化工自动化及仪表 第二章

化工自动化及仪表第二章2.1自动控制系统的基本组成化工生产过程中的自动控制系统是实现生产过程稳定、安全、高效运行的关键技术手段。一个完整的自动控制系统通常由被控对象、检测元件、控制器和执行机构四个基本部分组成。被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或生产过程，如反应器、精馏塔、换热器等；检测元件用于实时测量被控参数的实际值，并将其转换为标准信号；控制器根据设定值与测量值的偏差，按照预定的控制规律计算出控制信号；执行机构则接收控制器的输出信号，调节操纵变量以影响被控参数。在化工自动化系统中，温度、压力、流量、液位、成分等是最常见的被控参数。这些参数的精确控制直接关系到产品质量、生产安全和能源消耗。例如，在聚合反应过程中，温度的微小偏差可能导致反应速率的显著变化，进而影响产品分子量分布；在精馏操作中，压力的波动会改变各组分的相对挥发度，影响分离效果。因此，合理设计自动控制系统对于化工生产具有重要意义。2.2控制系统的分类与特点根据控制系统的结构特点和工作原理，可将其分为多种类型。按控制方式划分，有开环控制系统和闭环控制系统；按给定信号的性质划分，有定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统；按系统参数的特性划分，有线性控制系统和非线性控制系统；按信号类型划分，有连续控制系统和离散控制系统。定值控制系统的任务是使被控参数保持在给定的恒定值上，适用于大多数化工生产过程的稳定控制。随动控制系统的设定值是随时间变化的，要求被控参数能够快速准确地跟踪设定值的变化。程序控制系统的设定值按照预定的时间程序变化，常用于批量生产过程的控制。2.3控制器的控制规律控制器是自动控制系统的核心部件，其控制规律的选择直接影响系统的控制品质。常用的控制规律包括位式控制、比例控制、积分控制、微分控制及其组合形式。位式控制是最简单的控制方式，当测量值大于设定值时控制器输出一个状态，小于设定值时输出另一个状态。这种控制方式结构简单，但控制精度较低，适用于允许被控参数在一定范围内波动的场合。比例控制（P控制）的输出信号与偏差信号成比例关系，即Δu=Kp·e，其中Kp为比例增益，e为偏差。比例控制能够及时响应偏差的变化，但存在稳态误差，即系统在达到新的稳态后，被控参数的实际值与设定值之间存在一定的偏差。比例增益Kp的选择需要权衡系统的响应速度和稳定性，Kp过大会导致系统振荡，过小则响应缓慢。积分控制（I控制）的输出信号与偏差信号的积分成比例关系，即Δu=Ki·∫edt。积分控制能够消除稳态误差，因为只要存在偏差，积分作用就会持续累积，直到偏差为零。然而，纯积分控制会导致系统响应缓慢，且容易产生积分饱和现象。在实际应用中，积分控制通常与比例控制结合使用，形成比例积分控制（PI控制）。微分控制（D控制）的输出信号与偏差信号的变化率成比例关系，即Δu=Kd·de/dt。微分控制具有预测偏差变化趋势的作用，能够提前调整控制作用，改善系统的动态性能，减小超调量和调节时间。但微分控制对噪声信号敏感，且在偏差恒定时不起作用。因此，微分控制通常与比例控制和积分控制结合使用，形成比例积分微分控制（PID控制）。PID控制器是目前工业控制中应用最广泛的控制器，其控制规律为Δu=Kp·e+Ki·∫edt+Kd·de/dt。PID控制器综合了比例、积分和微分三种控制作用的优点，能够同时满足系统对响应速度、稳态精度和稳定性的要求。在实际应用中，需要根据被控对象的特性合理整定PID参数，以获得最佳的控制效果。2.4执行机构与控制阀执行机构是自动控制系统的执行部件，接收来自控制器的控制信号，调节操纵变量以影响被控参数。在化工自动化系统中，控制阀是最常用的执行机构，通过改变阀门开度来调节管道中介质的流量。控制阀由执行机构和阀体两部分组成，执行机构提供驱动力，阀体实现流量调节功能。根据执行机构使用的能源不同，控制阀可分为气动控制阀、电动控制阀和液动控制阀。气动控制阀以压缩空气为动力，具有结构简单、动作可靠、维护方便等优点，在化工生产中应用最为广泛。电动控制阀以电能驱动，具有信号传输速度快、便于与计算机控制系统连接等特点。液动控制阀以高压液体为动力，适用于需要较大推力的场合。控制阀的流量特性是指阀门开度与流量之间的关系，常见的流量特性有线性特性、等百分比特性和快开特性。线性特性的流量变化与阀门开度变化成正比；等百分比特性的流量变化率与阀门开度成正比，在小开度时流量变化缓慢，大开度时流量变化迅速；快开特性在小开度时流量变化迅速，达到一定开度后流量基本不再变化。选择合适的流量特性对于控制系统的稳定性和控制品质至关重要。控制阀的口径选择需要考虑工艺条件、介质特性、流量范围等因素。口径过小会导致阀门全开时仍不能满足最大流量要求，口径过大则会使阀门经常工作在小开度区域，控制精度降低。通常根据工艺提供的最大流量、正常流量和最小流量，结合阀门的流量系数进行计算和选择。同时，还需要考虑介质的腐蚀性、温度、压力等因素，选择合适的阀体和阀内件材料。2.5检测元件与变送器压力检测元件主要包括弹性式压力计、应变式压力传感器和压电式压力传感器等。弹性式压力计利用弹性元件在压力作用下的变形来测量压力，结构简单可靠；应变式压力传感器通过测量应变片的电阻变化来反映压力变化，具有较高的测量精度；压电式压力传感器则利用压电材料的压电效应将压力转换为电信号，适用于动态压力测量。流量检测元件种类繁多，包括差压式流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等，需要根据介质特性、流量范围、精度要求等因素合理选择。变送器的作用是将检测元件输出的微弱信号转换为标准信号（通常是420mA直流电流信号或15V直流电压信号），以便于传输和处理。变送器通常具有信号放大、线性化、温度补偿等功能，能够提高测量精度和抗干扰能力。随着微电子技术的发展，智能变送器得到了广泛应用，它们不仅具有更高的精度和稳定性，还具备自诊断、远程组态、数字通信等功能，大大提高了系统的维护便利性和可靠性。2.6控制系统的性能指标与整定方法控制系统的性能通常通过稳定性、快速性和准确性三个方面的指标来评价。稳定性是控制系统正常工作的前提，要求系统在受到扰动后能够恢复到平衡状态，不产生持续的振荡。快速性反映了系统响应的速度，常用上升时间、峰值时间、调节时间等指标来衡量。准确性则体现了系统的控制精度，包括稳态误差、最大偏差、超调量等指标。这些性能指标之间往往存在相互制约的关系，需要在系统设计时进行权衡。随着计算机技术的发展，先进的控制策略如自适应控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制等在化工自动化中得到了越来越