化工自动化及仪表-7简单控制系统ppt课件

1、 7 简单控制系统的设计、投运 及调理器参数的工程整定 本章先简要引见过程控制系统的设计方法及主要内容，然后引见简单控制系统的设计原那么、系统投运的过程、调理器参数的工程整定方法。. 简单控制系统又称单回路反响控制系统。由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成，对一个被控变量进展控制的单回路反响闭环控制系统。 简单控制系统是实现消费过程自动化的根本单元，其构造简单、投资少、易于调整和投运，能满足普通工业消费过程的控制要求。尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场所。.7.1 过程控制系统设计的主要内容7.1.1过程分析过程控制系

2、统包括被控过程和控制仪表两部分。被控过程是由工艺要求决议的，因此，要进展过程特性分析，明确： 被控变量支配变量主要扰动 . 7.1.2 过程控制系统设计的主要内容 A 控制方案的设计 控制方案包括带控制点的工艺流程图、设计阐明书等。 带控制点的工艺流程图是用自控字母和图形符号在工艺流程图上描画消费过程控制系统的图纸文件。它反映出被控变量、丈量点的位置、控制手段的实现方法，以及各个控制系统相互之间的关系。图纸上自控字母和图形符号都要符合一定的设计规范。 初步设计阐明书包括设计指点思想、工艺流程和环境特征、自动化程度和控制方案确实定、平安技术措施等内容。.B 工程设计 它包括仪表选型、控制室(和仪

3、表盘设计)、仪表供电气系统设计、信号及联锁维护系统设计等。 工程设计要提交自控设备汇总表、电气设备资料表，以及仪表、电气设备接线图等详细资料。C 工程安装和仪表调校 仪表和电气安装的安装、信号线路的衔接必需正确，这是保证控制系统正常运转的前提。系统安装完成后，还必需对每台仪表进展单独校验，对每个控制回路进展联动校验。D 调理器参数工程整定 必需将调理器参数整定适宜，保证系统运转在最正确形状。. 7.2 简单控制系统的设计 7.2.1 被控变量的选择 经过对过程分析，找出对产品产量、质量以及平安消费和节能等方面具有决议性作用，而且是直接可丈量或经过间接计算可得到的变量作为被控变量。 选择原那么：

4、 (1) 必需选择表征消费过程的质量目的作为被控变量 按质量目的进展直接控制并不多见。普通是采用温度、压力等作为间接目的。间接目的与质量目的之间必需具有单值对应关系和足够大小的丈量信号。 例如，在精馏过程中，要求产品到达规定的纯度。实际上讲，塔顶馏出物或塔底残液的浓度应该选作为被控变量。但由于缺乏直接丈量产品浓度的工具，而且滞后时间较大，因此，常用塔顶、塔底或塔中某点的温度替代浓度作为被控变量。. (2) 必需确定表征消费过程的独立变量数目 根据物理化学中的相律关系进展断定。例如，确定饱和蒸汽的温度和压力能否都是独立变量，可由下式求得： F=C-P+2 式中，F为独立变量数目，C为组分数，P为

5、相数。 饱和蒸汽：实践上存在着气、液两相，从而： F1-2十21 上式阐明，只需选取蒸汽温度或蒸汽压力就可以了。普通以选取蒸汽压力为宜，由于压力丈量元件的时间常数小。 假设不遵照这个原那么，设计出既有温度又有压力作为被控变量的控制方案，那么这种控制系统将是无法投运的。. 过热蒸汽：由于蒸汽在过热形状下只存在一个气相，那么： F=C组分数-P相数+2=1-1十22 在这种情况下，把压力和温度都选作为被控变量那么是完全必要的。.(3)必需留意控制系统之间的相互关联问题 当一个过程具有两个以上的独立变量，且又分别组成控制系统，那么容易产生系统间的相互关联。如，流体保送中的流量与压力控制系统，它们之间

6、就存在着较严重的相互关联。假设因扰动导致压力p1升高，PC将控制阀A开大，加大回流量q1，与此同时，由于p1升高，在阀B开度不变的情况下，将使q2增大，为此FC将使阀B关小。但是q2的减小，进一步加剧了p1的上升。这种关联会使控制系统无法运转。.7.2.2 支配变量的选择 扰动作用和控制造用都施加于被控过程，它们对被控变量的影响都与过程特性有着亲密的关系。因此，在选择支配变量时，要仔细分析过程特性。 A 放大系数K0的影响 在选择支配变量时，普通是希望控制通道的放大系统数K0要大一些。由于K0大，表示支配变量对被控变量的影响大，控制造用灵敏，抑制扰动才干强；同时，K0大，过渡过程的余差也小，控

