化工自动化及仪表简单控制系统

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。

简单控制系统又称单回路反馈控制系统。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，对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求。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合。

7.1过程控制系统设计的主要内容过程分析

过程控制系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定的，因此，要进行过程特性分析，明确：

被控变量操纵变量主要扰动

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、设计说明书等。

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述生产过程控制系统的图纸文件。它反映出被控变量、测量点的位置、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。初步设计说明书包括设计指导思想、工艺流程和环境特征、自动化水平和控制方案的确定、安全技术措施等内容。B工程设计

它包括仪表选型、控制室(和仪表盘设计)、仪表供电气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。

工程设计要提交自控设备汇总表、电气设备材料表，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

仪表和电气装置的安装、信号线路的连接必须正确，这是保证控制系统正常运行的前提。系统安装完成后，还必须对每台仪表进行单独校验，对每个控制回路进行联动校验。D调节器参数工程整定

必须将调节器参数整定合适，保证系统运行在最佳状态。

7.2简单控制系统的设计7.2.1被控变量的选择

通过对过程分析，找出对产品产量、质量以及安全生产和节能等方面具有决定性作用，而且是直接可测量或通过间接计算可得到的变量作为被控变量。

选择原则：

(1)必须选择表征生产过程的质量指标作为被控变量按质量指标进行直接控制并不多见。一般是采用温度、压力等作为间接指标。间接指标与质量指标之间必须具有单值对应关系和足够大小的测量信号。例如，在精馏过程中，要求产品达到规定的纯度。理论上讲，塔顶馏出物或塔底残液的浓度应该选作为被控变量。但由于缺乏直接测量产品浓度的工具，而且滞后时间较大，因此，常用塔顶、塔底或塔中某点的温度代替浓度作为被控变量。

(2)必须确定表征生产过程的独立变量数目根据物理化学中的相律关系进行判定。例如，确定饱和蒸汽的温度和压力是否都是独立变量，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为相数。

饱和蒸汽：实际上存在着气、液两相，从而：

F＝1-2十2＝1

上式表明，只要选取蒸汽温度或蒸汽压力就可以了。一般以选取蒸汽压力为宜，因为压力测量元件的时间常数小。如果不遵循这个原则，设计出既有温度又有压力作为被控变量的控制方案，则这种控制系统将是无法投运的。

过热蒸汽：由于蒸汽在过热状态下只存在一个气相，则：F=C（组分数）-P（相数）+2=1-1十2＝2在这种情况下，把压力和温度都选作为被控变量则是完全必要的。

(3)必须注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，则容易产生系统间的相互关联。如，流体输送中的流量与压力控制系统，它们之间就存在着较严重的相互关联。若因扰动导致压力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行。7.2.2操纵变量的选择

扰动作用和控制作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密切的关系。因此，在选择操纵变量时，要认真分析过程特性。A放大系数K0的影响

