掉积分作用)，Td=0(去掉微分作用)，将比例度由大逐渐变小，观察由此而得到的一系列控制过程曲线，若曲线振荡频繁，则加大比例度；若曲线超调量大，且趋于非周期过程，则减小比例度，直至控制过程曲线认为最佳为止。2) 对于采用比例积分控制器的系统，其参数整定可按如下步骤进行：先按纯比例控制器整定比例度，使其得到比较好的控制过程曲线，然

20、后再把比例度放大20左右。过程控制原理与工程2.经验法表5-3经验凑试法控制器参数范围3) 若采用比例积分微分控制器，则需确定比例度、积分时间和微分时间三个参数。过程控制原理与工程2.经验法图5-28三种振荡曲线比较图过程控制原理与工程2.经验法图5-29比例度过大、积分时间过大时的曲线图过程控制原理与工程3.衰减曲线法图5-304 1衰减过程曲线过程控制原理与工程3.衰减曲线法1) 调节控制器的积分时间Ti=，微分时间Td=0，控制器为纯比例作用，比例度放在适当数值(一般为100)。2) 将控制器的比例度由大到小逐渐改变，并在每改变一次值时，通过改变设定值给系统施加一阶跃干扰，同时观察过渡过

21、程变化情况。3) 根据s和Ts，使用表5-4中的经验公式，求出控制器的参数整定值。过程控制原理与工程3.衰减曲线法表5-44 1衰减曲线法参数整定计算表4) 按“先P后I最后PID”的顺序，将控制器求得的参数放好。1)对于反应较快的流量、管道压力及小容量的液位控制系统，要在记录曲线上认定衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可用记录指针来回摆动两次就达到稳定作为4 1衰减过程。过程控制原理与工程3.衰减曲线法图5-3110 1衰减过程曲线过程控制原理与工程3.衰减曲线法2)在生产过程中，负荷变化会影响对象特性，因而会影响4 1衰减法的整定参数值。3)在某些实际生产过程中，对控制过程的稳定性要求较高

22、，认为4 1衰减过程的稳定性还不够，希望过程的衰减比还要大一些，此时可采用 10 1衰减曲线法。表5-510 1衰减法整定计算公式过程控制原理与工程5.8简单控制系统的故障及故障排除自动控制系统运行以后及运行一个时期以后，可能会出现各种各样的问题，这时通常要从自动化装置和工艺两方面去寻找原因，工艺人员和仪表人员要密切配合，认真检查。过程控制原理与工程5.8.1自动控制系统的故障及判别方法1.测量系统的故障及判别方法2.控制系统运行中的常见问题过程控制原理与工程1.测量系统的故障及判别方法(1) 记录曲线的分析比较记录曲线的异常情况一般有下列几种，仔细分析比较，是不难找出其原因的。1)记录曲线突

23、变一般来说，工艺参数的变化是比较缓慢的，有规律的。2)记录曲线突然大幅度变化。图5-32不规则变化的记录曲线过程控制原理与工程1.测量系统的故障及判别方法3)记录曲线出现不规则变化。图5-33记录曲线的等幅振荡过程控制原理与工程1.测量系统的故障及判别方法4)记录曲线出现等幅振荡。5)记录曲线不变化，呈直线状(或圆状)。(2) 控制室仪表与现场同位仪表比较对控制室仪表指标有怀疑时，可以观察现场同位置(或相近位置)安装的各种直观仪表(如弹簧管压力表、玻璃管温度计等)的指示，看两者指示值是否相近(不一定要完全相等)，如果差别很大，则说明仪表有故障。(3) 两台仪表之间的比较对一些重要的工艺参数，往

24、往都是用两台仪表同时进行检查显示，以确保测量准确，又便于对比检查。过程控制原理与工程2.控制系统运行中的常见问题1)控制系统间的相互关联及其克服的办法。图5-34负荷分配系统过程控制原理与工程2.控制系统运行中的常见问题2) 由于控制系统内各组成环节的特性对控制质量都有一定的影响，所以当控制系统中某个组成环节的特性发生变化，系统的控制质量也会随着发生变化。3) 工艺操作的不正常，生产负荷的大幅度变化，不仅会影响对象的特性，而且会使控制阀的特性发生变化。4) 控制阀本身在使用时的特性变化也会影响控制系统的工作。5) 自动控制系统的故障与控制器参数的整定是否恰当有关。过程控制原理与工程5.8.2故障分析举例【例5-3】某化工厂的流量自动控制系统，运行时发现二次表记录