7、制精度可得到提高。但是K0过大，控制造用过于灵敏，易使调理过头，引起振荡。因此，在工艺条件允许的情况下应选择控制通道放大系数K0较大的作为支配变量。. B 时间常数T0的影响 控制通道时间常数T0越大，反响速度越慢，被控变量变化越缓和，过渡过程较稳定；但控制造用不及时，过渡过程的最大偏向加大，过渡时间加长，使控制质量变差。相反，时间常数T0较小时，反映灵敏，调理及时，过渡时间短。但当T0太小时，容易引起调理作用过于频繁而呵斥调理过程振荡，稳定性变差。因此，在T0太大或太小的情况下，都比较难以控制，控制系统普通希望控制通道的时间常数T0大小适当。.C 纯滞后0的影响 控制通道纯滞后的存在，使控制

8、造用落后于被控变量的变化，容易引起超调和振荡，使被控变量的最大偏向增大，过渡时间拉长，控制质量变差。D 扰动通道 扰动通道的放大系数越小，表示在同样阶跃扰动作用下，扰动被大大减弱，对被控变量的影响越小；扰动通道的时间常数越大，相当于对扰动起到了一个滤波作用，那么控制系统的质量目的越好。纯滞后对于扰动通道，相当于使扰动隔一段时间o后再进入被控过程，结果只是使调理过程推迟一段时间o后再开场，而不影响调理过程的质量。. 讨论：假设控制系统的被控过程由三个独立的单容量环节GP1、GP2、GP3串联组成，扰动分别从三个不同的位置进入系统。显然从扰动Fl到被控变量C通道的时间常数个数最多，因此对扰动Fl的

9、滤波效果最好，即对被控变量的影响最小，F2次之，而F3的影响最大。 结论：扰动离被控变量越近，离调理阀越远，那么对被控变量的影响越大。.综上所述，设计控制系统时，支配变量选择的原那么是： (1) 支配变量应是控制通道放大系数K0较大者。 (2) 应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适当小一些。 (3) 控制通道纯滞后时间越小越好，并尽量使扰动远离被控变量而接近调理阀。 (4) 当广义过程的控制通道由几个一阶滞后环节组成时，要防止各个时间常数相等或相接近的情况。 (5) 需思索到工艺上的合理和方便。由于消费负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，不要选择消费负荷作为支配变量。.

10、7.2.3 检测变送环节对控制系统的影响 检测变送环节在控制系统中起获取和传送信息的作用。 检测变送环节对控制系统的影响主要集中在检测元件的滞后和信号传送的滞后问题上。因此，分析研讨检测元件本身的特性、安装位置、信息传送等问题，也是提高系统控制质量的重要方面。.7.2.3.1 纯滞后 图示的pH控制系统，由于丈量电极不能放置在流速较大的主管道，只能安装在流速较小的支管道上，这样就使丈量引入纯滞后时间o，其大小为：o =l1/V1+l2/V2 由于检测元件的安装位置所引入的纯滞后，有时是不可防止的，但必需尽能够地减小。因此必需合理地选择检测元件的安装位置。当检测元件的纯滞后太大、采用简单控制系统

11、无法满足工艺要求时，应思索采用复杂控制等方案。. 7.2.3.2 丈量滞后容量滞后 丈量滞后，是指由检测元件时间常数所引起的动态误差，它是由检测元件本身的特性所决议的。例如，测温元件丈量温度时，由于存在着热阻和热容，其本身具有一定的时间常数Tm，丈量滞后可经过正确选择检测元件的安装位置、选择快速检测元件、正确运用微分环节等途径来抑制丈量滞后。.7.2.3.3 传送滞后气动信号 传送滞后是指气压信号在管路传送过程中所呵斥的滞后。 在实行集中控制的大、中型工厂中，由于检测变送器和调理阀安装在现场设备上，而调理器安装在控制室，两者之间有一定的间隔。假设采用气动仪表，就会产生气压信号的传送滞后。 由于

12、存在传送滞后，调理器不能及时地接受丈量信号，也不能将输出信号及时送到调理阀，因此支配变量的校正作用也相应延迟，从而降低了控制系统的控制质量。所以，应尽量选用电信号进展传送。.7.2.4 调理器控制规律及作用方向的选择7.2.4.1 控制规律的选择原那么 1当广义过程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。 2当广义过程控制通道的时间常数小，系统负荷变化也较小时，为了消除余差，可以采用PI控制规律，如流量过程。 3当广义过程控制通道的时间常数小，而负荷变化很大时，采用微分作用和积分作用都易引起振

