化工自动化及仪表-7简单控制系统

7简单控制系统的设计、投运及调节器参数的工程整定

本章先简要介绍过程控制系统的设计方法及主要内容，然后介绍简单控制系统的设计原则、系统投运的过程、调节器参数的工程整定方法。简单控制制系统又又称单回回路反馈馈控制系系统。由由一个被控控过程、、一个检检测变送送器、一一个控制制器和一一个执行行器所组成，，对一个个被控变变量进行行控制的的单回路路反馈闭闭环控制制系统。。简单控制制系统是是实现生生产过程程自动化化的基本本单元，，其结构构简单、、投资少少、易于于调整和和投运，，能满足足一般工工业生产产过程的的控制要要求。尤尤其适用用于被控控过程的的纯滞后后和惯性性小、负负荷和扰扰动变化化比较平平缓，或或者控制制质量要要求不太太高的场场合。7.1过程控制制系统设设计的主主要内容容7.1..1过程分析析过程控制制系统包包括被控过程程和控制仪表表两部分。。被控过程程是由工工艺要求求决定的的，因此此，要进进行过程程特性分分析，明明确：被控变量量操纵变量量主要扰动动7.1..2过程控制制系统设设计的主主要内容容A控制方案案的设计计控制方案案包括带带控制点点的工艺艺流程图图、设计计说明书书等。带控制点点的工艺艺流程图图是用自控控字母和和图形符符号在工工艺流程程图上描描述生产产过程控控制系统统的图纸纸文件。。它反映映出被控控变量、、测量点点的位置置、控制制手段的的实现方方法，以以及各个个控制系系统相互互之间的的关系。。图纸上上自控字字母和图图形符号号都要符符合一定定的设计计规范。。初步设计计说明书书包括设设计指导导思想、、工艺流流程和环环境特征征、自动动化水平平和控制制方案的的确定、、安全技技术措施施等内容容。B工程设计计它包括仪仪表选型型、控制制室(和仪表盘盘设计)、仪表供供电气系系统设计计、信号号及联锁锁保护系系统设计计等。工工程程设计要要提交自自控设备备汇总表表、电气气设备材材料表，，以及仪仪表、电电气设备备接线图图等详细细资料。。C工程安装装和仪表表调校仪表和电电气装置置的安装装、信号号线路的的连接必必须正确确，这是是保证控控制系统统正常运运行的前前提。系系统安装装完成后后，还必必须对每每台仪表表进行单单独校验验，对每每个控制制回路进进行联动动校验。。D调节器参参数工程程整定必须将调调节器参参数整定定合适，，保证系系统运行行在最佳佳状态。。7.2简单控制制系统的的设计7.2..1被控变量量的选择择通过对过过程分析析，找出出对产品品产量、、质量以以及安全全生产和和节能等等方面具具有决定定性作用用，而且且是直接接可测量量或通过过间接计计算可得得到的变变量作为为被控变变量。选择原则则：(1)必须选择择表征生生产过程程的质量量指标作作为被控控变量按质量指指标进行行直接控控制并不不多见。。一般是是采用温温度、压压力等作作为间接接指标。。间接指指标与质质量指标标之间必必须具有有单值对对应关系系和足够够大小的的测量信信号。例如，在在精馏过过程中，，要求产产品达到到规定的的纯度。。理论上上讲，塔塔顶馏出出物或塔塔底残液液的浓度度应该选选作为被被控变量量。但由由于缺乏乏直接测测量产品品浓度的的工具，，而且滞滞后时间间较大，，因此，，常用塔塔顶、塔塔底或塔塔中某点点的温度度代替浓浓度作为为被控变变量。(2)必须确定定表征生生产过程程的独立立变量数数目根据物理理化学中中的相律律关系进进行判定定。例如如，确定定饱和蒸蒸汽的温温度和压压力是否否都是独独立变量量，可由由下式求求得：F=C--P+2式中，F为独立变变量数目目，C为组分数数，P为相数。。饱和蒸汽汽：实际上上存在着着气、液液两相，，从而：：F＝1-2十2＝1上式表明明，只要要选取蒸蒸汽温度度或蒸汽汽压力就就可以了了。一般般以选取取蒸汽压压力为宜宜，因为为压力测测量元件件的时间间常数小小。如果不遵遵循这个个原则，，设计出出既有温温度又有有压力作作为被控控变量的的控制方方案，则则这种控控制系统统将是无无法投运运的。过热蒸汽汽：由于蒸蒸汽在过过热状态态下只存存在一个个气相，，则：F=C（组分数数）-P（相数））+2=1-1十2＝2在这种情情况下，，把压力力和温度度都选作作为被控控变量则则是完全全必要的的。