热工过程自动控制简述n

1、热工参数自动控制简述刘玉长刘玉长第一节 过程控制系统的组成与分类一、过程控制系统自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(控制装置)，使机器、设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)按照预定的规律自动地运行。自动控制系统(Automatic Control Systems )：是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。 过程控制系统(Process Control Systems )：以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。 刘玉长刘玉长二、过程控制系统组成v对象对象：被控制的装置或设备

2、，其输出即为被控量；v检测元件及变送器检测元件及变送器：检测元件的功能是感受并测出被控量的大小，变送器的作用则是检测元件测出的被控量变换成控制器所需要的信号形式；v控制器控制器：它将检测元件或变送器送来的信号与被控变量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据这个偏差信号的大小按一定的运算规律计算控制信号u，然后将控制信号传送给执行器。 v执行器执行器：其作用是接受控制器发出的控制信号u，直接改变操纵量q(例如电流、重油、煤气等的量)，即调整能量或物料的平衡，使被控量回复至设定数值。 刘玉长刘玉长三、控制系统的工程表示自动控制系统有两种表示方法，即方框图与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵

3、循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号” 或其它行业标准】。(a)工艺控制流程图 (b)方框图锅炉汽包水位控制蒸汽蒸汽检测变送LT控制器LC控制阀V锅炉B期望值SV实际值给水给水LCLTVPVPVSVMV刘玉长刘玉长四、过程控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法，可以按被控量分类，例如温度控制系统、流量控制系统等；也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控制系统、比例积分控制系统等。为了便于分析自动控制系统的性质，可将控制系统按设定值形式的不同分为三类，即定值定值控制控制系统、系统、程序控制程序控制系统系统与随动控制随动控制系统系统 。刘玉长刘玉长第二

4、节 基本控制规律与控制器控制器是自动控制系统的核心，它接受变送器或转换器送来的标准信号，按预定的规律(称控制作用或控制规律)输出标准信号，推动执行器消除偏差，使被控参数保持在给定值附近或按预定规律变化，实现对生产过程的自动控制。控制器的输出信号y与输入偏差信号e(=PV-SP)之间随时间变化的规律y=f(e)叫做控制器的控制规律，也称之为控制器的特性。不同的控制规律适应不同的生产要求。要选用合适的控制规律，首先必须了解控制规律的特点与适用条件，根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。 刘玉长刘玉长为了得到比较满意的控制质量，常将比例、积分、微分三种控制结合起来，构成比例积分微

5、分(PID:Propotional-Integrate-Differential)三种作用控制器。理想PID控制作用特性方程如下：比例-积分-微分(PID)控制作用PD0Id ( )1 ( )( )d dte tyKe tTe tttT 实际PID控制特性(传递函数)如下：pDIDIID1(1)( )11KT sT sG sTsT K sKKI、KD分别为积分与微分常数。刘玉长刘玉长实际PID控制阶跃响应曲线 在输入阶跃信号后，微分作用和比例作用同时发生，PID控制器的输出Y突然发生大幅度的变化，产生一个较强的控制作用，这是比例基础上的微分控制作用，然后逐渐向比例作用下降；接着又随时间上升，这

6、是积分作用；直到偏差完全消失为止。 刘玉长刘玉长常用控制规律特点及适用场合PPIPDPID特点(1)速度快(2)有静差 (1)存在滞后，控制不及时(2)无静差 (1)超前控制，减小动态偏差 (2)有静差结合P、I、D的优点，同时兼顾动态与静态适用场合压力、流量、液位等的控制(要求低)流量、压力及高性能液位控制系统温度、液位控制等(对象存在大惯性)高性能控制系统与温度控制系统等刘玉长刘玉长六、PID控制算式 在模拟控制系统中，PID控制是被广泛采用的一种控制策略，在数字(计算机)控制系统中， PID控制仍被广泛应用。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值(数字量)计算控制量，因

7、此式中积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。刘玉长刘玉长第三节执行器一、概述执行器接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。执行器直接与介质接触，常常在恶劣的条件下(高温与低温，高压，强腐蚀，结晶，闪蒸等)工作，它是控制系统的薄弱环节。执行器选用不当，会导致控制品质的下降，调节失灵，甚至造成事故。刘玉长刘玉长(一)执行器(阀)的构成执行器由执行机构和控制机构两个部分构成【有时配备有阀门定位器、手操机构等辅助装置】。执行机构将控制信号转换为力F(或力矩M)和位移(l和q)，推动控制机构动作以改变被控介质的流量。(a)框图框图 (b)外形外形(气动气动)执行器

