化工自动控制培训课件

自动控制系统设计简单控制系统简单控制系统是生产过程中最常见、应用最广泛、数量最多的控制系统。它是由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成的单回路控制系统。简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程控制要求，因而应用广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后和时间常数较小，负荷和干扰变化比较平缓或者对被控变量要求不太高的场合。按被控制的工艺变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制。简单控制系统第一节对象特性及过渡过程品质指标一、对象特性根据实践经验的总结得到，除少数元自衡对象以外，大多数对象均可用一阶、二阶、一阶加纯滞后、二阶加纯滞后这四种典型的动态特性来加以近似描述。为了进一步简化，也可以将所有对象都简化为一阶加纯滞后的形式。

对于这种理想的一阶加纯滞后的对象，当输入端加一个阶跃干扰时，输出端要经过一段时间才会开始发生变化，其反应曲线如图1-1-1所示。

简单控制系统•从加入阶跃干扰的时刻起，到输出开始变化的时刻为止，这段时间就是对象的纯滞后时间τ。•在单位阶跃作用下，当时间趋于无穷大时，对象的稳态输出值就是对象相应于此输入下的放大系数。•时间常数的物理意义是当输入为阶跃干扰时，在对象的输出响应曲线上，从输出量开始变化的起始点作一切线，使该切线与稳态值相交，从输出量开始变化的时刻起，至上述交点A所对应的时刻为止，这一段时间即等于时间常数T的值。图1-1-1单容对象的阶跃响应曲线简单控制系统图1-1-2多容对象的阶跃响应曲线简单控制系统对象的纯滞后时间使调节器改变输出时不能立刻看出它的影响，因而使得它无法提供合适的校正作用，常常造成控制作用过头。因此对调节通道来说，希望它的对象纯滞后时间越小越好。对干扰通道来说，它的纯滞后时间的存在，即相当于干扰的影响要过一段时间才开始起作用，因而调节过程也将在时间轴上往后平移，但不受影响。容量滞后的存在，相当于滤波一样，使调节作用或干扰作用的影响和缓起来，若容量滞后存在于干扰通道，显然是有利于控制的。简单控制系统二、过渡过程品质指标

衰减比B1／B2余差C最大偏差A过渡过程时间TS振荡周期T

图1-1-3一个控制系统的过渡过程

简单控制系统第二节被控变量及操纵变量的选择

一、被控变量的选择对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量，或者人工操作过于频繁、紧张，难以满足工艺要求的工艺变量，作为被控变量。而作为产品质量控制的成分往往找不到合适的、可靠的在线分析仪表，因而常常采反应器的温度、精馏塔某一块灵敏板的温度或温差来代替成分作为被控变量。这个间接的被控变量――温度或温差，只要与成分有对应关系，并且有足够的灵敏度，则完全是合适的。这种做法在石油化工生产中是常见的，并且是一个行之有效的好办法。简单控制系统第二节被控变量及操纵变量的选择

二、操纵变量的选择

•首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变；

•选上的操纵变量的调节通道，它的放大系数要大，这样对克服干扰较为有利；

•在选择操纵变量时，应使调节通道的时间常数适当小一些，而干扰通道的时间常数可以大一些；

•选上的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小，不会对其他控制系统的运行产生较大的干扰简单控制系统第三节滞后对控制系统的影响

定值控制系统的特点是能适应给定值和扰动两者的变化，使被控变量趋向于给定值。但在控制系统的一些环节中存在滞后时将严重影响调节过程的品质。如在测量变送单元中存在滞后，它就不能将被控变量的变化及时地、如实地送到调节器，使调节器仍按过时的信号来工作，导致过渡过程时间加长，超调量增加。如果调节器输出的气动信号管路过长，调节阀膜头上的空间容积较大，这样必然使调节阀动作迟缓，不能及时产生校正作用，同样会使调节品质变坏。简单控制系统第三节滞后对控制系统的影响常用措施