(3)必须注意意控制系系统之间间的相互互关联问问题当一个过过程具有有两个以以上的独独立变量量，且又又分别组组成控制制系统，，则容易易产生系系统间的的相互关关联。如如，流体体输送中中的流量量与压力力控制系系统，它它们之间间就存在在着较严严重的相相互关联联。若因因扰动导导致压力力p1升高，PC将控制阀阀A开大，加加大回流流量q1，与此同时时，由于p1升高，在在阀B开度不变变的情况况下，将将使q2增大，为为此FC将使阀B关小。但但是q2的减小，，进一步步加剧了了p1的上升。。这种关关联会使使控制系系统无法法运行。。7.2..2操纵变量量的选择择扰动作用用和控制制作用都都施加于于被控过过程，它它们对被被控变量量的影响响都与过过程特性性有着密密切的关关系。因因此，在在选择操操纵变量量时，要要认真分分析过程程特性。。A放大系数数K0的影响在选择操操纵变量量时，一一般是希希望控制制通道的的放大系系统数K0要大一些些。因为为K0大，表示示操纵变变量对被被控变量量的影响响大，控控制作用用灵敏，，抑制扰扰动能力力强；同同时，K0大，过渡渡过程的的余差也也小，控控制精度度可得到到提高。。但是K0过大，控控制作用用过于灵灵敏，易易使调节节过头，，引起振振荡。因因此，在在工艺条条件允许许的情况况下应选选择控制制通道放放大系数数K0较大的作作为操纵纵变量。。B时间常数数T0的影响控制通道道时间常常数T0越大，反反应速度度越慢，，被控变变量变化化越缓和和，过渡渡过程较较稳定；；但控制制作用不不及时，，过渡过过程的最最大偏差差加大，，过渡时时间加长长，使控控制质量量变差。。相反，，时间常常数T0较小时，，反映灵灵敏，调调节及时时，过渡渡时间短短。但当当T0太小时，，容易引引起调节节作用过过于频繁繁而造成成调节过过程振荡荡，稳定定性变差差。因此此，在T0太大或太太小的情情况下，，都比较较难以控控制，控控制系统统一般希希望控制制通道的的时间常常数T0大小适当当。C纯滞后τ0的影响控制通道道纯滞后后的存在在，使控控制作用用落后于于被控变变量的变变化，容容易引起起超调和和振荡，，使被控控变量的的最大偏偏差增大大，过渡渡时间拉拉长，控控制质量量变差。。D扰动通道道扰动通道道的放大系数数越小，表表示在同同样阶跃跃扰动Δƒ作用下，，扰动被被大大削削弱，对对被控变变量的影影响越小小；扰动动通道的的时间常数数越大，相相当于对对扰动起起到了一一个滤波波作用，，则控制制系统的的品质指指标越好好。纯滞后对于扰动动通道，，相当于于使扰动动隔一段段时间τo后再进入入被控过过程，结结果只是是使调节节过程推推迟一段段时间τo后再开始始，而不不影响调调节过程程的品质质。讨论：假设控制制系统的的被控过过程由三三个独立立的单容容量环节节GP1、GP2、GP3串联组成成，扰动动分别从从三个不不同的位位置进入入系统。。显然从从扰动Fl到被控变变量C通道的时时间常数数个数最最多，因因而对扰扰动Fl的滤波效效果最好好，即对对被控变变量的影影响最小小，F2次之，而而F3的影响最最大。结论：扰扰动离被被控变量量越近，，离调节节阀越远远，则对对被控变变量的影影响越大大。综上所述述，设计计控制系系统时，，操纵变变量选择择的原则则是：(1)操纵变量量应是控控制通道道放大系系数K0较大者。。(2)应使扰动动通道的的时间常常数越大大越好，，而控制制通道的的时间常常数适当当小一些些。(3)控制通道道纯滞后后时间越越小越好好，并尽尽量使扰扰动远离离被控变变量而靠靠近调节节阀。(4)当广义过过程的控控制通道道由几个个一阶滞滞后环节节组成时时，要避避免各个个时间常常数相等等或相接接近的情情况。(5)需考虑到到工艺上上的合理理和方便便。由于生产产负荷直直接关系系到产品品的产量量，不宜宜经常变变动，不不要选择择生产负负荷作为为操纵变变量。7.2..3检测变送送环节对对控制系系统的影影响检测变送送环节在在控制系系统中起起获取和和传送信信息的作作用。检测变送送环节对对控制系系统的影影响主要要集中在在检测元元件的滞滞后和信信号传递递的滞后后问题上上。