第11章 化工仪表简单控制系统

1、： 测量变送环节测量变送环节 控制器控制器 执行器执行器 被控对象被控对象被控变量被控变量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节干扰干扰偏差偏差设定值设定值选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述控制器控制器(LC或或TC)执行器执行器 （控制阀）（控制阀）被控对象被控对象（液位储槽或换热器（液位储槽或换热器）测量、变送环节测量、变送环节（LT或或TT）被控变量被控变量（液位或温度）（液位或温度）干扰干扰偏差偏差设定值设定值广义对象广义对象简单控制系统方

2、块图简单控制系统方块图载热体载热体冷流体冷流体换热器换热器温度控制系统温度控制系统液位控制系统液位控制系统使生产过程自动按照预定的目标进行，并使使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）定规律变化）“关键关键”变量：对产品的产量、质量以及生变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量产过程的安全具有决定作用的变量两种控制类型：两种控制类型：直接指标控制直接指标控制和和间接指标控制间接指标控制当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时，可选取与直接质量

3、指标有单值对应后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标。关系而反应又快的变量做为间接控制指标。选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述精馏过程示意图精馏过程示意图冷却水冷却水TDp进料进料 Q入入，X入入，T入入回流回流F塔底产品塔底产品塔顶产品塔顶产品QZ蒸汽蒸汽TH苯二甲苯的苯二甲苯的T-x图图TDXD%苯二甲苯的苯二甲苯的P-x图图PMPaXD%塔顶易挥发组分纯度塔顶易挥发组分纯度X XD D、塔顶温度、塔顶温度T TD D、塔顶压力、塔

4、顶压力P P三者之三者之间的关系为：间的关系为： X XD D= f (T= f (TD D，P)P)，两个独立变量。，两个独立变量。 要有代表性要有代表性。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。 应该独立可控应该独立可控。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合控变量有关联（耦合) )关系。关系。 滞后要小滞后要小。采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得。采用直接指标

5、作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。单值对应关系的间接指标作为被控变量。 灵敏度要高灵敏度要高。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。 成本要低成本要低。选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品。选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。现状。 Q入入T入入X入入QZFTH被控变量被控变量TD影响塔顶温度的各种输入示意图影响塔顶温度的各种输入示意图被控对象被

6、控对象原则上，原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量变量影响显著影响显著而且而且可控性良好可控性良好的输入作为的输入作为控制变量控制变量后，后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量干扰变量。 选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述 精馏过程示意图精馏过程示意图冷却水冷却水TDp进料进料 Q入入，X入入，T入入回 流回 流F塔底产品塔底产品塔顶产品塔顶产品QZ蒸汽蒸汽TH进料流量进料

7、流量Q Q入入不可控不可控进料成分进料成分X X入入 不可控不可控进料温度进料温度T T入入 不可控不可控回流流量回流流量F F 可控可控 回流温度回流温度T TH H 不可控不可控加热蒸汽流量加热蒸汽流量Q QZ Z 可控可控 冷凝器冷却温度冷凝器冷却温度 不可控不可控塔压塔压P P不可控不可控控制通道控制通道干扰通道干扰通道干扰变量干扰变量控制变量控制变量被控变量被控变量干扰作用与控制作用之间的关系干扰作用与控制作用之间的关系 被控对象被控对象控制质量控制质量 系统的过渡过程形式系统的过渡过程形式超调量、衰减比、超调量、衰减比、 余差、过渡时间、振荡周期余差、过渡时间、振荡周期对象特性对象

8、特性 系统的输入输出关系系统的输入输出关系 分为对象静态性质和对象动态性质分为对象静态性质和对象动态性质 考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操 纵变量纵变量放大系数放大系数 绝对放大系数绝对放大系数 Y Y X X Y/(YY/(YMAXMAX-Y-YMINMIN) ) X/(XX/(XMAXMAX-X-XMINMIN) ) 相对放大系数相对放大系数 控制通道的稳态特性由控制通道放大系数控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K K0 0表征表征从从控制有效性控制有效性考虑，考虑，K K0 0应适当的大一些应适当的大一些 干扰通道的稳态特性由干扰通道放大

9、系数干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数K Kf f表征表征希望希望K Kf f小一些，小一些，K Kf f越小干扰变量对被控变量的影响就越小越小干扰变量对被控变量的影响就越小 操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。控变量作为操纵变量。 控制通道时间常数控制通道时间常数 T T0 0控制通道滞后时间控制通道滞后时间0 0 T T0 0小一点好，不能过大，小一点好，不能过大，否则会使控制变量的校正作否则会使控制变量的校正作用