•合理选择测量元件的安装位置，减少测量变送单元的纯滞后（工艺）

•选取小惰性的测量元件，减少时间常数（仪表）

•采用气动继电器，阀门定位器（仪表）

•从控制规律上采取措施（自控）简单控制系统第四节调节阀的可调比可调比的定义调节阀的可调比是指调节阀所能控制的最大流量和最小流量的比例，用R来表示理想可调比R当调节阀工作在理想状态，即阀门两端的压降恒定不变时，它的可调比称为理想可调比常用的调节阀理想可调比R为30～50。简单控制系统第四节调节阀的可调比实际可调比R实串联管道时如图31-13所示，调节阀与工艺管道相串联，如系统总的压降△p为恒定，则在最大流量Qmax时，管道压降△p管为最大，因而阀上压降△p阀必定为最小；在最小流量Qmin时，管道压降△p管为最小，阀上压降△p阀为最大。图1-4-1调节阀与工艺管道相串联

简单控制系统第四节调节阀的可调比若用S来表示调节阀全开时阀上压降与系统总压降之比，即显然调节阀全关时阀上压降△Pmax近似于系统的总压降△P，这样简单控制系统第四节调节阀的可调比并联管道时图1-4-2调节阀与工艺管道相并联

复杂控制系统第一节串级控制系统图2-1-1管式加热炉出口温度串级控制系统图一、典型串级控制系统及其方框图复杂控制系统第一节串级控制系统图2-1-2串级控制系统的方框图Gc-调节器的传递函数；Gv-调节阀的传递函数；Go-被控对象的传递函数；Hm-测量变送单元的传递函数r-给定值；C-测量值；

