化工仪表第七章简单控制系统

1、第七章 简单控制系统 第一节 简单控制系统的结构与组成组成组成：被控对象+自动化装置简单（简单（单回路单回路）控制系统）控制系统蒸汽汽包给水省煤器锅炉汽包水位控制系统 LT LC 被控对象被控对象：锅炉汽包被控变量被控变量：汽包液位操纵变量操纵变量：进水流量主要干扰主要干扰：蒸汽量的变化 控制过程分析控制过程分析(1)(1)平衡状态：平衡状态： 当给水量和蒸汽量均不变的情况下，控制系统处于平衡状态，并将保持这个状态，直到有新的干扰产生。(2)(2)干扰分析：干扰分析：阀前压力进水流量液位蒸汽需要量液位第一节 简单控制系统的结构与组成 简单控制系统的组成： 控制流程图中，测量变送环节可省略不画

2、第一节 简单控制系统的结构与组成LTLC液位控制系统液位控制系统温度控制系统温度控制系统TCTT载热体换热器冷流体 第一节 简单控制系统的结构与组成 不同控制系统 同方块图 简单反馈控制系统反馈回路 特点：结构简单，投资低、操作维护方便，应用广泛（占85%） 本章：基本原则, y/q选择, PID选择及参数整定控制器偏差给定值执行器pq对 象干扰被控变量测量变送装置测量值简单控制系统的方块图简单控制系统的方块图 第二节 简单控制系统的设计 被控变量被控变量：生产中保持恒定恒定或按一定规律变化按一定规律变化的变量 重要性重要性：关系到稳定操作、提高产量、质量、保证安全，关系到控制方案的成败。 在

3、过程工业装置中，为实现预期的工艺目标往往有许多个工艺变量或参数可以被选择作为被控变量，也只有在这种情况下，被控变量的选择才是重要的问题。在多个变量中选择被控变在多个变量中选择被控变量量应深入研究，找出“关键变量关键变量”作为被控变量 第二节 被控变量的选择 关键变量关键变量：对产品的产量、质量以及安全具有决决定性定性的作用，而人工操作又难以满足难以满足要求，或人工操作虽可满足要求，但紧张、频繁的变量紧张、频繁的变量。 控制型式控制型式：直接直接指标控制与间接间接指标控制 直接指标控制直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标（P、T、F、L、成分等） 间接指标控制间接指标控制：工艺按照质

4、量指标质量指标操作时，缺乏缺乏检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，选取与直接质量指标有单值对应关系、反应快的另一变量另一变量（ P、T ）作为间接控制指标 第二节 被控变量的选择 精馏过程工作原理精馏过程工作原理： 利用被分离物各组分的挥发度不同，把混合物中的各组分进行分离。 若塔顶（或塔底）馏出物xD（或xW）被控被控变量变量 若检测困难或滞后太大，需间接指标控制 二元系统，气液两相并存：xDTDp 第二节 被控变量的选择 压力压力p恒定恒定时，组分xD和温度TD存在单值对应关系： xD TD xD TD 温度/苯 的 百 分 含 量/%0 20 40 6080 100708090

5、100110120苯甲苯溶液的Tx图0.050.0750.100.125压力/MPa苯 的 百 分 含 量/%0 20 40 60 80 1000.025苯甲苯溶液的px图温度温度TD 恒定恒定时，组分xD和压力p存在单值对应关系： xD p xD p 第二节 被控变量的选择 温度温度被控变量被控变量 原因原因：工艺合理性工艺合理性 第一、精馏塔操作中，压力需固定。 塔压固定塔压固定保证塔的分离纯度、效率和经济性 塔压波动塔压波动 破坏汽液平衡、影响相对挥发度、处于不良工况； 塔压变化塔压变化物料量的变化、负荷波动 第二、塔压固定塔压固定，各层塔板上的压力基本不变温度组分单值对应关系。 固定压