因此此，分析析研究检检测元件件本身的的特性、、安装位位置、信信息传递递等问题题，也是是提高系系统控制制质量的的重要方方面。7.2..3.1纯滞后图示的pH控制系统统，由于于测量电电极不能能放置在在流速较较大的主主管道，，只能安安装在流流速较小小的支管管道上，，这样就就使测量量引入纯纯滞后时时间τo，其大小为为：τo=l1/V1+l2/V2由于检测测元件的的安装位位置所引引入的纯纯滞后，，有时是是不可避避免的，，但必须须尽可能能地减小小。因此此必须合合理地选选择检测测元件的的安装位位置。当当检测元元件的纯纯滞后太太大、采采用简单单控制系系统无法法满足工工艺要求求时，应应考虑采采用复杂杂控制等等方案。。7.2..3.2测量滞后后（容量量滞后））测量滞后后，是指指由检测测元件时时间常数数所引起起的动态态误差，，它是由由检测元元件本身身的特性性所决定定的。例例如，测测温元件件测量温温度时，，由于存存在着热热阻和热热容，其其本身具具有一定定的时间间常数Tm，测量滞滞后可通通过正确确选择检检测元件件的安装装位置、、选择快快速检测测元件、、正确使使用微分分环节等等途径来来克服测测量滞后后。7.2..3.3传递滞后后（气动动信号））传递滞后后是指气气压信号号在管路路传递过过程中所所造成的的滞后。。在在实行行集中控控制的大大、中型型工厂中中，由于于检测变变送器和和调节阀阀安装在在现场设设备上，，而调节节器安装装在控制制室，两两者之间间有一定定的距离离。如果果采用气气动仪表表，就会会产生气气压信号号的传递递滞后。。由由于存存在传递递滞后，，调节器器不能及及时地接接受测量量信号，，也不能能将输出出信号及及时送到到调节阀阀，因此此操纵变变量的校校正作用用也相应应延迟，，从而降降低了控控制系统统的控制制质量。。所以，，应尽量量选用电电信号进进行传递递。7.2..4调节器控控制规律律及作用用方向的的选择7.2..4.1控制规律律的选择择原则（1）当广义义过程控控制通道道的时间间常数大大，或多多容量引引起的容容量滞后后大时，，采用微微分作用用有良好好效果，，积分作作用可以以消除余余差，因因此，可可选用PID或PD控制规律律。如温温度过程程。（2）当广义义过程控控制通道道的时间间常数小小，系统统负荷变变化也较较小时，，为了消消除余差差，可以以采用PI控制规律律，如流流量过程程。（3）当广义义过程控控制通道道的时间间常数小小，而负负荷变化化很大时时，采用用微分作作用和积积分作用用都易引引起振荡荡。可采采用反微微分作用用。（4）当广义义过程控控制通道道的时间间常数或或时滞很很大，而而负荷变变化又很很大时，，简单控控制系统统无法满满足要求求。7.2..4.2调节器作作用方向向的选择择调节器作作用方向向，是指指调节器器的输入入变化后后，输出出的变化化方向有有正作用用和反作作用两种种形式。。所谓正作用是指调节节器的输输出随着着测量值值增大而而增大；；所谓反作用是指调节节器的输输出随着着测量值值增大而而减小。。调节器作作用方向向确定的的原则应应根据被被控过程程的特性性及调节节器的气气开、气气关形式式来正确确选择，，以使控控制系统统成为一一个反馈馈的闭环环系统。。如果调节节器正反反作用方方向确定定错了，，则控制制系统将将失去控控制作用用。7.2..5气动薄膜膜调节阀阀的选择择7.2..5.1调节阀结结构类型型的选择择根据调节节介质的的工艺条条件(温度、压压力、流流量等)及其特性性(粘度、腐腐蚀性、、毒性等等)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调节阀气气开、气气关形式式的选择择选择原则则：(1)从生产安安全出发发，当气气源供气气中断，，或控制制器故障障而无输输出，或或调节阀阀膜片破破裂而漏漏气等导导致调节节阀无法法正常工工作以致致阀芯回回复到无无能源的的初始状状态时，，应确保保生产工工艺设备备的安全全。(2)从保证产产品质量量出发，，当发生生调节阀阀处于无无能源状状态而回回复到初初始位置置时，不不应降低低产品的的质量。。如精馏馏塔回流流量调节节阀也应应采用气气关阀，，一旦发发生事故故，调节节阀全开开，使生生产处于于全回流流状态，，防止不不合格产产品的蒸蒸出，从从而保证证塔顶产产品的质质量。