10、迟缓，超调量增大，过渡时间增长用迟缓，超调量增大，过渡时间增长 在选择操纵变量构成控制回路时，应尽量避免控制在选择操纵变量构成控制回路时，应尽量避免控制通道纯滞后通道纯滞后0 0的存在，无法避免时应使之尽可能小。的存在，无法避免时应使之尽可能小。 干扰通道时间常数干扰通道时间常数 T Tf fT Tf f越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量于改善控制质量 干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f f的影响的影响无纯滞后无纯滞后有纯滞后有纯滞后干扰通道滞后时间干扰通道滞后时间f f 干扰通道的纯滞后干扰通道的纯滞后f f不会影不会影响控制质

11、量响控制质量 操纵变量应是操纵变量应是可控可控的，即工艺上允许调节的变量。的，即工艺上允许调节的变量。 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏灵敏。为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小当大、时间常数适当小( (但不宜过小，否则易引起振荡但不宜过小，否则易引起振荡) )、纯、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。应使干扰通道的放大系数尽

12、可能小、时间常数尽可能大。 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般说来不宜选择生产负虑工艺的合理性与生产的经济性。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。不宜经常波动的。 薄板冷却器薄板冷却器热物料冷物料TTFTLC液氨液氨PT气氨气氨液氨储罐氨直冷式薄板冷却系统示意图氨直冷式薄板冷却系统示意图被控变量被控变量：物料出口温度：物料出口温度 待选的操纵变量：待选的操纵变量： 热物料温度热物料温度 热物料的

13、流量热物料的流量液氨的流量液氨的流量气氨的回气压力气氨的回气压力 热物料流量热物料流量F F对冷物料出口温度对冷物料出口温度T T的放大系数为：的放大系数为： 11000k0.3温度变化的百分数流量变化的百分数12-030-10 50-0气氨回气压力气氨回气压力P P对冷却器物料出口温度对冷却器物料出口温度T T的放大系数为：的放大系数为： 21000k1.6温度变化的百分数压力变化的百分数12-0275-245 400-0乳化物干燥系统示意图乳化物干燥系统示意图乳化物乳化物高位槽高位槽过滤器过滤器12WWW3蒸蒸汽汽空空气气产产品品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)工艺要求工艺

14、要求 在在保证产品含水率合格的前提下，保证产品含水率合格的前提下， 保证最大产量保证最大产量。 被控变量被控变量 产品含水率产品含水率 干燥温度干燥温度T T1 1 影响被控变量的主要输入变量影响被控变量的主要输入变量 乳化物流量乳化物流量f fw w 旁路空气流量旁路空气流量f fQ Q 加热蒸汽压力流量加热蒸汽压力流量f fp p 1100S+11100S+1e-3Se-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)fPT1fQfW乳化物干燥系统被控对象对象方块图乳化物干燥系统被控对象对象方块图乳化物乳化物高位槽高位槽过滤器过滤器12WWW3蒸蒸汽汽空空气气产产品品GW(S)GQ(S

15、)GP(S)T1T2GF(S)乳化物干燥系统示意图乳化物干燥系统示意图=1GW(S)(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)e-2S=1GQ(S)(100S+1)=1GP(S)(100S+1)(100S+1)GF(S) = e-3SFw-T1FQ-T2FP-T2T2-T1传递函数传递函数 方案方案1：乳化物流量为控制变量：乳化物流量为控制变量fWP1100S+11100S+1e-3SfQe-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)T控制器控制器TC偏偏差差设定值设定值干干扰扰 方案方案2：旁路空气流量：旁路空气流量fQ为控制变量为控制变量设定值设定值P1100S+1e-3S

16、 100S+1fQe-2S(8.5S+1)3T控制器控制器TC偏差偏差fW干扰干扰 方案方案3：蒸汽流量：蒸汽流量fp为控制变量为控制变量e-2S(8.5S+1)31100S+1e-3S 100S+1fQT控制器控制器TC偏差偏差设定值设定值fWP 乳化物乳化物高位槽高位槽过滤器过滤器12WWW3蒸蒸汽汽空空气气产产品品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述 位式控制位式控制 适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容适用

17、于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。控变量波动范围较宽的场合。 比例控制比例控制 优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。 缺点：在过渡过程终了时存在余差缺点：在过渡过程终了时存在余差 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。变量存在余差的场合。 比例微分控制比例微分控制 优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较

18、大滞后的优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善担制质量。场合下，将会有效地改善担制质量。 缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。生事故。 比例积分微分控制比例积分微分控制 比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。 比例积分控制比例积分控制 优点：系统在过渡过程结束时无余差优点：系统在过渡过程结束时无余差 缺点：系统的超调量、振