13、荡。可采用反微分作用。 4当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求。 . 7.2.4.2 调理器作用方向的选择 调理器作用方向，是指调理器的输入变化后，输出的变化方向有正作用和反作用两种方式。所谓正作用是指调理器的输出随着丈量值增大而增大；所谓反作用是指调理器的输出随着丈量值增大而减小。 调理器作用方向确定的原那么应根据被控过程的特性及调理器的气开、气关方式来正确选择，以使控制系统成为一个反响的闭环系统。假设调理器正反作用方向确定错了，那么控制系统将失去控制造用。.7.2.5 气动薄膜调理阀的选择7.2.5.1 调理阀构造类型的选择 根据调理介质的工

14、艺条件(温度、压力、流量等)及其特性(粘度、腐蚀性、毒性等) 来选用。阀结构形式特点及使用场合直通单座阀适用于要求泄漏量小、阀前后压差小的场合直通双座阀有两个阀芯，适用于阀前后压差大，有较大泄漏量的场合角阀适于高压差、高粘度、含悬浮颗粒物质场合隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合蝶阀适于有悬浮物介质、大流量、压差小、允许大泄漏量场合三通阀适用于分流或合流控制的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合.7.2.5.2 调理阀气开、气关方式的选择选择原那么： (1) 从消费平安出发，当气源供气中断，或控制器缺点而无输出，或调理阀膜片破裂而漏气等导致调理阀无法正常任务以致阀芯回复到无能源的初始形状时，应确保消费

15、工艺设备的平安。 (2) 从保证产质量量出发，当发生调理阀处于无能源形状而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。如精馏塔回流量调理阀也应采用气关阀，一旦发惹事故，调理阀全开，使消费处于全回流形状，防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。 (3) 从降低原料、废品、动力损耗来思索。如控制精馏塔进料的调理阀就常采用气开式，一旦调理阀失去能源即处于封锁形状，不再给塔进料，以免呵斥浪费。. 7.2.5.3 调理阀流量特性的选择 阀的任务特性应根据过程特性来选择，其目的是使广义过程特性为线性。 通常，根据工艺配管情况确定配管系数Spv/p 值后，可以从所选的任务特性出发，确定理想特性。当S0.61

16、时，理想特性与任务恃性几乎一样；当S0.30.6时，无论是线性或对数任务特性，都应选对数的理想特性；当S0.3时，普通不适宜控制。.7.3 简单控制系统的投运 控制系统的投运是指当系统设计、安装终了，或者经过停车检修之后，使控制系统投入运用的过程。7.3.1 投运前的预备 系统的投运预备任务应有工艺人员、自控人员以及施工人员共同协作完成，普通要求做到下面几点。 (1) 熟习整个过程 ：了解主要工艺流程及主要设备的功能、工艺介质性质及各工艺变量间的关系；熟习控制方案，明确控制目的；对检测元件、变送器、调理阀等的安装位置和管线走向等都要心中有数；熟习各种自动化安装的原理、构造及其调校技术，掌握调理

17、器手动/自动切换操作的要求和方法；全面检查电源、气源、管路和线路等的衔接能否正确、气压管线能否堵塞或漏气等，保证整个系统的每一个组成环节都处于完好形状。.(2) 现场校验：安装终了投运之前，必需对检测元件、变送器、调理器、显示仪表和调理阀等进展现场校验。校验仪表的零点、任务点、满刻度，校验记录调理仪的指示值和控制点偏向等等。(3) 检查调理器的内外设定、正反作用方向及调理阀的气开、气关方式： 调理器的内外设定位置、正反作用方向和调理阀的气开、气关方式是关系到控制系统能否正常运转和平安操作的重要问题，投运前必需仔细检查。.7.3.2 投运过程 A 检测系统投入运转 根据工业消费过程的实践情况，将

18、温度、压力、流量、液位等检测系统投入运转，察看丈量指示能否正确等。B 现场人工操作 控制系统中的调理阀在安装时，普通应设置旁路阀。在调理阀的前、后各装有一截止阀1和截止阀2，旁路管线上装有旁路阀3。在自动控制系统投入运转时，先进展现场人工操作，即先将阀1和阀2封锁，用人工操作旁路阀3，待工况稳定后，转入控制室内手动遥控。也可以直接手动遥控。C 手动遥控 在控制室内经过调理器的手动操作旋钮，对调理阀门的开度进展人工遥控。普通在自动控制系统投运以前的调试阶段，在消费过程不稳定或负荷大幅度变化等情况下，都需求对系统进展手动遥控，以便掌握消费情况和操作条件的变化。D 自动控制 待手动遥控使工况稳定、被

