第六章 简单控制系统(五版)

化工仪表及自动化第六章简单控制系统

内容提要概述被控变量的选择操纵变量的选择控制器控制规律的选择及参数整定控制规律的选择控制器参数的工程整定控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运控制系统操作中的常见问题内容提要这一章主要回答三个问题1.控制什么？2.拿什么来控制？3.通过什么方式控制？第一个问题：控制什么？答：控工艺要求的指标具体分为两种情况：1.工艺要求的指标可以直接在线测量

直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）2.工艺要求的指标不可以直接在线测量

寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据P155中的分析，最终可以确定：固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的第二个问题：拿什么控制？答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。K大一些，T小一些，τ最好为0测量仪表的选用和安装：量程、材质、精度等满足工艺要求测量仪表本身要反应快应选择有代表性位置进行安装仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后(至少要满足要求)执行器的选用和安装：口径（流通能力）、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求本身反应快（气信号不要进行远距离传输、必要时可以采用电气转换器、阀门定位器）阀门安装位置应尽可能靠近被控设备（二者中间不能有很长的工艺管路，否则会人为增大广义对象的纯滞后）第三个问题：以什么方式控制？答：没有标准答案（选择合适的调节规律）最常用的调节规律：位式控制、P、PI、PD、PID（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）后续问题：如何整定PID参数？答：临界比例度法＋经验衰减曲线法＋经验经验凑试法最好的方法就是“经验”四个基本环节：

测量变送环节控制器执行器被控对象被控变量控制器执行器被控对象测量变送环节干扰偏差设定值＋－第一节简单控制系统的结构和组成

简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。控制器(LC或TC)执行器（控制阀）被控对象（液位储槽或换热器）测量、变送环节（LT或TT）被控变量（液位或温度）干扰偏差设定值＋－广义对象简单控制系统方块图载热体冷流体换热器温度控制系统液位控制系统常见的两种简单控制系统：表1-2被测变量和仪表功能的字母代号第二节简单控制系统的设计一、被控变量的选择

生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。被控变量的界定

它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。第二节简单控制系统的设计明确控制目的使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）分析生产工艺“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量确定被控变量两种控制类型：直接指标控制和间接指标控制当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标。选择被控变量第二节简单控制系统的设计8图6-4精馏过程示意图1—精馏塔；2—蒸汽加热器图6-5苯-甲苯溶液的T-x图图6-6苯-甲苯溶液的p-x图举例塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之间的关系为：XD=f(TD，P)，两个独立变量。从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。原因

在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。9第二节简单控制系统的设计选择被控变量的原则①要有代表性。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。②变化频繁。被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。③滞后要小。尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。第二节简单控制系统的设计④灵敏度要高。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。⑤成本要低。选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。⑥应该独立可控。被控变量应是独立可控的。

第二节简单控制系统的设计二、操纵变量的选择121.操纵变量在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量。操作变量系统的干扰通过工艺分析确定第二节简单控制系统的设计原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的干扰变量。

13图6-7精馏塔流程图

如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。举例第二节简单控制系统的设计影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有：通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。

14图6-8影响提馏段温度各种因素示意图OP第二节简单控制系统的设计15图6-9干扰通道与控制通道示意图

干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；

操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。第二节简单控制系统的设计2.对象特性对控制质量的影响控制质量系统的过渡过程形式——超调量、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期对象特性系统的输入输出关系分为对象静态性质和对象动态性质考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量第二节简单控制系统的设计放大系数绝对放大系数YXPOY/(YMAX-YMIN)X/(XMAX-XMIN)相对放大系数控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征从控制有效性考虑，K0应适当的大一些干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征，希望Kf小一些，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。

