化工仪表自动化第六章

1、1第第3篇篇 过程控制系统过程控制系统过程控制系统过程控制系统: 采用自动检测仪表、自动控制及执行装置、以采用自动检测仪表、自动控制及执行装置、以及计算机等自动化工具实现工业生产过程高效及计算机等自动化工具实现工业生产过程高效稳定生产的自动化操作系统。稳定生产的自动化操作系统。本篇主要内容：本篇主要内容： 第第6章章 简单控制系统简单控制系统 第第7章章 复杂控制系统复杂控制系统 第第8章章 先进控制系统先进控制系统2 第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统 简单简单控制系统控制系统( (单单回路回路反馈控制系统反馈控制系统) ) 由由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个测量变送器、

2、一个控制器、一个执行器和一个被控对象一个被控对象组成的组成的单回路闭环负反馈控制系统。单回路闭环负反馈控制系统。 1）单回路控制系统构成）单回路控制系统构成构成（四个环节）构成（四个环节）: 1：罐，：罐，被控对象被控对象 2：HT(TT)，测量变送单元测量变送单元 3：HC(TC)，控制单元控制单元 4：调节阀门，：调节阀门，执行单元执行单元单回路控制系统例单回路控制系统例单回路控制系统方框单回路控制系统方框图图信号变量：信号变量： 被控变量被控变量(Y)、测量变量、测量变量(z)、设定值、设定值(r)、偏差、偏差(e)、 控制变量控制变量(u)、操纵变量、操纵变量(q)、扰动变量、扰动变量

3、(f)5 简单（单回路）控制系统特点：简单（单回路）控制系统特点： 工程控制中简单（单回路）控制系统是按负反馈的工程控制中简单（单回路）控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行工作原理，根据偏差进行工作的。的。 结构简单、工作可靠；结构简单、工作可靠； 所需自动化工具少、投资成本低；所需自动化工具少、投资成本低； 便于操作和维护；便于操作和维护； 控制能力较弱；适用于控制精度要求不高、干扰平控制能力较弱；适用于控制精度要求不高、干扰平缓且幅值较小、不存在大滞后的系统操作控制。缓且幅值较小、不存在大滞后的系统操作控制。l 单回路控制系统是单回路控制系统是目前应用最多也是最为成熟的过目前应用最多也是

4、最为成熟的过程控制系统。程控制系统。 62）简单（单回路）控制系统设计）简单（单回路）控制系统设计 影响影响通道及参数：通道及参数： 对象特性通道：对象特性通道： 控制控制通道：控制作用通道：控制作用到被控变量间的信号连接关系到被控变量间的信号连接关系 干扰干扰通道：干扰到通道：干扰到被控变量间的信号连接关系被控变量间的信号连接关系 通道特性通道特性参数：参数： 静态放大倍数，静态放大倍数，Kp 时间常数，时间常数，T 滞后时间，滞后时间， 7由控制理论可知，闭环系统的输出与输入的关系式为：由控制理论可知，闭环系统的输出与输入的关系式为： ( )( )( )( )( )( )( )1( )(

5、)( )( )1( )( )( )( )fcvPcvPmcvPmGsG s G s GsY sR sF sG s G s Gs GsG s G s Gs Gs 其中：第一项为设定值变化对被控量的影响；其中：第一项为设定值变化对被控量的影响； 第二项为扰动对被控量的影响。第二项为扰动对被控量的影响。 输入输出特性输入输出特性8控制规律控制规律及作用方及作用方式式选择选择 控制系统设计控制系统设计中须解决的几个问题：中须解决的几个问题：操纵变操纵变量选择量选择被控变被控变量选择量选择测量变测量变送应用送应用问题问题执行器特执行器特性及开关性及开关形式选择形式选择9问题一：问题一： 被控变量的选择问

6、题被控变量的选择问题被控变量类型： 直接参数作为被控变量 间接参数作为被控变量10 选择直接参数作为被控变量选择直接参数作为被控变量 选能选能直接反映生产直接反映生产过程过程产量和质量的工艺参数产量和质量的工艺参数作为作为被控变量被控变量。 主要被控变量主要被控变量: :温度、液位、流量、压力等控制温度、液位、流量、压力等控制例如：例如： 选取直接变量参数作为被控变量无中间转换环节，可以直选取直接变量参数作为被控变量无中间转换环节，可以直接、快速、准确地获取被控变量参数的变化并实施控制。接、快速、准确地获取被控变量参数的变化并实施控制。11 选择间接参数作为被控变量选择间接参数作为被控变量 当