19、控变量接近或等于设定值并稳定一段时间后，即可将系统由手动遥控无扰动切换到自动控制。.7.4 调理器参数的工程整定 设置和调整PID参数以使调理过程到达称心的质量，称为参数整定。 整定方法有：实际整定法和工程整定法。 实际整定法有反响曲线法、根轨迹法等，要求知过程的数学模型。计算任务量大，需忽略某些要素作一些近似简化，因此得不到完全符合实践过程的动态特性。因此在工程上采用不多。. 工程整定法有：阅历法、临界比例度法、衰减曲线法。 工程整定的普通原那么是： (1) 系统要具有一定的稳定裕度。对于定值控制系统，常取衰减比为4 : 1；对于随动控制系统，常取衰减比为10 : 1。 (2) 在满足稳定裕

20、度的前提下，统筹兼顾，重点保证主要控制目的。.7.4.1 阅历法 先将调理器参数预先设置在常见范围(见表)的数值上，然后施加一定的人为扰动，察看控制系统的过渡过程，反复凑试，直至获得称心的控制质量为止。变量(%)TI(min)TD(min)温度20603100.53流量401000.11压力30700.43液位2080A 先比例，后积分微分 详细方法如下： (1) 在控制系统中，将控制器的 TI 置最大，TD 置零， 取表中的阅历数据，改动设定值，察看记录曲线，假设过渡时间过长，应减小比例度；假设振荡过于猛烈，那么应加大比例度，使系统到达4 : 1衰减振荡过程为止。2参与积分作用，将已凑试好的

21、比例度加大1020，再将积分时间 TI 由大到小进展凑试，假设曲线回复时间很长，应减小TI ；假设曲线振荡较大，那么应增大 TI ，直到系统到达4 : 1衰减振荡的过渡过程为止。3假设需参与微分作用， 取比纯比例时更小些，TI 也相应减小些，普通先取TD (1/31/4)TI，将微分时间TD由小到大凑试，假设曲线衰减慢，增大TD ；假设曲线振荡厉害，那么减小TD ，直到控制质量到达工艺要求为止。.B 先积分微分，后比例 凑试程序是先选定某TI ，TI 取表中所列范围的某一数值，TD取(1/21/4) TI，然后对比例度 进展凑试。假设过渡过程依然不够理想，那么对TD 和TI 再作适当调整。实践

22、上，对许多过程来说，要到达相近的控制质量，、TI 和TD 不同数值的组合很多，因此这种凑试程序是真实可行的。 讨论： (1) 在一些特殊的情况下，参数的整定值能够会较大幅度地超越表中所列的范围。例如，某些时间常数很小的流量过程，比例度需取200以上，系统才干稳定；时间常数大的温度过程，TI 需大到15min甚至更长；对贮气柜等容量很大的压力过程， 需小到5；而在控制某些管道压力时， 需大到100以上。. (2) 凡是过大，或TI 过大，都会使被控变量变化缓慢，不能使系统很快地到达稳定形状。 (3) 凡是 过小，或TI 过小，或TD 过大，都会使系统振荡猛烈，甚至等幅振荡。 过大，曲线飘动较大，

23、变化不规那么TI 过大，曲线虽带有振荡分量，但逐渐接近设定值TI 过小，系统的振荡周期较长TD 过大，振荡周期较短过小，振荡周期中等(4) 等幅振荡的出现，不一定是由于参数整定不当所引起的。例如，阀门定位器、调理器或变送器调校不良，调理阀的传动部分存在间隙，往复泵保送液体时的脉冲等，都表现为被控变量的等幅振荡。当系统内存在正弦干扰时，也将使被控变量产生等幅振荡。我们必需根据详细情况进展分析，作出正确判别。. 阅历法的本质是“看曲线、作分析、调参数、寻最正确，方法简单可靠，对外界扰动比较频繁的系统，尤为适宜，因此在消费上得到较为广泛的运用。.7.4.2 衰减曲线法 衰减曲线法是在纯比例作用根底上找出到达规定衰减比的比例度数值，然后用半阅历公式求取P、I、D参数，也称为半阅历法。 (1)在闭合运转的控制系统中，将调理器的 TI 置最大、TD 置零，比例度放在较大数值上，待系统稳定。 (2)改动设定值或消费 负荷，加以幅度适宜的阶 跃扰动，察看、记录过渡 过程曲线的衰减比。 (3)从大到小调比例度， 直至出现4 : 1衰减为止。 记下此时的比例度s ， 并从过渡过程曲线上求出 衰减振荡周期了Tp 。. (4) 根据s 、Tp ，按表1中的数据整定调理器参数。 (5) 将调理器的比例度放在比整定值稍大的数值上，TI 、TD 分别置于整定值上，察