第二节简单控制系统的设计（1）静态特性影响第二节简单控制系统的设计（2）动态特性影响控制通道时间常数T0控制通道滞后时间τ0

T0小一点好，不能过大，否则会使控制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长在选择操纵变量构成控制回路时，应尽量避免控制通道纯滞后τ0的存在，无法避免时应使之尽可能小。A:无纯滞后时的校正作用B:有纯滞后时的校正作用C:不受控下的输出曲线D:无纯滞后时的输出曲线E:有纯滞后时的输出曲线第二节简单控制系统的设计干扰通道时间常数TfTf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量

干扰通道纯滞后τf的影响无纯滞后有纯滞后干扰通道滞后时间τf

干扰通道的纯滞后τf不会影响控制质量

3.操纵变量的选择原则①

操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。②

操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。

③

在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。第二节简单控制系统的设计根据稳态性质选择操纵变量

薄板冷却器热物料冷物料TTFTLC液氨液氨PT气氨气氨液氨储罐氨直冷式薄板冷却系统示意图被控变量：物料出口温度待选的操纵变量：

热物料温度热物料的流量液氨的流量气氨的回气压力POOP热物料流量F对冷物料出口温度T的放大系数为：

气氨回气压力P对冷却器物料出口温度T的放大系数为：

PO三、测量元件特性的影响测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。所以，要求它能及时、准确地反映被控变量的状况，假如测量不准确，操作人员造成混乱甚至会处理错误造成事故。测量不准确或者不及时，会产生失调和误调。1.测量元件的时间常数；

被控变量y做阶跃变化、递增变化以及周期性变化时，测量元件的测量时z只能慢慢靠近、一直追赶或者差一个相位周期变化，无论哪种情况，由于时间常数的存在，使得测量值永远不等于真实值，所以控制器接收到的是一个失真信号，不能发挥正确的校正作用，控制质量无法达到要求。三、测量元件特性的影响当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数的1/10时，对系统的控制质量影响不大，不需盲目追求小时间常数的测量元件；有时，测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量与控制。特别是流量测量元件和温度测量元件，例如工业用的孔板、热电偶和热电阻元件等。如果安装不正确，往往会影响测量精度，不能正确反映被控变量的变化情况，这种失真的情况会影响控制质量。同时，使用过程中要经常注意维护、检查，特别是使用条件比较恶劣的情况（如介质腐蚀性强、易结晶、易结焦等），更应该经常检查，必要时进行清理、维修或者更换。例如当用热电偶测量温度时，有时会因使用一段时间后，热电偶表面结晶或结焦，使时间常数大大增大，以致严重影响控制质量。三、测量元件特性的影响2.测量元件的纯滞后；从测量方面来说，由于测量点选择不当、测量元件安装不合适等原因也会造成传递滞后。图8-6蒸汽直接加热器

当加热蒸汽量增大时，槽内温度升高，然而槽内溶液流到管道测温点处还要经过一段时间τ0。所以，相对于蒸汽流量变化的时刻，实际测得的溶液温度T要经过时间τ0后才开始变化。注意：安装成分分析仪器时，取样管线太长，取样点安装离设备太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。25三、测量元件特性的影响如果被控变量是中和槽内出口溶液的pH值，但作为测量元件的测量电极却安装在远离中和槽出口管的位置，并且电极安装在流量较小、流速缓慢的副，管道上，这样，电极所测得的信号与中和槽内溶液的pH值在时间上就延迟了一段时间t0。这一滞后使得测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化，因而降低了控制质量。注意：以物性为被控变量时往往有类似问题，比如安装成分分析仪器、pH值测量时，而且这时引入微分作用是徒劳的，加得不当反而会使系统不稳定。