19、荡周期都会相应增大，过渡时间缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。也会相应增加。 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。控变量存在余差的场合。 保证整个控制系统形成负反馈。保证整个控制系统形成负反馈。 在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反

20、馈，应对控制器的正反作用进行调整。控制器的正反作用进行调整。 所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用正作用”方方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节为为“反作用反作用”方向。方向。何谓何谓“正正”、“反反”作用？作用？控制器正控制器正 反作用选择的基本原则反作用选择的基本原则控制器正控制器正 反作用选择的步骤反作用选择的步骤1 1、判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定、判断被控对象的正

21、反作用方向，由工艺机理确定 ；2 2、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全；安全； 3 3、确定广义对象的正反作用方向，一般、确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正测量变送环节为正作用方向作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；对象的正反作用方向；4 4、确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则、确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，

22、则控制器应选择为反作用，反之亦然。控制器应选择为反作用，反之亦然。被控变量被控变量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节干扰干扰偏差偏差设定值设定值广义对象广义对象燃料气TC加热炉出口温度控制加热炉出口温度控制控制器正控制器正 反作用选择的实例反作用选择的实例液位控制液位控制选择被控变量选择被控变量选择操纵变量选择操纵变量处理测量信号处理测量信号选择调节阀选择调节阀选择控制规律选择控制规律系统投运系统投运参数整定参数整定概述概述（1 1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线

23、的正确性，及管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故障时能及时确定故障原因；故障时能及时确定故障原因；（2 2）根据经验或估算比例度）根据经验或估算比例度 、积分时间、积分时间T TI I和微分时间和微分时间T TD D的数值，或将控制器放在纯比例作用，比例度放在较大位的数值，或将控制器放在纯比例作用，比例度放在较大位置；置；（3 3）确认控制阀的气开、气关作用；确认控制器的正、反）确认控制阀的气开、气关作用；确认控制器的正、反作用；作用；（4 4）手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状）手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为

24、闭环控制。态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。 初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定比例度满足要求，需要进一步整定比例度 、积分时间、积分时间T TI I和微分和微分时间时间T TD D三个参数。三个参数。 就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度器参数值。即确定最合适的控制器比例度、积分时间、积分时间T TI I和微分时间和微分时间T TD D，使控制质量能满足工艺生产的要求。，使控制质量能满足工艺生产的

25、要求。 对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈4:14:1至至10:110:1的衰减振荡过程。的衰减振荡过程。 什么是什么是“参数整定参数整定”？yt4:1yt10:1参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法） 1、临界比例度法、临界比例度法 先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这地逐渐改变控制器的比例

26、度，直至系统产生等幅振荡，这时的比例度称为时的比例度称为临界比例度临界比例度K K，周期称为，周期称为临界振荡周期临界振荡周期TkTk。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。Tkttfy临界振荡过程临界振荡过程临界比例度法参数计算公式临界比例度法参数计算公式控制作用控制作用比例度比例度%积分时间积分时间(min)微分时间微分时间(min)比例比例2K 比例积分比例积分2.2K 0.85Tk 比例微分比例微分1.8K 0.85Tk 比例积分微分比例积分微分1.7K 0.5Tk 0.125Tk 注意：注意： 当不存在临界比例度、临界比例

27、度过小、不允许等幅振当不存在临界比例度、临界比例度过小、不允许等幅振荡时，该方法不适用。荡时，该方法不适用。2、衰减曲线法、衰减曲线法 将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现4 4：1 1衰减比为止，衰减比为止，这时的比例度称为这时的比例度称为衰减比例度衰减比例度S S ，周期称为，周期称为衰减周期衰减周期TsTs。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。控制作用控制作用比例度比例度%积分时间积分时间(mi

28、n)微分时间微分时间(min)比例比例S 比例积分比例积分1.2S 0.5Ts 比例积分微分比例积分微分0.8S 0.3Ts 0.1Ts 4:1衰减法参数计算公式表衰减法参数计算公式表 fytTst4:1控制作用控制作用比例度比例度%积分时间积分时间(min)微分时间微分时间(min)比例比例S 比例积分比例积分1.2S 2T升升 比例积分微分比例积分微分0.8S 1.2T升升 0.4 T升升 10:1衰减法参数计算公式表衰减法参数计算公式表 ytT升升ft10:1采用衰减曲线法必须注意以下几点：采用衰减曲线法必须注意以下几点：(1) (1) 加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的5 5左右左右; ;(2) (2) 必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的到正确的S S、TsTs、T T升升。(3) (3) 对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到位控制等，要在记录曲线上严格得到4 4：1 1衰减曲线比较困难衰减曲线比