在选择操纵变量时，一般是希望控制通道的放大系统数K0要大一些。因为K0大，表示操纵变量对被控变量的影响大，控制作用灵敏，抑制扰动能力强；同时，K0大，过渡过程的余差也小，控制精度可得到提高。但是K0过大，控制作用过于灵敏，易使调节过头，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较大的作为操纵变量。B时间间常常数数T0的影影响响控制制通通道道时时间间常常数数T0越大大，，反反应应速速度度越越慢慢，，被被控控变变量量变变化化越越缓缓和和，，过过渡渡过过程程较较稳稳定定；；但但控控制制作作用用不不及及时时，，过过渡渡过过程程的的最最大大偏偏差差加加大大，，过过渡渡时时间间加加长长，，使使控控制制质质量量变变差差。。相相反反，，时时间间常常数数T0较小小时时，，反反映映灵灵敏敏，，调调节节及及时时，，过过渡渡时时间间短短。。但但当当T0太小小时时，，容容易易引引起起调调节节作作用用过过于于频频繁繁而而造造成成调调节节过过程程振振荡荡，，稳稳定定性性变变差差。。因因此此，，在在T0太大大或或太太小小的的情情况况下下，，都都比比较较难难以以控控制制，，控控制制系系统统一一般般希希望望控控制制通通道道的的时时间间常常数数T0大小小适适当当。。C纯滞滞后后τ0的影影响响控制制通通道道纯纯滞滞后后的的存存在在，，使使控控制制作作用用落落后后于于被被控控变变量量的的变变化化，，容容易易引引起起超超调调和和振振荡荡，，使使被被控控变变量量的的最最大大偏偏差差增增大大，，过过渡渡时时间间拉拉长长，，控控制制质质量量变变差差。。D扰动动通通道道扰动动通通道道的的放大大系系数数越小小，，表表示示在在同同样样阶阶跃跃扰扰动动Δƒƒ作用用下下，，扰扰动动被被大大大大削削弱弱，，对对被被控控变变量量的的影影响响越越小小；；扰扰动动通通道道的的时间间常常数数越大大，，相相当当于于对对扰扰动动起起到到了了一一个个滤滤波波作作用用，，则则控控制制系系统统的的品品质质指指标标越越好好。。纯滞滞后后对于于扰扰动动通通道道，，相相当当于于使使扰扰动动隔隔一一段段时时间间τo后再再进进入入被被控控过过程程，，结结果果只只是是使使调调节节过过程程推推迟迟一一段段时时间间τo后再再开开始始，，而而不不影影响响调调节节过过程程的的品品质质。。讨论论：：假设设控控制制系系统统的的被被控控过过程程由由三三个个独独立立的的单单容容量量环环节节GP1、GP2、GP3串联联组组成成，，扰扰动动分分别别从从三三个个不不同同的的位位置置进进入入系系统统。。显显然然从从扰扰动动Fl到被被控控变变量量C通道道的的时时间间常常数数个个数数最最多多，，因因而而对对扰扰动动Fl的滤滤波波效效果果最最好好，，即即对对被被控控变变量量的的影影响响最最小小，，F2次之之，，而而F3的影影响响最最大大。。结论论：：扰扰动动离离被被控控变变量量越越近近，，离离调调节节阀阀越越远远，，则则对对被被控控变变量量的的影影响响越越大大。。综上上所所述述，，设设计计控控制制系系统统时时，，操操纵纵变变量量选选择择的的原原则则是是：：(1)操纵纵变变量量应应是是控控制制通通道道放放大大系系数数K0较大大者者。。(2)应使使扰扰动动通通道道的的时时间间常常数数越越大大越越好好，，而而控控制制通通道道的的时时间间常常数数适适当当小小一一些些。。(3)控制通道纯滞滞后时间越小小越好，并尽尽量使扰动远远离被控变量量而靠近调节节阀。(4)当广义过程的的控制通道由由几个一阶滞滞后环节组成成时，要避免免各个时间常常数相等或相相接近的情况况。(5)需考虑到工艺艺上的合理和和方便。由于生产负荷荷直接关系到到产品的产量量，不宜经常常变动，不要要选择生产负负荷作为操纵纵变量。检测变送环节节对控制系统统的影响检测变送环节节在控制系统统中起获取和和传送信息的的作用。检测变送环节节对控制系统统的影响主要要集中在检测测元件的滞后后和信号传递递的滞后问题题上。因此，，分析研究检检测元件本身身的特性、安安装位置、信信息传递等问问题，也是提提高系统控制制质量的重要要方面。