7、不能用直接参数作为被控变量时，当不能用直接参数作为被控变量时，选用间接参数作选用间接参数作为被控变量。为被控变量。 主要应用：成分控制、质量控制主要应用：成分控制、质量控制例：例：注意：注意： 当选用间接参数作为被控变量时，应当选用间接参数作为被控变量时，应选用与直接参数选用与直接参数具有单值关系，且具有足够灵敏度，易于快速、可靠测具有单值关系，且具有足够灵敏度，易于快速、可靠测量的间接参数作为间接被控变量。量的间接参数作为间接被控变量。12 被控变量被控变量选择原则：选择原则：1) 尽可能选用直接参数作为被控变量。尽可能选用直接参数作为被控变量。2) 选用与直接参数具有单值关系、具有足够灵敏

8、度，选用与直接参数具有单值关系、具有足够灵敏度，易于快速、可靠测量的间接参数作为被控变量。易于快速、可靠测量的间接参数作为被控变量。3) 所选用的被控变量应是独立变量。所选用的被控变量应是独立变量。 独立变量判断：独立变量判断： 自由度自由度 F = C P + 2 F：自由度，：自由度， C：组分数，：组分数， P：相数：相数 例：饱和蒸汽系统自由度：例：饱和蒸汽系统自由度： F = C P + 2 = 1 2 + 2 = 1 过热蒸汽系统自由度：过热蒸汽系统自由度： F = C P + 2 = 1 1 + 2 = 24) 应注意选用的被控变量与可能的操作变量之间的应注意选用的被控变量与可能

9、的操作变量之间的动、静态影响关系特性。动、静态影响关系特性。5) 要考虑工艺合理性以及控制仪表生产水平。要考虑工艺合理性以及控制仪表生产水平。13问题二：操纵变量的选择问题问题二：操纵变量的选择问题选择操纵变量的目的：选择操纵变量的目的：保证控制质量保证控制质量使控制过程快速、平稳使控制过程快速、平稳 注意：注意： 操纵变量的选择直接影响到控制通道特性；操纵变量的选择直接影响到控制通道特性； 操纵变量选择目的是通过它克服干扰对工操纵变量选择目的是通过它克服干扰对工艺操作的影响，因此，它的选择应考虑控艺操作的影响，因此，它的选择应考虑控制通道与干扰通道间的参数关系。制通道与干扰通道间的参数关系。

10、14选择操纵变量的原则：选择操纵变量的原则：1)选择的操纵变量必须是可控制的选择的操纵变量必须是可控制的2)2) 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。更加灵敏。控制通道放大倍数应大于干扰通道放大倍数控制通道放大倍数应大于干扰通道放大倍数控制通道时间常数应适当小一些，干扰通道控制通道时间常数应适当小一些，干扰通道时间常数应大一些时间常数应大一些控制通道纯滞后时间应尽可能小控制通道纯滞后时间应尽可能小3)应保证工艺的合理性，一般不选择生产负荷作应保证工艺的合理性，一般不选择生产负荷作为操纵变量为操纵变量15问题三：测量仪表选择、安装问题三：测量

11、仪表选择、安装关键问题：测量变送中的滞后问题（純滞后、容量滞后）关键问题：测量变送中的滞后问题（純滞后、容量滞后）造成测量滞后的主要原因：造成测量滞后的主要原因：1）测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏变化区；）测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏变化区； 2）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在理想的测量）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在理想的测量点；点； 3）测量仪表本身存在严重的纯滞后或较大的容量滞后（如成）测量仪表本身存在严重的纯滞后或较大的容量滞后（如成分、物性测量）；分、物性测量）； 4）测量信号的传输线路长造成的传递滞后；）测量信号的传输线路长造成的传递滞后；

12、 5）测量仪表的不灵敏也可能引起滞后问题。）测量仪表的不灵敏也可能引起滞后问题。16 克服测量变送问题的措施克服测量变送问题的措施1）选择快速测量元件）选择快速测量元件例：某化工厂有一反应器，例：某化工厂有一反应器，如图如图 6-8 所示。工艺要求反所示。工艺要求反应温度在给定值的应温度在给定值的3以以内，产品质量符合要求。内，产品质量符合要求。用时间常数用时间常数 100 秒传感器秒传感器测温，反应温度在测温，反应温度在2之之内，产品总不合格，说明实内，产品总不合格，说明实际温度波动已超出工艺范围。际温度波动已超出工艺范围。改用时间常数为改用时间常数为 5 秒热电偶测温，反应温度波动仍在秒热