复杂控制系统第一节串级控制系统二、串级控制系统的特点串级控制系统从总体上来看仍然相当于一个定值控制系统，但由于它在结构上增加了一个随动的副回路，因此具有如下两个特点。•对于克服副回路的干扰有较强的能力•对于克服主回路的干扰也有好处复杂控制系统第一节串级控制系统三、串级控制系统的设计原则１．副回路应力求包括主要的干扰，即变化频繁、幅度较大的干扰，如有条件还应尽可能包括其他次要的干扰，这样能充分发挥副回路的作用，把影响主被控变量的干扰作用抑制到最低程度。２．应使主、副对象的时间常数有合适的搭配，一般希望主对象的时间常数为副对象时间常数的3~4倍，这样可以避免主、副回路互相影响，产生共振现象，也便于调节器的参数整定。３．副回路的构成应考虑它在工艺上的合理性。４．在串级控制系统中，主、副调节器的工作性质不一样，主调节器起定值控制的作用，而副调节器起随动控制的作用；主被控变量一般不允许有余差，而副被控变量往往允许在一定范围内波动。复杂控制系统第二节比值控制系统一、几种常见的比值控制方案1、单闭环比值按制系统图2-2-1单闭环比值控制系统复杂控制拢系统第二节比莲值控制系成统2、双闭象环比值用控制系址统图2-2-老2双闭环比歼值控制系爽统复杂控得制系统第二节展比值控软制系统3、串级创比值控挠制系统图2-2-畅3氧化炉夜温度氨状空比串垒级控制苍系统1-过滤器；2-氧化炉高；3-预热器侍；4-鼓风机；5-混合器复杂控制项系统第二节比静值控制系瓦统4、带逻辑续提量的比植值控制系逮统图2-2万-4带逻辑提济量的串级篇比值控制爆系统1－低选器距；2－高选器踩；3－适配器孕；4－反作用趁调节器；5－汽包色；6－蒸汽汤锅炉复杂控制安系统第二节比宫值控制系滴统二、主溜、从被肝控变量图的选择在一个么比值控感制系统田中，由闸于主被续控变量政的变化碧，可以啦通过比浩值控制紧使从被茎控变量熟发生相油应的成背比例的阳变化，碌而从被伙控变寰筒的变化尝却不能究反过来铃，使主驰被控变络量发生捧丝毫的题变化，袖因而就拖应从安全的晒角度出发闷来选择主毛、从被控亦变量。复杂控控制系统第三节苏均匀渴控制系穗统图2-3-务1脱丙烧塔眯的出料直驶接作为脱浊丁烧塔的滑进料复杂控六制系统第三节勺均匀归控制系妨统一、均匀者控制的目稳的和任务均匀控制分要完成的倍任务就是足保持塔釜叙的液位或寒者容器的推压力在一栏定的控制驳范围以内定，同时又言要兼顾到裳它所操纵少的流量，覆让它逐步闹地、平滑恼地变化，耻不至于影判响下一个连设备的操眼作。显然兴均匀控制木既不是要搞严格保持割液位在某持一个给定孤值上，也禁不是严格映控制流量支在另一个醉给定值上骄，而是要舅兼顾液位到和流量的享矛盾，让勺它们都在沿各自要求企的控制范享围内变化屡。对这个摊控制范围爸，不同的太工艺过程苏要求不一泳样，有的跃严，有的要宽。根据鸦不同的要剪求可以设部计不同复服杂程度的耳均匀控制往系统。复杂控制井系统第三节披均匀控制疗系统二、均唉匀控制险方案的注实施1.简单均匀坛控制系统图2-3-目1中脱丙皮烧塔塔蚂釜的液添位控制幸系统是抽简单均早匀控制仔系统。揭从外表耐上看，炕它与单等纯液位孟控制系世统没有托任何差幕别，但续根据它仰们完成厦的任务桥不同，互主要的恩差别在窜于液位迹测量变捏送器量蛮程的确读定，以膏及调节哨器的选痰择与参淹数的整坝定上。复杂控制奏系统第三节倦均匀控制框系统2.串级均匀惹控制系统图2-3肝-2乙烯精环馏塔回刃流罐液斗位串级出均匀控杰制系统1－乙烯筋精馏塔刚；2－回流坊罐复杂控制拳系统第三节碎均匀控制哥系统3.双冲量燃均匀控掏制系统图2-3-慨3双冲量欢均匀控捕制系统图中有一绵个加法器母，加法器数的输出等豆于液位测愧量信号减收去流量测返量信号，缴再加上一蓬个固定偏种置信号C，把加法店器的输出慨送到流量蝴调节器，求作为流量瓶控制的测粮量值。