纯滞后图示的pH控制系统，由由于测量电极极不能放置在在流速较大的的主管道，只只能安装在流流速较小的支支管道上，这这样就使测量量引入纯滞后后时间τo，其大小为：：τo=l1/V1+l2/V2由于检测元件件的安装位置置所引入的纯纯滞后，有时时是不可避免免的，但必须须尽可能地减减小。因此必必须合理地选选择检测元件件的安装位置置。当检测元元件的纯滞后后太大、采用用简单控制系系统无法满足足工艺要求时时，应考虑采采用复杂控制制等方案。测量滞后（容容量滞后）测量滞后，是是指由检测元元件时间常数数所引起的动动态误差，它它是由检测元元件本身的特特性所决定的的。例如，测测温元件测量量温度时，由由于存在着热热阻和热容，，其本身具有有一定的时间间常数Tm，测量滞后可可通过正确选选择检测元件件的安装位置置、选择快速速检测元件、、正确使用微微分环节等途途径来克服测测量滞后。传递滞后（气气动信号）传递滞后是指指气压信号在在管路传递过过程中所造成成的滞后。在在实行集中中控制的大、、中型工厂中中，由于检测测变送器和调调节阀安装在在现场设备上上，而调节器器安装在控制制室，两者之之间有一定的的距离。如果果采用气动仪仪表，就会产产生气压信号号的传递滞后后。由由于存存在传递滞后后，调节器不不能及时地接接受测量信号号，也不能将将输出信号及及时送到调节节阀，因此操操纵变量的校校正作用也相相应延迟，从从而降低了控控制系统的控控制质量。所所以，应尽量量选用电信号号进行传递。。调节器控制规规律及作用方方向的选择控制规律的选选择原则（1）当广广义过过程控控制通通道的的时间间常数数大，，或多多容量量引起起的容容量滞滞后大大时，，采用用微分分作用用有良良好效效果，，积分分作用用可以以消除除余差差，因因此，，可选选用PID或PD控制规规律。。如温温度过过程。。（2）当广广义过过程控控制通通道的的时间间常数数小，，系统统负荷荷变化化也较较小时时，为为了消消除余余差，，可以以采用用PI控制规规律，，如流流量过过程。。（3）当广广义过过程控控制通通道的的时间间常数数小，，而负负荷变变化很很大时时，采采用微微分作作用和和积分分作用用都易易引起起振荡荡。可可采用用反微微分作作用。。（4）当广广义过过程控控制通通道的的时间间常数数或时时滞很很大，，而负负荷变变化又又很大大时，，简单单控制制系统统无法法满足足要求求。调节器器作用用方向向的选选择调节器器作用用方向向，是是指调调节器器的输输入变变化后后，输输出的的变化化方向向有正正作用用和反反作用用两种种形式式。所所谓正作用用是指调调节器器的输输出随随着测测量值值增大大而增增大；；所谓谓反作用用是指调调节器器的输输出随随着测测量值值增大大而减减小。。调节器器作用用方向向确定定的原原则应应根据据被控控过程程的特特性及及调节节器的的气开开、气气关形形式来来正确确选择择，以以使控控制系系统成成为一一个反反馈的的闭环环系统统。如果调调节器器正反反作用用方向向确定定错了了，则则控制制系统统将失失去控控制作作用。。气动薄薄膜调调节阀阀的选选择调节阀阀结构构类型型的选选择根据调调节介介质的的工艺艺条件件(温度、、压力力、流流量等等)及其特特性(粘度、、腐蚀蚀性、、毒性性等)来选用用。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调节阀阀气开开、气气关形形式的的选择择选择原原则：：(1)从生产产安全全出发发，当当气源源供气气中断断，或或控制制器故故障而而无输输出，，或调调节阀阀膜片片破裂裂而漏漏气等等导致致调节节阀无无法正正常工工作以以致阀阀芯回回复到到无能能源的的初始始状态态时，，应确确保生生产工工艺设设备的的安全全。(2)从保证证产品品质量量出发发，当当发生生调节节阀处处于无无能源源状态态而回回复到到初始始位置置时，，不应应降低低产品品的质质量。。如精精馏塔塔回流流量调调节阀阀也应应采用用气关关阀，，一旦旦发生生事故故，调调节阀阀全开开，使使生产产处于于全回回流状状态，，防止止不合合格产产品的的蒸出出，从从而保保证塔塔顶产产品的的质量量。(3)从降低低原料料、成成品、、动力力损耗耗来考考虑。。