13、电偶测温，反应温度波动仍在2之内，但产品质量符合要求。之内，但产品质量符合要求。172）选好检测点位置）选好检测点位置 检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有代表性的位置。代表性的位置。3）正确使用微分单元）正确使用微分单元 若测量滞后大，可串接微分单元。若测量滞后大，可串接微分单元。4 ）正确选择、安装和使用测量装置）正确选择、安装和使用测量装置正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小到正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小到最低限度，有利于提高控制精度和质量。最低限度，有利于提高控制精度和质量。18问题四：执行器选择问题四：执行器选择选择

14、内容：选择内容： 口径、流量特性、结构形式、开关形式口径、流量特性、结构形式、开关形式a.口径：正常工作阀开度口径：正常工作阀开度15%-85% 控制阀两端压力降应在整个管线压力降中占较控制阀两端压力降应在整个管线压力降中占较大比例。（可控范围的宽窄）大比例。（可控范围的宽窄）b.流量特性：流量特性： 线性、线性、 抛物线、抛物线、 等百分比、等百分比、 快开快开c.结构形式：结构形式： 单座直通、双座直通、角阀、蝶阀、单座直通、双座直通、角阀、蝶阀、 隔膜阀、高温、低温阀隔膜阀、高温、低温阀d. 开关形式：开关形式： 气开阀、气关阀气开阀、气关阀 20211） 阀流量特性的选择阀流量特性的选

15、择选择原则：选择原则： 保证生产过程及设备安全保证生产过程及设备安全 控制信号故障时阀门的动作方控制信号故障时阀门的动作方向能保证生产设备的安全。向能保证生产设备的安全。例例:右图系统控制信号被切断右图系统控制信号被切断 燃料阀门关闭可以保证锅炉不燃料阀门关闭可以保证锅炉不被烧塌被烧塌 ， 给水阀门打开可以保证锅炉的给水阀门打开可以保证锅炉的安全安全气关阀气开阀2）执行器开、闭形式的选择）执行器开、闭形式的选择 气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具体的制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具体的生产工艺来决定。

16、生产工艺来决定。保证产品质量保证产品质量 控制信号被切断时阀门的动作方向控制信号被切断时阀门的动作方向保证产品质量不受影响。保证产品质量不受影响。例如：例如： 塔顶产品全回流可以保证塔顶产品塔顶产品全回流可以保证塔顶产品的质量的质量气关阀气关阀保证介质的工作状态保证介质的工作状态 控制信号控制信号被切断时阀门的动作方向保证工作介质被切断时阀门的动作方向保证工作介质不发生相变不发生相变 例如：例如： 气关阀气关阀温度低将产生液体的结温度低将产生液体的结晶，因此，操作中蒸汽晶，因此，操作中蒸汽阀门不能关闭。阀门不能关闭。降低物料、能量损耗降低物料、能量损耗 符合工艺要求符合工艺要求 由于由于工艺要

17、求不同，同一个执工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的选择结果。行器可以有两种不同的选择结果。例如图示锅炉操作系统给水阀例如图示锅炉操作系统给水阀a.a.从锅炉安全考虑，防止因断水导从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧毁，应选择气关式阀门。致锅炉烧毁，应选择气关式阀门。b.b.若考虑锅炉后续透平设备的安全，若考虑锅炉后续透平设备的安全，防止蒸汽带液，应选气开式阀门。防止蒸汽带液，应选气开式阀门。例如图示装车转运环节：例如图示装车转运环节：控制信号切断时停止物料的排控制信号切断时停止物料的排出。选用气开式阀门。出。选用气开式阀门。气开阀气开阀注意：注意： 按照上述原则选择开闭形式可能会得出相

18、互矛盾的结果。按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。气开气开/气气关？关？25问题五：控制器选择问题五：控制器选择选择内容：选择内容：控制规律选择控制规律选择作用形式选择作用形式选择261） 控制规律的选择控制规律的选择 比例控制规律比例控制规律(P) 具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。u： 控制器输出控制器输出变化量变化量， e： 控制器输入控制器输入变化量变化量, Kc：比例：比例放大系数。放大系数。比例控制适用范围：比例控制适用范围： 低阶过程，低阶过程，调节