8、的构成执行器的构成执行机构控制机构p0I0F,l(M,q)介质流量(开度)刘玉长刘玉长(二)执行器的分类执行器用途广泛，种类繁多，分类方法也比较多。一般根据其使用的能源将执行器分为气动、电动、液动等三大类：(1)气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，它以压缩空气作为能源来操纵调节机构。其结构简单、动作平稳可靠、动作行程小，输出推力较大、易于维修、安全防爆系数高，而且价格低，但信号不适于远传。可以采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。(2)电动执行器信号传递迅速，其缺点是结构复杂、安全防爆性能差，故在化工、炼油中很少使用。(3)液动执行器可以产生很大的

9、推力，但是体积较大，不适合于在化工、炼油中使用。刘玉长刘玉长气动、电动执行机构特点气动执行机构气动执行机构电动执行机构电动执行机构可靠性可靠性高(简单、可靠)较低驱动能源驱动能源压缩空气(设气站) 电力，简单、方便输出力输出力大小刚度刚度大小防爆性能防爆性能好，本安型较差，防爆型产品环境温度环境温度-40+80-10+55价格价格低高刘玉长刘玉长功率控制加热与温度控制加热v功率控制加热是由温控器控制输入输出信号，由可控可控硅硅调节加热器的加热功率来控制加热系统的加热量。当加热系统的温度值远低于设定值时，则可控硅全功率输出，加热器处于全功率工作状态。当加热系统的温度接近设定值时，则可控硅的功率输

10、出量会越来越小。一旦温度达到设定值，可控硅的功率输出量即为零。通过功率控制加热，一方面比较节能，另一方面温度控制精度高。v温度控制加热一般由接触器控制加热器是否加热，其输出只有两个信号，敞开或闭合，即加热器只能全功率工作或0功率工作。刘玉长刘玉长第四节 如何确定控制方案控制系统的设计就是在了解工艺要求基础上，选择合适的控制方案、确定相应的控制装置，以使被控量按预期自动运行。设计时主要考虑以下几个环节： (1)被控量(输出)和操纵量(输入)的确定；(2)检测变送环节的考虑(信息的获取与变送)；(3)控制作用和控制阀的选择；(4)控制系统的工程整定和投运。刘玉长刘玉长一、 被控量的选择原则 作为被

11、控量，必须能够获得检测信号并有足够大的灵敏度，滞后要小。 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状，检测点的选取必须合适。被控量的被控量的选择方法选择方法(1)选直接参数。即能直接反映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数(如锅炉水位控制) 。(2)选间接参数。当选直接参数有困难时采用，间接指标与直接指标之间必须是一一对应的函数关系 (如锌精矿沸腾炉的炉温控制，炉温是反映焙砂质量的一个间接指标)。刘玉长刘玉长二、操纵量的选择操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素，应该遵循快速、有效地克服干扰的原则去选择操纵量。刘玉长刘玉长三、检测及变送环节的考虑 一、检测及变送环节任务、作用及

12、要求v任务 对被控量进行正确测量，并将其转换为标准信号。v要求 能正确、及时地反映被控量的状况，提供操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据。二、检测变送环节特性通常等效为带滞后的一阶惯性特性 【理想特性为比例环节】。三、选型注意事项应尽量减少其时间常数与滞后时间。刘玉长刘玉长控制阀选择内容(1)流量特性(实际上就是选线性还是对数特性，因为抛物线特性阀通常用的很少，而蝶阀当导通角为0-70o时近似为对数特性) ；(2)结构形式；(3)开闭形式； (4)口径计算。ZXP(ZJHP)型新系列型新系列气动薄膜直通单座阀气动薄膜直通单座阀 ZAZN型电动双座阀型电动双座阀 刘玉长刘玉长控制阀开闭(

13、作用)形式的选择控制阀的开(信号增大时阀开大)闭(信号压力增大阀关小)形式选择主要基于以下几点考虑：安全角度：出现意外，保证人员、设备安全；质量角度：出现意外事故，考虑产品质量；消耗角度：考虑原料、成品及动力等的因素；介质特点：特殊介质，考虑结晶、蒸发等因素；控制阀作用方式的选择要和控制器作用方式的选择匹配以满足控制通道作用方向的要求。气关阀 气开阀刘玉长刘玉长高炉过程控制实例刘玉长刘玉长刘玉长刘玉长高炉热风炉仪表控制v高炉料位检测和布料控制v助燃空气总管压力检测和控制v净煤气总管温度检测、压力检测和控制v热风炉燃烧控制热风炉燃烧控制v热风炉混风温度控制热风炉混风温度控制主要参数：主要参数：料位、料位、拱顶温度、废气温度、废气含氧量、拱顶温度、废气温度、废气含氧量、高炉煤气支管流量、高炉煤气支管压力、助燃空气总高炉煤气支管流量、高炉煤气支管压力、助燃空气总管温度、助燃空气总管压力、净煤气总管温度、净煤管温度、助燃空气总管压力、净煤气