如控控制精精馏塔塔进料料的调调节阀阀就常常采用用气开开式，，一旦旦调节节阀失失去能能源即即处于于关闭闭状态态，不不再给给塔进进料，，以免免造成成浪费费。调节阀阀流量量特性性的选选择阀的工工作特特性应应根据据过程程特性性来选选择，，其目目的是是使广广义过过程特特性为为线性性。通常，，根据据工艺艺配管管情况况确定定配管管系数数S（Δpv/Δp）值后后，可可以从从所选选的工工作特特性出出发，，确定定理想想特性性。当当S＝0.6~1时，理理想特特性与与工作作恃性性几乎乎相同同；当当S＝0.3~0.6时，无无论是是线性性或对对数工工作特特性，，都应应选对对数的的理想想特性性；当当S<0.3时，一一般不不适宜宜控制制。7.3简单控控制系系统的的投运运控制系系统的的投运运是指指当系系统设设计、、安装装完毕毕，或或者经经过停停车检检修之之后，，使控控制系系统投投入使使用的的过程程。投运前前的准准备系统的的投运运准备备工作作应有有工艺艺人员员、自自控人人员以以及施施工人人员共共同合合作完完成，，一般般要求求做到到下面面几点点。(1)熟悉整整个过过程：了解解主要要工艺艺流程程及主主要设设备的的功能能、工工艺介介质性性质及及各工工艺变变量间间的关关系；；熟悉悉控制制方案案，明明确控控制指指标；；对检检测元元件、、变送送器、、调节节阀等等的安安装位位置和和管线线走向向等都都要心心中有有数；；熟悉悉各种种自动动化装装置的的原理理、结结构及及其调调校技技术，，掌握握调节节器手手动/自动切切换操操作的的要求求和方方法；；全面面检查查电源源、气气源、、管路路和线线路等等的连连接是是否正正确、、气压压管线线是否否堵塞塞或漏漏气等等，保保证整整个系系统的的每一一个组组成环环节都都处于于完好好状态态。(2)现场校校验：安装装完毕毕投运运之前前，必必须对对检测测元件件、变变送器器、调调节器器、显显示仪仪表和和调节节阀等等进行行现场场校验验。校校验仪仪表的的零点点、工工作点点、满满刻度度，校校验记记录调调节仪仪的指指示值值和控控制点点偏差差等等等。(3)检查调调节器器的内内外设设定、、正反反作用用方向向及调调节阀阀的气气开、、气关关形式式：调节器器的内内外设设定位位置、、正反反作用用方向向和调调节阀阀的气气开、、气关关形式式是关关系到到控制制系统统能否否正常常运行行和安安全操操作的的重要要问题题，投投运前前必须须仔细细检查查。投运过过程A检测系系统投投入运运行根据工工业生生产过过程的的实际际情况况，将将温度度、压压力、、流量量、液液位等等检测测系统统投入入运行行，观观察测测量指指示是是否正正确等等。B现场人人工操操作控制系系统中中的调调节阀阀在安安装时时，一一般应应设置置旁路路阀。。在调调节阀阀的前前、后后各装装有一一截止止阀1和截止止阀2，旁路路管线线上装装有旁旁路阀阀3。在自自动控控制系系统投投入运运行时时，先先进行行现场场人工工操作作，即即先将将阀1和阀2关闭，，用人人工操操作旁旁路阀阀3，待工工况稳稳定后后，转转入控控制室室内手手动遥遥控。。也可可以直直接手手动遥遥控。。C手动遥遥控在控制制室内内通过过调节节器的的手动动操作作旋钮钮，对对调节节阀门门的开开度进进行人人工遥遥控。。一般般在自自动控控制系系统投投运以以前的的调试试阶段段，在在生产产过程程不稳稳定或或负荷荷大幅幅度变变化等等情况况下，，都需需要对对系统统进行行手动动遥控控，以以便掌掌握生生产状状况和和操作作条件件的变变化。。D自动控控制待手动动遥控控使工工况稳稳定、、被控控变量量接近近或等等于设设定值值并稳稳定一一段时时间后后，即即可将将系统统由手手动遥遥控无无扰动动切换换到自自动控控制。。7.4调节器器参数数的工工程整整定设置和和调整整PID参数以以使调调节过过程达达到满满意的的质量量，称称为参参数整整定。。整定方方法有有：理理论整整定法法和工工程整整定法法。理理论整整定法法有反反应曲曲线法法、根根轨迹迹法等等，要要求已已知过过程的的数学学模型型。计计算工工作量量大，，需忽忽略某某些因因素作作一些些近似似简化化，因因而得得不到到完全全符合合实际际过程程的动动态特特性。。因而而在工工程上上采用用不多多。工程整整定法法有：：经验验法、、临界界比例例度法法、衰衰减曲曲线法法。