调悔节可调偏突置C，使稳应态时的伤液位L和流量F都为工艺处要求的值。复杂控城制系统第四节粱分程糊控制系葵统一、分程志控制系统汗的基本概测念和应用页场合在简单控蜘制系统中匆，一个调涝节器的输在出只带动役一个调节次阀。而在毛分程控制促系统中，伏一个调节垦器的输出丧去带动两狠个或两个绪以上的调曲节阀工作携，每个调禁节阀仅在殿调节器输潜出的某段刚信号选围貌内动作。惹分程控制亩在石油化像工生产中砍主要应用累在下列场故合复杂控娱制系统第四节仿分程厌控制系温统１、能适贡应工艺要叠求，采用灶两种或多负种手段、勿介质来进苦行控制图2-4-享1反应器老温度与析夹套温露度串级麻／分程忽控制系短统图复杂控吊制系统第四节扩分程控制月系统2、满足类工艺生闻产不同师负荷和耀开、停犁车过程灾对自控吵的要求图2-4赠-2去一段宅炉烧嘴巧燃料气固压力分伞程控制版系统3、扩大调狗节阀的可阶调比复杂控制蜡系统第四节姨分程控制夹系统二、设岂计分程恨控制系忆统时应签注意的吵问题１、调权节阀的妖泄漏量当分程控猴制系统的萌目的是用坏于扩大调合节阀的可慈调比时，垃一个口径亡较大的阀拳与一个口逆径较小的竿阀并联在渠一起工作，蝴如果大杆阀全关喊后实际励泄漏量抱过大时絮，小阀裤在小开袋度时将非不能起看调节作舱用，达射不到理绵论计算地所得出嚼的扩大垂可调比热的倍数捡。２、在兵分程控斯制的信鸦号接合申部流量蜘会产生糕跳变复杂控制堤系统第五节薯自动什选择性财控制系担统图2-5-糖1选择反羞应器热鸣点温度沿的控制昨系统复杂控映制系统第五节盛自动膨选择性窗控制系跨统图2-5-恋2用于两冲个反应颠器负荷蹄平衡控族制的阀蹈位开度托选择性熊串级控爸制系统复杂控制慨系统第六节雾前馈溪控制系螺统一、反月馈控制酬的特点前面所教提到的改各类控至制系统三中，调稿节器都泉是按给画定值与岂测量值赠之差，彩即按偏差珍来进行质工作的，这就是喝根据反馈叠原理工作郑的控制系烤统。但是藏在一些纯昂滞后时间斜长、时间鲜常数大、烧干扰幅度屋大的对象盘中，反馈恭控制的品锣质往往不插能令人满脏意，究其茫原因，主天要还是为裹反馈控制肾本身的特朵点所决定瞎。这些特萝点是：１、反瘦馈控制针的性质沙本身意威味着必辨须存在责被控变鱼量的偏更差方能势进行控昼制，因蹈而是不芬完善的卡；２、调率节器必腊须等待程被控变津量偏离刚给定值林后才开肥始改变除输出，颠对纯滞削后时间的长、时恶间常数评大的对压象，它诵的校正至作用起严步较晚挽，并且裳对应一区定幅值卫的干扰蜜，它不脚能立即浮提供一凭个精确帅的输出随，只是百在正确冬的方向辟上进行恋试探，复以求得俭被控变商量的测荐量值与北给定值断相一致斑，这种纵尝试的冶方法就杏导致了愧被控变适量的振让荡；３、如财果干扰锈的频率俗稍高，摧这种尝瞧试的方姨法由于嫂来回反乱复试探脂，必然联使系统困很难稳艇定。复杂控制俩系统第六节玩前馈恳控制系棍统二、前拉馈控制丘适用的草场合为巨：１、当盈对象的评纯滞后道时间特边别大，道时间常歌数特别发大或者肝特别小坑，采用学反馈控福制难以搁得到满傻意的调件节品质该时；２、干扰拥的幅度大摧，频率高搅，虽然可访以测出，撇但受工艺盛条件的约稠束，例如费工艺生产如的负荷；３、某完些分子奴量、粘补度、组畜分等工怨艺变量裕，往往研找不到眯合适的荒检测仪镜表来构肺成闭合芹的反馈型控制系建统，此绢时只能尼采取对骑主要干谋扰加以羊前馈控葵制的方搏法，来送减少或抹消除干怖扰对它栗们的影仪响。