(3)从降低原原料、成成品、动动力损耗耗来考虑虑。如控控制精馏馏塔进料料的调节节阀就常常采用气气开式，，一旦调调节阀失失去能源源即处于于关闭状状态，不不再给塔塔进料，，以免造造成浪费费。7.2..5.3调节阀流流量特性性的选择择阀的工作作特性应应根据过过程特性性来选择择，其目目的是使使广义过过程特性性为线性性。通常，根根据工艺艺配管情情况确定定配管系系数S（Δpv/Δp）值后，，可以从从所选的的工作特特性出发发，确定定理想特特性。当当S＝0.6~~1时，理想想特性与与工作恃恃性几乎乎相同；；当S＝0.3~~0.6时，无论论是线性性或对数数工作特特性，都都应选对对数的理理想特性性；当S<0..3时，一般般不适宜宜控制。。7.3简单控制制系统的的投运控制系统统的投运运是指当当系统设设计、安安装完毕毕，或者者经过停停车检修修之后，，使控制制系统投投入使用用的过程程。7.3..1投运前的的准备系统的投投运准备备工作应应有工艺艺人员、、自控人人员以及及施工人人员共同同合作完完成，一一般要求求做到下下面几点点。(1)熟悉整个个过程：了解主主要工艺艺流程及及主要设设备的功功能、工工艺介质质性质及及各工艺艺变量间间的关系系；熟悉悉控制方方案，明明确控制制指标；；对检测测元件、、变送器器、调节节阀等的的安装位位置和管管线走向向等都要要心中有有数；熟熟悉各种种自动化化装置的的原理、、结构及及其调校校技术，，掌握调调节器手手动/自动切换换操作的的要求和和方法；；全面检检查电源源、气源源、管路路和线路路等的连连接是否否正确、、气压管管线是否否堵塞或或漏气等等，保证证整个系系统的每每一个组组成环节节都处于于完好状状态。(2)现场校验验：安装完完毕投运运之前，，必须对对检测元元件、变变送器、、调节器器、显示示仪表和和调节阀阀等进行行现场校校验。校校验仪表表的零点点、工作作点、满满刻度，，校验记记录调节节仪的指指示值和和控制点点偏差等等等。(3)检查调节节器的内内外设定定、正反反作用方方向及调调节阀的的气开、、气关形形式：调节器的的内外设设定位置置、正反反作用方方向和调调节阀的的气开、、气关形形式是关关系到控控制系统统能否正正常运行行和安全全操作的的重要问问题，投投运前必必须仔细细检查。。7.3..2投运过程程A检测系统统投入运运行根据工业业生产过过程的实实际情况况，将温温度、压压力、流流量、液液位等检检测系统统投入运运行，观观察测量量指示是是否正确确等。B现场人工工操作控制系统统中的调调节阀在在安装时时，一般般应设置置旁路阀阀。在调调节阀的的前、后后各装有有一截止止阀1和截止阀阀2，旁路管管线上装装有旁路路阀3。在自动动控制系系统投入入运行时时，先进进行现场场人工操操作，即即先将阀阀1和阀2关闭，用用人工操操作旁路路阀3，待工况况稳定后后，转入入控制室室内手动动遥控。。也可以以直接手手动遥控控。C手动遥控控在控制室室内通过过调节器器的手动动操作旋旋钮，对对调节阀阀门的开开度进行行人工遥遥控。一一般在自自动控制制系统投投运以前前的调试试阶段，，在生产产过程不不稳定或或负荷大大幅度变变化等情情况下，，都需要要对系统统进行手手动遥控控，以便便掌握生生产状况况和操作作条件的的变化。。D自动控制制待手动遥遥控使工工况稳定定、被控控变量接接近或等等于设定定值并稳稳定一段段时间后后，即可可将系统统由手动动遥控无无扰动切切换到自自动控制制。7.4调节器参参数的工工程整定定设置和调调整PID参数以使使调节过过程达到到满意的的质量，，称为参参数整定定。整定方法法有：理理论整定定法和工工程整定定法。理理论整定定法有反反应曲线线法、根根轨迹法法等，要要求已知知过程的的数学模模型。计计算工作作量大，，需忽略略某些因因素作一一些近似似简化，，因而得得不到完完全符合合实际过过程的动动态特性性。因而而在工程程上采用用不多。。工程整定定法有：：经验法法、临界界比例度度法、衰衰减曲线线法。工程整定定的一般般原则是是：(1)系统要具具有一定定的稳定定裕度。。对于定定值控制制系统，，常取衰衰减比为为4:1；对于随随动控制制系统，，常取衰衰减比为为10::1。