6、力，温度被控变量合理。 xD变化时，TD应有足够的灵敏度灵敏度，易被感受。 第二节 被控变量的选择 被控变量具独立性独立性 精馏操作中，塔顶、塔底温度控制系统 塔底温度塔底温度上升蒸汽温度塔顶温度 塔顶温度塔顶温度回流液温度 塔底温度 塔底温度和塔顶温度互相干扰塔底温度和塔顶温度互相干扰 简单控制系统只能保证一端的产品质量 若要同时保证，需复杂控制系统 第二节 被控变量的选择 被控变量选择原则：被控变量选择原则： （1）能代表一定的工艺操作指标、状态关关键变量键变量 （2）经常受到干扰影响变化，需频繁调节需频繁调节 （3）选直接指标直接指标；无法获得或滞后较大间接指标（有单值对应关系） （4）

7、应能测出，有足够大的灵敏度灵敏度 （5）考虑工艺合理性工艺合理性和国内仪表产品现状 （6）应独立可控独立可控二、操纵变量的选择 一、操纵变量一、操纵变量 定义：定义：自动控制系统中，把用来克服干扰克服干扰对被控变量的影响，实现控制实现控制作用的变量称为操纵变量操纵变量。 操纵变量介质的流量、转速、电压LTLC液位控制系统液位控制系统温度控制系统温度控制系统蒸 汽出 料进 料T C凝 液 第三节 操纵变量的选择 影响被控变量的因素影响被控变量的因素： 可控、不可控 选择原则选择原则： 在影响被控变量的诸因素中，选择一个一个对被控变量影响显著影响显著而且可控性良好可控性良好的输入，作为操纵变量操纵

8、变量，其他未选中的所有输入量系统干扰系统干扰 精馏设备，灵敏板温度灵敏板温度被控变量塔底产品的成分 第三节 操纵变量的选择 影响提馏段灵敏板温度影响提馏段灵敏板温度T灵灵的因素主要有的因素主要有 可控可控：回流量、蒸汽流量 不可控不可控：其他 其中Q入入、塔压塔压可调但不允许： Q入波动生产负荷；塔压工况、Tx蒸汽流量蒸汽流量对提馏段温度影响更及时、更显著耗能更少。被控变量T灵Q入T入x入Q蒸Q回影响提馏段温度的影响提馏段温度的各种因素示意图各种因素示意图蒸汽流量蒸汽流量操纵变量操纵变量 操纵变量的选择 二、对象特性对选择操二、对象特性对选择操纵变量的影响纵变量的影响 干扰变量干扰变量：由干扰

9、通道干扰通道施加在对象上，起破坏作用，使被控变量偏离给定值； 操纵变量操纵变量：由控制通道控制通道施加在对象上，使被控变量回复到给定值，起校正作用。 考虑对象特性考虑对象特性操纵变量干扰被控变量干扰通道控制通道干扰通道与控制干扰通道与控制通道的关系通道的关系 操纵变量的选择 1、对象静态特性的影响、对象静态特性的影响 选择操纵变量操纵变量q时，控制通道控制通道的放大系数Ko要要大大 Ko大小表征了q对被控变量y的影响程度。 Ko越大，控制作用对y影响越显著影响越显著，使控制更有控制更有效。从效。从控制的有效性越高考虑， Ko越大越好； 但是Ko过大过大，过于灵敏，使控制系统不稳定。 干扰通道干

10、扰通道的放大系数Kf要小，要小， Kf越小越好越小越好。Kf小，小，干扰对y影响不大，过渡过程的超调量不大超调量不大 从静态特性静态特性考虑，选择放大系数大放大系数大的可控变量作为操纵变量操纵变量。 操纵变量的选择 2、对象动态特性的影响对象动态特性的影响 （1）控制通道时间常数的影响）控制通道时间常数的影响 控制作用控制通道对象；控制通道时间常数To不能过大，使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。 对象控制通道对象控制通道To小小反应灵敏、控制及时反应灵敏、控制及时 精馏塔中提馏段T：回流量通道长T大 加热蒸汽量通道短T小 （2）控制通道纯滞后）控制通道纯滞后0的影响的影响 控制通