复杂控制纵系统第六节登前馈践控制系幻玉统图2-6胜-1热交换楼器的前递馈－反滋馈控制叔系统复杂控制桥系统第六节帐前馈控制召系统图2-6-握2把蒸汽流厚量前馈移火到给定回些路中去的所汽包液位践三冲量控幅制系统复杂控制召系统其他复杂祥控制采用计蠢算单元鸭的控制乏系统：非线性绪控制系善统采样控受制系统模糊控制应系统解耦控制筑系统预测控制叨系统多输出窑控制系姓统自适应图控制系简统极值控患制系统最优时辅间控制禽系统典型生产汪单元的控杀制方案第一节伯流体输送煤设备的控腿制图3-1拉-1电机泵优调速典型生循产单元顽的控制走方案第一节嫩流体输送持设备的控语制图3-1臣-2直接节贵流法控胃制流量典型生产贪单元的控摸制方案第一节羽流体丈输送设杨备的控损制图3-1-境3旁路法青控制流渗量典型生产搞单元的控姓制方案第一节甩流体输送敏设备的控靠制图3-1-到4离心泵出汁有分支的斤控制典型生碎产单元饿的控制悔方案第二节乞传热臂设备的错控制一、热色交换器架的控制图3-2-周1控制裁热宿流量控制插方案典型生怖产单元缩慧的控制席方案第二节辜传热系设备的两控制一、热交既换器的控久制图3-2-蜜2调载热妈流量串租级方案典型生产你单元的控段制方案第二节访传热设备抓的控制二、蒸发酸器的控制图3-2品-3某厂糖液量蒸发器控冷制方案典型生躺产单元所的控制酿方案第二节锄传热单设备的庄控制三、干逢燥器的强控制图3-2核-4流化床干饶燥器控制暮流程典型生产荷单元的控锡制方案第二节颗传热设备熟的控制四、加热熄炉的控制图3-2贪-５前馈篇串级控制生方案典型生锯产单元雕的控制肺方案第三节楼锅炉搬设备的开控制一、汽筐包水位势的控制图3-3-集1第一种矛三冲量桐水位控跃制系统墓方案典型生翠产单元梯的控制份方案第三节雪锅炉初设备的醋控制一、汽疗包水位刊的控制图3-3到-2第二种三球冲量水位倘控制系统乱方案典型生仿产单元效的控制至方案第三节状锅炉施设备的惭控制一、汽枪包水位霞的控制图3-3-减3第三种三趴冲量水位腊控制系统普方案典型生摸产单元邪的控制商方案第三节义锅炉豪设备的趴控制二、过法热蒸汽惧系统的气控制图3-3灾-4过热蒸吊汽温度回串级控跌制方案1－一段过蹲热器；2－减温器江；3－二段过魄热器典型生哭产单元哗的控制翁方案第三节协锅炉设备趟的控制三、锅笑燃烧系虚统的控滨制图3-3-５蒸汽谨压力与燃绳空比控制身方案（并甘联式燃空横比）典型生功产单元阅的控制梅方案第四节说化学反应惧器的控制一、化学作反应器的壤基本控制往方案１、质仿量指标今的控制１）直拖接质量众指标控项制方案区。在化学反拣应器控制粉方案设计件中，控制芹指标的选恢择是一个惭关键，一侄般来说，楚在可能的倘条件下，湾应该首选煤反映化学政反应过程拒直接指标克的转化率锻或产品的杠组分作为艳被控变量增。典型生产闪单元的控岸制方案第四节糠化学雕反应器覆的控制图3-4-森1变换炉出汤口一氧化励碳含量控茂制方案典型生产夹单元的控宝制方案第四节略化学反应午器的控制2）间接质照量指标控睬制方案。用直接质屿量指标进盈行控制当寺然是最好惠的，然而线有时往往坦很难找到津反应灵敏筐、分析可扣靠而及时顿的分析器道。因此，窝在大多数岭情况下都挨是选用反烤应温度作液为间接的缘瑞控制指标而。因为控慢制住了反扮应温度，痕不但控制织住了反应术速度，而半且还能保豆持反应的诞热平衡。自如在聚合漏反应中，仙反应温度占可以代表牢聚合度；爆在氧化反网应中应温模度代表了样氧化的深区度；在转罗化反应中岂，反应温书度代表了过转化率。蚊控制住了篮反应温度尘也就控制勇住了化学兰反应，不水仅可实现臣热平衡，开而且还可贪以避免催贩化剂在高政温下老化休和烧坏的丽问题发生揪。因此，放反应温度誓－般都被夹视为化学暴反应器最屡重要的控卧制变量。典型生汇产单元踏的控制骡方案第四节预化学反应观器的控制图3-4-新2单回路眨温度控砌制方案典型生她产单元肠的控制姑方案第四节析化学反应型器的控制图3-4-吧3反应温度太与载热体边流量串级果控制方案典型生帽产单元镰的控制挖方案第四节灰化学泳反应器随的控制图3-4-顺4