所以测量元件安装时，一定要注意尽量减少纯滞后，滞后对于大纯滞后的系统，需要采用复杂控制系统。三、测量元件特性的影响24显然，纯滞后时间τ0与皮带输送机的传送速度v和传送距离L有如下关系：（8-30）溶解槽及其反应曲线纯滞后时间举例三、测量元件特性的影响3.信号的传递滞后信号的传递滞后包括检测信号传送滞后和控制信号传递滞后。测量元件信号传递滞后是指由现场测量变送装置的信号传递到控制室的控制器所引起的滞后。电信号可忽略，气信号会存在一定滞后；控制信号传递滞后是指控制室内控制器的输出控制信号传递到现场执行器所引起的滞后。对于气动薄膜控制器来说，会有比较大的容量滞后，使控制不及时，控制效果变差。信号传递滞后对控制质量影响基本与对象控制通道滞后相同，应尽量减少。所以一般气压信号的管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者阀门定位器、气动继动器增大输出功率，必要时将气信号转化成电信号，减少传递滞后。四、控制器控制规律的原则及参数整定1.控制规律的选择目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律:比例控制规律P、比例积分控制规律PI和比例积分微分控制规律PID。第二节简单控制系统的设计

位式控制适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。

比例控制

优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。缺点：在过渡过程终了时存在余差适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。第二节简单控制系统的设计三种控制器性能比较表18第二节简单控制系统的设计2.控制器正、反作用的选择保证整个控制系统形成负反馈。在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。

所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。何谓“正”、“反”作用？控制器正反作用选择的基本原则第二节简单控制系统的设计控制器正反作用选择的步骤1、判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定；2、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全；3、确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；4、确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。被控变量控制器执行器被控对象测量变送环节干扰偏差设定值＋－广义对象第二节简单控制系统的设计燃料气TC加热炉出口温度控制控制器正反作用选择的实例液位控制第二节简单控制系统的设计6-18乳化物干燥系统示意图乳化物高位槽过滤器12WWW3蒸汽空气产品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)工艺要求在保证产品含水率合格的前提下，保证最大产量。

被控变量产品含水率>干燥温度T1

影响被控变量的主要输入变量乳化物流量fw

旁路空气流量fQ

加热蒸汽压力流量fp

五、简单控制系统设计实例第二节简单控制系统的设计方案1：乳化物流量为控制变量fWP1100S+11100S+1e-3SfQe-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)T控制器TC偏差设定值＋－干扰方案2：旁路空气流量fQ为控制变量-最佳方案设定值P1100S+1e-3S

100S+1fQe-2S(8.5S+1)3T控制器TC偏差＋－fW干扰方案3：蒸汽流量fp为控制变量e-2S(8.5S+1)31100S+1e-3S

100S+1fQT控制器TC偏差设定值＋－fWP乳化物高位槽过滤器12WWW3蒸汽空气产品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)第三节控制器参数的工程整定1.临界比例度法19控制器参数的工程整定

按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度δ、积分时间TI和微分时间TD，使控制质量能满足工艺生产的要求。方法理论计算的方法和工程整定法。

几种常用的工程整定法

先通过试验得到临界比例度δk和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。第三节控制器参数的工程整定20图6-20临界振荡过程表6-1临界比例度法参数计算公式表特点

比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。对于临界比例度很小的系统不适用。对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。第三节控制器参数的工程整定21通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。图6-214∶1和10∶1衰减振荡过程表6-24∶1衰减曲线法控制器参数计算表表6-310∶1衰减曲线法控制器参数计算表2.衰减曲线法第三节控制器参数的工程整定

在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4∶1或10∶1衰减比为止。通过比例度δs和衰减周期TS,得到控制器的参数整定值。22第三节控制器参数的工程整定23（1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的5％左右，也有例外的情况。（2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的δS

、TS或δS′和T升值。（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4∶1衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到4∶1衰减过程了。注意！第三节控制器参数的工程整定

根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用δ、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度δ、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。243.经验凑试法第三节控制器参数的工程整定25表6-5各类控制系统中控制器参数经验数据表第三节控制器参数的工程整定整定的步骤（1）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。关键看曲线，调参数。26第三节控制器参数的工程整定27图6-22三种振荡曲线比较图6-23比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，产生的周期性激烈振荡。如果比例度过大或积分时间过大，过渡过程变化缓慢的情形。第三节控制器参数的工程整定28（2）先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD＝(1/3～1/4)TI，然后对δ进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。特点方法简单，适用于各种控制系统。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。第三节控制器参数的工程整定