11、道的物料输送、能量传递都需一定时间纯滞后0 操纵变量的选择 C干扰作用，A、B校正作用，D、E同时作用 正偏差信号：对象控制通道无纯滞后 D；有纯滞后 E；纯滞后使超调量增加。 负偏差信号：有纯滞后 被控变量继续下降振荡加剧、时间长、不稳定 选择操纵变量时应使对象控制控制通道的纯滞后通道的纯滞后0尽量小尽量小ytt0ABCED纯滞后纯滞后0对于控制对于控制质量的影响质量的影响0 第三节 操纵变量的选择 （3）干扰通道时间常数的影响）干扰通道时间常数的影响 干扰通道的时间常数时间常数Tf越大越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制越有利于控制。 （4）干扰通道纯滞后）干扰通道纯滞后f的影响

12、的影响 干扰通道有纯滞后f，干扰对被控变量的影响推迟时间f ，控制作用也推迟时间f ，只要控制通只要控制通道无纯滞后，不影响控制质量。道无纯滞后，不影响控制质量。 操纵变量的选择 三、操纵变量的选择原则三、操纵变量的选择原则 在选定被控变量后，要确定操纵变量。实际上，两者放在一起综合考虑。操纵变量的选取应遵循操纵变量的选取应遵循下列原则：下列原则：（1）须可控，工艺上允许调节的变量；（2）应比其它干扰对被控变量影响更灵敏对被控变量影响更灵敏。 控制通道的放大系数控制通道的放大系数o o要尽量大一些，时间常要尽量大一些，时间常数数o o适当小些，纯滞后时间尽量小。适当小些，纯滞后时间尽量小。使干

13、扰通使干扰通道的放大系数尽可能地小，时间常数尽可能地大道的放大系数尽可能地小，时间常数尽可能地大（3）工艺上的合理性和经济性。不宜选择代表生产负荷的变量作操纵变量，以免产量受到波动； 应尽量降低物料和能量消耗。三、测量元件特性的影响 被控变量选择好之后，被控变量如何测量仍然有诸多因素需要考虑，以便更灵敏更快速更及时和更经济地测得被控变量。 测量、变送环节控制的依据失调、误调 一、测量元件的时间常数一、测量元件的时间常数 测量元件（T）时间常数测量滞后 测量元件特性的影响 时间常数大失真信号控制质量 解决：快速测量元件、加微分作用 测量元件的时间常数测量元件的时间常数Tm对象时间常数的对象时间常

14、数的1/10时，影响不大时，影响不大。 影响因素： 测量元件安装问题、维护 F、T：安装不正确精度失真控制质量 维护、检查（恶劣条件） ：热电偶表面结晶或结焦 Tm控制质量 测量元件特性的影响 二、测量元件的纯滞后二、测量元件的纯滞后 测量纯滞后(控制通道)严重控制质量 原因：安装位置 被控变量中和槽出口溶液的pH值 纯滞后 引入微分作用无用22110vlvl 测量元件特性的影响 三、信号的传送滞后三、信号的传送滞后 测量测量信号传送滞后+控制控制信号传送滞后 定义： 测量测量信号传送滞后：由现场变送器信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。气动信号 控制控制信号传送滞后：控制室内控制器的输出信

15、号传送到现场执行器所引起的滞后。气动薄膜控制阀容量滞后 信号传送滞后信号传送滞后与对象控制通道的滞后对象控制通道的滞后影响相同解决：气压管路300m，直径6mm；阀门定位器、气动继动器增大功率；电信号传递 四、控制器控制规律的选择 一、控制器控制规律的确定 在控制系统投运前，仪表选型确定以后： 对象的特性固定；测量元件及变送器的特性一般也不可改变；执行器+阀门定位器可有一定程度的调整，但灵活性不大； 简单控制系统组成：广义对象+控制器 主要可改变参数的是控制器。系统设置控制器改变整个系统的动态特性，以达控制的目的。控制器偏差给定值广义对象干扰被控变量测量值简单控制系统简化方块图 控制器控制规律