(2)在满足稳稳定裕度度的前提提下，统统筹兼顾顾，重点点保证主主要控制制指标。。7.4..1经验法先将调节节器参数数预先设设置在常常见范围围(见表)的数值上上，然后后施加一一定的人人为扰动动，观察察控制系系统的过过渡过程程，反复复凑试，，直至获获得满意意的控制制质量为为止。变量(%)TI(min)TD(min)温度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1压力30~700.4~3液位20~80A先比例，，后积分分微分具体方法法如下：：(1)在控制系系统中，，将控制制器的TI置最大，，TD置零，δ取表中的的经验数数据，改改变设定定值，观观察记录录曲线，，若过渡渡时间过过长，应应减小比比例度；；若振荡荡过于剧剧烈，则则应加大大比例度度，使系系统达到到4:1衰减振荡荡过程为为止。（2）加入积分分作用，，将已凑凑试好的的比例度度加大10％~20％，再将将积分时时间TI由大到小小进行凑凑试，若若曲线回回复时间间很长，，应减小小TI；若曲线线振荡较较大，则则应增大大TI，直到系系统达到到4:1衰减振荡荡的过渡渡过程为为止。（3）若需加入入微分作作用，δ取比纯比比例时更更小些，，TI也相应减减小些，，一般先先取TD＝(1/3~1//4)TI，将微分分时间TD由小到大大凑试，，若曲线线衰减慢慢，增大大TD；若曲线线振荡厉厉害，则则减小TD，直到控控制质量量达到工工艺要求求为止。。B先积分微微分，后后比例凑试程序序是先选选定某TI，TI取表中所所列范围围的某一一数值，，TD取(1/2~1//4)TI，然后对对比例度度δ进行凑试试。若过过渡过程程仍然不不够理想想，则对对TD和TI再作适当当调整。。实际上上，对许许多过程程来说，，要达到到相近的的控制质质量，δ、TI和TD不同数值值的组合合很多，，因此这这种凑试试程序是是切实可可行的。。讨论：(1)在一些特特殊的情情况下，，参数的的整定值值可能会会较大幅幅度地超超越表中中所列的的范围。。例如，，某些时时间常数数很小的的流量过过程，比比例度需需取200％以上，，系统才才能稳定定；时间间常数大大的温度度过程，，TI需大到15min甚至更长长；对贮贮气柜等等容量很很大的压压力过程程，δ需小到5％；而在在控制某某些管道道压力时时，δ需大到100％以上。。(2)凡是δ过大，或或TI过大，都都会使被被控变量量变化缓缓慢，不不能使系系统很快快地达到到稳定状状态。(3)凡是δ过小，或或TI过小，或或TD过大，都都会使系系统振荡荡剧烈，，甚至等等幅振荡荡。δ过大，曲曲线飘动动较大，，变化不不规则TI过大，曲曲线虽带带有振荡荡分量，，但逐渐渐接近设设定值TI过小，系系统的振振荡周期期较长TD过大，振振荡周期期较短δ过小，振振荡周期期中等(4)等幅振荡荡的出现现，不一一定是由由于参数数整定不不当所引引起的。。例如，，阀门定定位器、、调节器器或变送送器调校校不良，，调节阀阀的传动动部分存存在间隙隙，往复复泵输送送液体时时的脉冲冲等，都都表现为为被控变变量的等等幅振荡荡。当系系统内存存在正弦弦干扰时时，也将将使被控控变量产产生等幅幅振荡。。我们必必须根据据具体情情况进行行分析，，作出正正确判断断。经验法的的实质是是“看曲线、、作分析析、调参参数、寻寻最佳”，方法法简单可可靠，对对外界扰扰动比较较频繁的的系统，，尤为合合适，因因此在生生产上得得到较为为广泛的的应用。。7.4..2衰减曲线线法衰减曲线线法是在在纯比例例作用基基础上找找出达到到规定衰衰减比的的比例度度数值，，然后用用半经验验公式求求取P、I、D参数，也也称为半半经验法法。(1)在闭合运运行的控控制系统统中，将将调节器器的TI置最大、、TD置零，比比例度放放在较大大数值上上，待系系统稳定定。(2)改变设定定值或生生产负荷，加加以幅度度适宜的的阶跃扰动，，观察、、记录过过渡过程曲线线的衰减减比。(3)从大到小小调比例例度，直至出现现4:1衰减为止止。记下此时时的比例例度δs，并从过渡渡过程曲曲线上求求出衰减振荡荡周期了了Tp。(4)根据δs、Tp，按表1中的数