工程整整定的的一般般原则则是：：(1)系统要要具有有一定定的稳稳定裕裕度。。对于于定值值控制制系统统，常常取衰衰减比比为4:1；对于于随动动控制制系统统，常常取衰衰减比比为10:1。(2)在满足足稳定定裕度度的前前提下下，统统筹兼兼顾，，重点点保证证主要要控制制指标标。经验法法先将调调节器器参数数预先先设置置在常常见范范围(见表)的数值值上，，然后后施加加一定定的人人为扰扰动，，观察察控制制系统统的过过渡过过程，，反复复凑试试，直直至获获得满满意的的控制制质量量为止止。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先比例例，后后积分分微分分具体方方法如如下：：(1)在控制制系统统中，，将控控制器器的TI置最大大，TD置零，，δ取表中中的经经验数数据，，改变变设定定值，，观察察记录录曲线线，若若过渡渡时间间过长长，应应减小小比例例度；；若振振荡过过于剧剧烈，，则应应加大大比例例度，，使系系统达达到4:1衰减振振荡过过程为为止。。（2）加入积积分作作用，，将已已凑试试好的的比例例度加加大10％~20％，再再将积积分时时间TI由大到到小进进行凑凑试，，若曲曲线回回复时时间很很长，，应减减小TI；若曲曲线振振荡较较大，，则应应增大大TI，直到到系统统达到到4:1衰减振振荡的的过渡渡过程程为止止。（3）若需加加入微微分作作用，，δ取比纯纯比例例时更更小些些，TI也相应应减小小些，，一般般先取取TD＝(1/3~1/4)TI，将微微分时时间TD由小到到大凑凑试，，若曲曲线衰衰减慢慢，增增大TD；若曲曲线振振荡厉厉害，，则减减小TD，直到到控制制质量量达到到工艺艺要求求为止止。B先积分分微分分，后后比例例凑试程程序是是先选选定某某TI，TI取表中中所列列范围围的某某一数数值，，TD取(1/2~1/4)TI，然后后对比比例度度δ进行凑凑试。。若过过渡过过程仍仍然不不够理理想，，则对对TD和TI再作适适当调调整。。实际际上，，对许许多过过程来来说，，要达达到相相近的的控制制质量量，δ、TI和TD不同数数值的的组合合很多多，因因此这这种凑凑试程程序是是切实实可行行的。。讨论：：(1)在一些些特殊殊的情情况下下，参参数的的整定定值可可能会会较大大幅度度地超超越表表中所所列的的范围围。例例如，，某些些时间间常数数很小小的流流量过过程，，比例例度需需取200％以上上，系系统才才能稳稳定；；时间间常数数大的的温度度过程程，TI需大到到15min甚至更更长；；对贮贮气柜柜等容容量很很大的的压力力过程程，δ需小到到5％；而而在控控制某某些管管道压压力时时，δ需大到到100％以上上。(2)凡是δ过大，，或TI过大，，都会会使被被控变变量变变化缓缓慢，，不能能使系系统很很快地地达到到稳定定状态态。(3)凡是δ过小，，或TI过小，，或TD过大，，都会会使系系统振振荡剧剧烈，，甚至至等幅幅振荡荡。δ过大，，曲线线飘动动较大大，变变化不不规则则TI过大，，曲线线虽带带有振振荡分分量，，但逐逐渐接接近设设定值值TI过小，，系统统的振振荡周周期较较长TD过大，，振荡荡周期期较短短δ过小，，振荡荡周期期中等等(4)等幅振振荡的的出现现，不不一定定是由由于参参数整整定不不当所所引起起的。。例如如，阀阀门定定位器器、调调节器器或变变送器器调校校不良良，调调节阀阀的传传动部部分存存在间间隙，，往复复泵输输送液液体时时的脉脉冲等等，都都表现现为被被控变变量的的等幅幅振荡荡。当当系统统内存存在正正弦干干扰时时，也也将使使被控控变量量产生生等幅幅振荡荡。我我们必必须根根据具具体情情况进进行分分析，，作出出正确确判断断。经验法法的实实质是是“看曲线线、作作分析析、调调参数数、寻寻最佳佳”，方方法简简单可可靠，，对外外界扰扰动比比较频频繁的的系统统，尤尤为合合适，，因此此在生生产上上得到到较为为广泛泛的应应用。。衰减曲曲线法法衰减曲曲线法法是在在纯比比例作作用基基础上上找出出达到到规定定衰减减比的的比例例度数数值，，然后后用半半经验验公式式求取取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