16、的选择 控制器主要控制规律：位式、P、PI、PD、 PID 选择原因：广义对象特性和工艺要求 1、位式控制 常见的位式控制有双位。双位控制输出p与输入偏差e之间的关系为：P=PmaxPmi ne0e0P=PmaxPmi ne0e0或适用场合：一般适用于滞后较小，负荷变化不大也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内波动的场合，如恒温箱、电阻炉等的温度控制。 控制器控制规律的选择2、比例控制 它是最基本的控制规律。比例控制器的输出p与输入偏差e之间的关系为： 可调参数Kp或 单元组合仪表=1/Kp100%特点：当负荷变化时，克服干扰能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但过程终了时存在

17、余差，且负荷变化越大余差也越大。适用场合：控制通道滞后较小、时间常数不太大、干扰幅度较小，负荷变化不大、控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。eKpp 控制器控制规律的选择3、比例积分控制 PI控制器的输出p与输入偏差e之间的关系为： 可调参数：Kp或、TI特点： 引入积分作用能消除余差，故PI控制是使用最多、应用最广的控制规律。 但是，加入积分作用后要保持系统原有的稳定性，必须（削弱比例作用），使控制质量有所下降，如最大偏差A和振荡周期相应增大，过渡时间加长。)1(edtTeKpIp 控制器控制规律的选择适用场合：对于控制通道滞后小，负荷

18、变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量F或压力P、液位L的控制。4、比例微分控制 比例微分控制器的输出p与输入偏差e之间的关系为： 可调参数：Kp或、TD dtdeTeKpDp 控制器控制规律的选择特点： 引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用场合： 比例微分控制适用于对象容量滞后较大的场合。对于滞后很小和干扰作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。 控制器控制规律的选择5、比例积分微分控制比例积分微分控制的输出p与输入偏差e之间的关系为： 可调参数：Kp或、TI、TD 特点：微分作用微分作用对于克服容量滞后克服容量

19、滞后有显著效果，对克服纯滞后是无能为力的。在P的基础上加上D能提高系统的稳定性，加上I作用能消除余差，又有、TI 、TD三个可调参数可获得较高的控制质量适用场合：容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。dtdeTedtTeKpDIp1选择控制规律的原则可归纳为以下几点： (1)当广义对象控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好效果，积分作用可以消除余差，因此，可选用PID或PD控制规律，如温度过程，此时若选用PI控制规律则因积分作用有滞后，控制质量差。(2)当广义对象控制通道存在纯滞后时，若用微分作用来改善控制质量是无效的。即，微

20、分作用对克服纯滞后无能为力 控制器控制规律的选择 二、控制器正、反作用的确定 自动控制系统是被控变量负反馈的闭环系统：控制作用干扰作用影响相反 控制器正反作用 能否正常运行与安全操作 被控对象、测量元件及变送器、执行器、控制器都有各自的作用方向，组合结果如果为正反馈，破坏生产，故应构成负反馈的闭环系统。 作用方向：输入变化后，输出的变化方向。 正作用：某环节的输入增加时，输出也增加；反作用：某环节的输入增加时，输出减少。 控制器控制规律的选择 测量元件及变送器作用方向：正作用 整个控制系统还需考虑控制器、执行器、被控对象各个环节的作用方向，组合后为负反馈。 控制器控制规律的选择控 制 器给 定

21、 值执 行 器对 象q测 量 元 件 变 送 器干 扰 作 用fpexzy被 控 变 量操 纵变 量控 制 器输 出偏 差测 量 值 执行器作用方向取决于气开阀、气关阀 当控制器输出信号增加时，气开阀的开度增加，流过阀的流体流量也增加气开阀为正作用； 相反，气关阀接收的信号增加，流过阀的流体流量减少，气关阀为反作用； 气开气关工艺安全角度确定 控制器控制规律的选择控 制 器给 定 值执 行 器对 象q测 量 元 件 变 送 器干 扰 作 用fpexzy被 控 变 量操 纵变 量控 制 器输 出偏 差测 量 值 被控对象的作用方向： 操纵变量，被控变量的对象正作用操纵变量，被控变量的对象反作用 控制器控制规律的选择控 制 器给 定 值执 行 器对 象q测 量 元 件 变 送 器干 扰 作 用fpexzy被 控 变 量操 纵