19、通道滞后较小、负荷变化不大，控调节通道滞后较小、负荷变化不大，控制要求不高，制要求不高，允许存在余差等不太重要的参数控制。允许存在余差等不太重要的参数控制。（如液位控制，热量回收预热（如液位控制，热量回收预热系统、作为辅助操作系统、作为辅助操作变量的流量系统等变量的流量系统等）cuK e27 比例积分控制规律比例积分控制规律(PI) 1()CiueedtKT控制特点：控制特点：消除余差，对高噪声有一定克服能力；消除余差，对高噪声有一定克服能力；积分作用的引入将降低系统的稳定性。积分作用的引入将降低系统的稳定性。比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控

20、制规律。适用范围适用范围 通道滞后较小、负荷变化不大、通道滞后较小、负荷变化不大、控制精度要求较高，控制精度要求较高，对余差控制较严的场合。对余差控制较严的场合。 一般适用于流量、一般适用于流量、压力、温度系统压力、温度系统控制控制28 比例微分控制比例微分控制控制特点：控制特点： 对惯性较大的控制对象具有对惯性较大的控制对象具有“超前超前”调节作用调节作用TD的影响：的影响：微分时间调整适当，可以使过渡过程缩短，增加微分时间调整适当，可以使过渡过程缩短，增加系统的稳定性，减少系统的动态误差。系统的稳定性，减少系统的动态误差。微分时间过大，系统会变得非常敏感，将导致控微分时间过大，系统会变得非

21、常敏感，将导致控制质量变差，甚至会导致系统不稳定。制质量变差，甚至会导致系统不稳定。0( )( )( )CDde tu tKe tTudt应用场合：应用场合： 含有较大容量滞后，不允许动态偏差大的场合含有较大容量滞后，不允许动态偏差大的场合 如：温度控制、大容量液位控制如：温度控制、大容量液位控制29 比例积分微分控制规律（比例积分微分控制规律（PID）1()dCideueedtTdtKT 控制能力最强的控制规律。控制能力最强的控制规律。适用范围适用范围 被控对象容量滞后较大、负荷变化大、对控制质被控对象容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高量要求较高且希望动态偏差较小的重要控制且希望动

22、态偏差较小的重要控制场合。场合。2） 控制器作用方式选择控制器作用方式选择 a.控制器作用方式控制器作用方式 正作用：偏差信号（正作用：偏差信号（e=测量测量 - 给定）增大时，控制给定）增大时，控制器输出信号随之增大。器输出信号随之增大。 反作用：偏差信号（反作用：偏差信号（e=测量测量 - 给定）增大时，控制给定）增大时，控制器输出信号随之减小。器输出信号随之减小。b.选择原则选择原则 通过控制器作用方式的选择使控制回路构成负通过控制器作用方式的选择使控制回路构成负反馈控制。反馈控制。c.选择方法选择方法 选择依据公式：选择依据公式：（控制器（控制器）（执行器（执行器）（对象特性（对象特性

23、）（测量变送（测量变送）=（）（） 对象作用方式：对象作用方式： 正作用：操纵变量（正作用：操纵变量（q）值增加时被控变量值随着增加）值增加时被控变量值随着增加 反作用：操纵变量（反作用：操纵变量（q）值增加时被控变量值随着减小）值增加时被控变量值随着减小 执行器作用方式执行器作用方式 正作用：控制信号增大时阀门流通面积增大（气开阀）正作用：控制信号增大时阀门流通面积增大（气开阀） 反作用：控制信号增大时阀门流通面积减小（气关阀）反作用：控制信号增大时阀门流通面积减小（气关阀） 测量变送单元的作用方式一般为正作用测量变送单元的作用方式一般为正作用 例：换热过程温度控制器作用方式选择例：换热过程

24、温度控制器作用方式选择阀门作用方式：阀门作用方式：介质易结晶，控制阀选择气关介质易结晶，控制阀选择气关式控制阀，式控制阀，符号为符号为“-” 被控对象作用方式：被控对象作用方式： 操纵变量（蒸汽流量）增加则操纵变量（蒸汽流量）增加则出口温度升高。作用方式为出口温度升高。作用方式为正，正，符号为符号为“+” 测量变送单元：测量变送单元： 默认作用方式，默认作用方式，符号为符号为“+” 根据：根据： 有有 （？）（？）=（+） 控制器作用方式：正作用控制器作用方式：正作用 控控制制器器控控制制阀阀被被控控对对象象测测量量变变送送控控制制回回路路（？）（- -）（+ +）（+ +）（- -）正作用正

