化工仪表及自动化第12章l

化工仪表及自动化第十二章简单控制系统

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1内容提要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2第一节概述3

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。图12-1液位控制系统图12-2温度控制系统第一节概述4图12-3简单控制系统的方块图从图中可知

简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。第二节被控变量的选择5

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。第二节被控变量的选择被控变量的分类（按照与生产过程的关系）直接指标控制；间接指标控制。6第二节被控变量的选择7图12-4精馏过程示意图1—精馏塔；2—蒸汽加热器图12-5苯-甲苯溶液的T-x图图12-6苯-甲苯溶液的p-x图举例第二节被控变量的选择从工艺合理性考虑，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。8第二节被控变量的选择9选择被控变量的原则①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。第二节被控变量的选择④被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。⑤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被控变量应是独立可控的。

10第三节操纵变量的选择11

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三节操纵变量的选择12图12-7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。举例第三节操纵变量的选择影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有：进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。

13图12-8影响提馏段温度各种因素示意图第三节操纵变量的选择14图12-9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。第三节操纵变量的选择15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。第四节控制器控制规律的原则及参数整定一、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。16第四节控制器控制规律的原则及参数整定特点适用于比例控制器控制器的输出与偏差成比例,阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时,比例控制器克服干扰能力强,过渡过程时间短。纯比例控制器在过渡过程终了时存在余差。

调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。

比例积分控制器积分作用使控制器输出与偏差的积分成比例,过渡过程结束时无余差。但使稳定性降低。

调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。

比例积分微分控制器微分作用使控制器的输出与偏差变化速度成比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性,再加上积分作用可以消除余差。

容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统

三种控制器性能比较表17第四节控制器控制规律的原则及参数整定1.临界比例度法18

二、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。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。第四节控制器控制规律的原则及参数整定19图12-10临界振荡过程控制作用比例度/%积分时间TI/min微分时间TD/min比例比例+积分比例+微分比例+积分+微分2δk2.2δk1.8δk1.7δk0.85Tk0.5Tk0.1Tk0.125Tk表12-2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。第四节控制器控制规律的原则及参数整定20通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。图12-11

4∶1和10∶1衰减振荡过程控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs比例+积分1.2δs0.5TS比例+积分+微分0.8δs

0.3TS0.1TS控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs′比例+积分1.2δs′2T升比例+积分+微分0.8δs′1.2T升0.4T升表12-3

4∶1衰减曲线法控制器参数计算表表12-4

10∶1衰减曲线法控制器参数计算表2.衰减曲线法第四节控制器控制规律的原则及参数整定

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。21第四节控制器控制规律的原则及参数整定22（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！第四节控制器控制规律的原则及参数整定

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。233.经验凑试法第四节控制器控制规律的原则及参数整定24控制变量特点δ/%TI/minTD/min流量对象时间常数小，参数有波动，δ要大；TI要短；不用微分40～1000.3～1温度对象容量滞后较大，即参数受干扰候变化迟缓；δ应小；TI要长；一般需加微分20～603～100.5～3压力对象的容量滞后一般，不算大，一般不加微分30～700.4～3液位对象时间常数范围较大。要求不高时，δ可在一定范围内选取，一般不用微分20～80表12-5各类控制系统中控制器参数经验数据表第四节控制器控制规律的原则及参数整定整定的步骤（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。25第四节控制器控制规律的原则及参数整定26图12-12三种振荡曲线比较图12-13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。第四节控制器控制规律的原则及参数整定27（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。第四节控制器控制规律的原则及参数整定

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！28第五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！29第五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。30第五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12-14控制器正、反作用开关示意图31第五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12-15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。32第五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12-16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。33第五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12-17控制阀安装示意图1—上游阀；2—下游阀；3—旁路阀；4—控制阀34第五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：35第五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。36第五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。37第五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。38第五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。39第五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12-18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40第五节控制系统的投运及操作中的常见问题图12-19压力和流量控制系统之间的干扰图12-20负荷分配系统41第五节控制系统的投运及操作中的常见问题解决方案

可以通过控制器参数整定,将两个控制系统的动态联系削弱,使其能正常工作。采取这种措施后,保证了主要被控变量的稳定，而次要变量的控制质量会有所降低。从自动化角度出发,尚可设计较为复杂一些的去关联控制系统,通过引入一些特殊的去关联环节来消除相互间的影响。从工艺上消除关联也是一个极为有效的措施。42第五节控制系统的投运及操作中的常见问题2.测量系统的故障及判别方法

发现工艺参数的记录曲线出现异常情况时,首先要分析情况,判别其原因,这是正常操作的前提之一。判别的方法：(1)记录曲线的分析比较

①记录曲线突变。②记录曲线突然大幅度变化。③记录曲线出现不规则变化。④记录曲线出现等幅振荡。⑤记录曲线不变化,呈直线状(或圆状)。43第五节控制系统的投运及操作中的常见问题举例图12-21不规则变化的记录曲线图12-22记录曲线的等幅振荡44第五节控制系统的投运及操作中的常见问题

(2)控制室仪表与现场同位仪表比较(3)两台仪表之间的比较45第五节控制系统的投运及操作中的常见问题

3.控制系统运行中的常见问题

出现问题时，除了要考虑前面所讲的测量系统可能出现的故障以外,特别要注意被控对象特性的变化以及控制阀特性变化的可能性,要结合仪表和工艺两个方面去找原因。针对适应对象特性的变化,一般可以通过重新整定控制器参数,以获得较好的控制质量。46例题分析

1.试总结归纳一下控制器参数整定的方法、特点与使用场合。解:工程上常用的整定方法的特点与使用场合列表如下:整定方法特点使用场