第11章 化工仪表简单控制系统

第11章简单控制系统简单控制系统的结构与组成控制的目的、被控变量的选择对象特性、控制变量的选择测量滞后、测量信号处理负荷变化、调节阀选择控制规律的选择控制系统的投运与参数整定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P173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”第一节概述四个基本环节：

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＋－选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述控制器(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：第二节被控变量的选择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。选择被控变量选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述精馏过程示意图冷却水TDp进料

Q入，X入，T入回流F塔底产品塔顶产品QZ蒸汽TH苯－二甲苯的T-x图TD℃XD%苯－二甲苯的P-x图PMPaXD%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。精馏塔系统的被控变量选择

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，一般都是工艺过程中比较重要的变量。

应该独立可控。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合)关系。

滞后要小。采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，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。

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。

成本要低。选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。

被控变量选择的一般原则

操纵变量与干扰变量

第三节操纵变量的选择Q入T入X入QZFTH被控变量TD影响塔顶温度的各种输入示意图被控对象原则上，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。

选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述

精馏过程示意图冷却水TDp进料

Q入，X入，T入回流F塔底产品塔顶产品QZ蒸汽TH进料流量Q入不可控进料成分X入

不可控进料温度T入

不可控回流流量F可控回流温度TH

不可控加热蒸汽流量QZ

可控冷凝器冷却温度不可控塔压P不可控精馏塔系统的操纵变量选择OP控制通道干扰通道干扰变量控制变量被控变量干扰作用与控制作用之间的关系被控对象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，用以选择操纵变量对象特性对控制质量的影响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。

对象稳态性质对控制质量的影响对象动态性质对控制质量的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

操纵变量的选择原则

操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小(但不宜过小，否则易引起振荡)、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。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。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。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根据动态性质选择控制变量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

1100S+11100S+1e-3Se-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)fPT1fQfW乳化物干燥系统被控对象对象方块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)乳化物干燥系统示意图=1GW(S)(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)e-2S=1GQ(S)(100S+1)=1GP(S)(100S+1)(100S+1)GF(S)=e-3SFw-T1FQ-T2FP-T2T2-T1传递函数

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)选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述第四节控制器控制规律的选择常用的几种控制规律

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。

比例微分控制优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善担制质量。缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。

比例积分微分控制比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。

比例积分控制优点：系统在过渡过程结束时无余差缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。

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选择被控变量选择操纵变量处理测量信号选择调节阀选择控制规律系统投运参数整定概述第五节控制系统的投运与参数整定控制系统的投运（1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故障时能及时确定故障原因；（2）根据经验或估算比例度δ、积分时间TI和微分时间TD的数值，或将控制器放在纯比例作用，比例度放在较大位置；（3）确认控制阀的气开、气关作用；确认控制器的正、反作用；（4）手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定比例度δ、积分时间TI和微分时间TD三个参数。控制器参数的工程整定就是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。对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈4:1至10:1的衰减振荡过程。什么是“参数整定”？yt4:1yt10:1参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）

1、临界比例度法先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度δK，周期称为临界振荡周期Tk。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。Tkttfy临界振荡过程临界比例度法参数计算公式控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)比例2δK

比例＋积分2.2δK

0.85Tk比例＋微分1.8δK

0.85Tk比例＋积分＋微分1.7δK

0.5Tk0.125Tk注意：当不存在临界比例度、临界比例度过小、不允许等幅振荡时，该方法不适用。2、衰减曲线法将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现4：1衰减比为止，这时的比例度称为衰减比例度δS，周期称为衰减周期Ts。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)比例δS

比例＋积分1.2δS

0.5Ts比例＋积分＋微分0.8δS

0.3Ts0.1Ts4:1衰减法参数计算公式表

fytTst4:1控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)比例δS

比例＋积分1.2δS

2T升

比例＋积分＋微分0.8δS