对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值。在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。注意！29第四节控制系统的投运及操作中的常见问题一、控制系统的投运1.准备工作对于工艺人员与仪表人员来说……

对于仪表人员来说……要重视！30第四节控制系统的投运及操作中的常见问题2.仪表检查投运前要在现场校验仪表一次,确认正常后可考虑投运。对于控制记录仪表,除了要观察测量指示是否正常外,还特别要对控制器控制点进行复校。31第四节控制系统的投运及操作中的常见问题3.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系统成为负反馈闭环系统的重要一环。正作用？反作用？图6-24控制器正、反作用开关示意图32第四节控制系统的投运及操作中的常见问题举例加热炉出口温度控制系统图6-25加热炉出口温度控制为了在控制阀气源突然断气时,炉温不继续升高,采用了气开阀(停气时关闭),是“正”方向。炉温是随燃料的增多而升高的,以炉子也是“正”方向作用的。变送器是随炉温升高,输出增大,也是“正”方向。所以控制器必须为“反方向”,才能当炉温升高时,使阀门关小,炉温下降。33第四节控制系统的投运及操作中的常见问题举例液位控制系统图6-26液位控制控制阀采用了气开阀,在一旦停止供气时,阀门自动关闭,以免物料全部流走,故控制阀是“正”方向。当控制阀打开时,液位是下降的,所以对象的作用方向是“反”的。变送器为“正”方向。这时控制器的作用方向必须为“正”才行。34第四节控制系统的投运及操作中的常见问题4.控制阀的投运图6-27控制阀安装示意图1—上游阀；2—下游阀；3—旁路阀；4—控制阀35第四节控制系统的投运及操作中的常见问题一种是先用人工操作旁路阀,然后过渡到控制阀手动遥控;另一种是一开始就用手动遥控。

开车时的两种操作步骤：36第四节控制系统的投运及操作中的常见问题

当由旁路阀手工操作转为控制阀手动遥控时,步骤如下:①先将截止阀1和截止阀2关闭,手动操作旁路阀3,使工况逐渐趋于稳定;②用手动定值器或其他手动操作器调整控制阀上的气压P,使它等于某一中间数值或已有的经验数值;③先开上游阀1,再逐渐开下游阀2,同时逐渐关闭旁路阀3,以尽量减少波动(亦可先开下游阀2);④观察仪表指示值,改变手动输出,使被控变量接近给定值。37第四节控制系统的投运及操作中的常见问题远距离人工控制控制阀叫手动遥控,可以有三种不同的情况:①控制阀本身是遥控阀,利用定值器或其他手动操作器遥控;②控制器本身有切换装置或带有副线板,切至“手动”位置,利用定值器或手操轮遥控;③控制器不切换,放在“自动”位置,利用定值器改变给定值而进行遥控。但此时宜将比例度置于中间数值,不加积分和微分作用。38第四节控制系统的投运及操作中的常见问题5.控制器的手动和自动的切换通过手动遥控控制阀,使工况趋于稳定以后,控制器就可以由手动切换到自动,实现自动操作。要求：平稳、迅速，实现无扰动切换。39第四节控制系统的投运及操作中的常见问题6.控制器参数的整定不管采用哪种方法进行整定,所得到的自动控制系统,在正常工况下,由于经常受到各种扰动,被控变量不可能总是稳定在一个数值上长期不变。如果出现记录曲线是一条直线或一个圆,就要检查一下测量记录仪表有否故障,灵敏度是否足够等。40第四节控制系统的投运及操作中的常见问题一、控制系统操作中的常见问题

1.控制系统间的相互干扰及克服办法图6-28精馏塔控制系统之间的干扰精馏塔两个温度控制系统之间相互干扰41第四节控制系统的投运及操作中的常见问题图6-29压力和流量控制系统之间的干扰图6-30负荷分配系统42第四节控制系统的投运及操作中的常见问题解决方案