25、作用33a.a.执行器执行器为保证加热炉的安全，选用气开式为保证加热炉的安全，选用气开式，符号，符号为为“+”。b.b.对象对象出口温度随燃料的增加而升高，符号为出口温度随燃料的增加而升高，符号为“+”。c.c.变送器变送器输出信号随温度的升高增加，符号为输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。 为了为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“”，所以应该选择反作用控制器。所以应该选择反作用控制器。例例2：图示控制系统：图示控制系统请问：请问：a. 从加热炉安全考虑，防止从加热炉安全考虑，防止炉内管线烧裂，选择气开，炉内管线烧裂，选择气开，气关阀？气关

26、阀？b. 欲构成负反馈控制，选择欲构成负反馈控制，选择控制器正反作用形式。控制器正反作用形式。34执行器执行器从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧干，应从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧干，应选择选择气关式气关式，符号为符号为“-”。对象对象 当当流入量增加，液位是增加的，符号取为流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。 变送器变送器 输出信号输出信号随液位的升高增加，符号为随液位的升高增加，符号为“+”。控制器控制器 必须必须选择正作用选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统，才能构成负反馈控制系统。 练习题练习题1 1：1，从锅炉安全考虑，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅防止因断水导致

27、锅炉烧干，选择气开，炉烧干，选择气开，气关阀？气关阀？2，选择，选择控制器作用控制器作用形式，形式，构成负反馈。构成负反馈。35闭环负反馈系统分析：闭环负反馈系统分析：例例1：画如图控制系统的：画如图控制系统的方方块图。块图。分析分析：当被加热的物：当被加热的物料量突然增加，控制料量突然增加，控制系统如何克服扰动。系统如何克服扰动。+物料量突然物料量突然物料温度物料温度温度变送器输出信号温度变送器输出信号偏差信号偏差信号控制器输出信号控制器输出信号气开阀开度气开阀开度燃料燃料气流量气流量物料温度物料温度分析：分析：方框图：方框图：363）PID控制器参数整定控制器参数整定方法分类：方法分类：1

28、.1. 理论计算整定法理论计算整定法 基于基于被控对象的数学模型计算控制器参数，理论被控对象的数学模型计算控制器参数，理论 复杂，计算繁冗，所得结果的可靠性依赖于模型复杂，计算繁冗，所得结果的可靠性依赖于模型 精度。精度。2. 2. 工程整定法工程整定法 直接直接在控制回路的实际运行中对控制器参数进行在控制回路的实际运行中对控制器参数进行 整定，具有简捷、实用和易于掌握的特点。工程整定，具有简捷、实用和易于掌握的特点。工程整定方法在实际中得到了广泛的应用。整定方法在实际中得到了广泛的应用。37工程整定法工程整定法1：临界比例度法：临界比例度法 (1) 将积分时间将积分时间Ti置到最大值（置到最

29、大值（Ti），），微分时间微分时间TD置置为零（为零（TD=0 ），），比例度比例度置于适当大的值，使系统在纯置于适当大的值，使系统在纯比例作用下投入运行。比例作用下投入运行。(2)系统稳定后，调整比例系统稳定后，调整比例度度，直到出现图，直到出现图6-14所示所示的等幅振荡，即临界振荡的等幅振荡，即临界振荡过程。过程。记录此时的临界比例度记录此时的临界比例度k和临界振荡周期和临界振荡周期Tk（即两即两个波峰间的时间间隔）。个波峰间的时间间隔）。38( 3)根据得到的根据得到的k和和Tk值，采用表值，采用表6-2 中给出的经验公中给出的经验公 式计算出控制器的整定参数式计算出控制器的整定参数、

30、Ti和和TD。39工程整定法工程整定法2：衰减曲线法：衰减曲线法 （1）置积分时间）置积分时间Ti = ，微分微分时间时间Td=0 ，比例度比例度取一较大取一较大值，并将系统投入运行。值，并将系统投入运行。（2）待系统稳定后，给定值）待系统稳定后，给定值作阶跃变化，并观察系统的响作阶跃变化，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则应。若系统响应衰减太快，则减小比例度；反之，则加大比减小比例度；反之，则加大比例度。如此反复，直到出现如例度。如此反复，直到出现如图所示的图所示的4:1（或事先设定的（或事先设定的衰减比）衰减衰减比）衰减振荡过程振荡过程。记录记录此时比例度此时比例度s和振荡周期和振荡周期s。40（3）利用