项目六单回路控制设计6.2

主编倪志莲龚素文机械工业出版社过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表26.2简单控制系统6.2.1简单控制系统的组成简单控制系统是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、—个控制阀和一个被控对象所构成的闭环负反馈的定值系统。过程控制与自动化仪表3液位控制系统温度控制系统6.2简单控制系统6.2.1简单控制系统的组成过程控制与自动化仪表46.2.2过程控制系统的设计概念准备工作首先要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；第三，一定要遵守行业相关的标准、行规，按科学合理的程序进行。6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表56.2简单控制系统6.2.2过程控制系统的设计概念1．设计内容1）确定控制方案2）仪表及装置的选型3）相关工程内容的设计4）工程安装与仪表调试5）控制器参数工程整定过程控制与自动化仪表66.2简单控制系统2．设计步骤1）初步设计初步设计的主要目的是上报审批，并为订货做准备。2）施工图设计是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。3）设计文件和责任签字包括设计、校核、审核、审定、各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。4）参与施工和试车设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。5）设计回访在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听取意见，总结经验。过程控制与自动化仪表76.2.3简单控制系统控制方案设计简单控制系统方案设计的主要内容包括：合理选择被控参数和控制参数，信息的获取与变送，控制阀的选择，控制器参数的整定及控制规律的选取等方面。6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表81．被控变量的选择1）尽量选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可按工艺操作的要求直接测量的工艺参数（如温度、压力、流量等）作为被控变量；2）当不能用直接测量的参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系、满足工艺的合理性的间接参数作为被控变量；3）被控变量必须具有足够大的灵敏度且线性度好，滞后要小，以利于得到高精度的控制质量；4）必须考虑工艺流程合理性和自动化仪表及装置的现状。6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表9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。6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表106.2.3简单控制系统控制方案设计2．操纵变量的选择6.2简单控制系统

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过程控制与自动化仪表116.2.3简单控制系统控制方案设计2．操纵变量的选择1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量。2）操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中对被控变量影响最大的一个。控制通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T要适当小些，滞后时间应尽量小。3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表12举例精馏塔流程图

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。6.2简单控制系统2．操纵变量的选择过程控制与自动化仪表13影响提馏段温度的各种因素示意图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。

6.2简单控制系统2．操纵变量的选择过程控制与自动化仪表146.2简单控制系统6.2.3简单控制系统控制方案设计3．控制规律及控制器作用方向的选择（1）控制规律的选择1）位式控制器常见的位式控制有双位和三位两种。适用于：滞后较小，负荷变化不大也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内波动的场合，如恒温箱、电阻炉等的温度控制。过程控制与自动化仪表15简单控制系统简化方块图2）比例控制器

比例控制器是具有比例控制规律的控制器。对于单元组合仪表适用于：

控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。

6.2简单控制系统3．控制规律及控制器作用方向的选择（1）控制规律的选择过程控制与自动化仪表16

控制器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。比例控制器特点6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表173．控制规律及控制器作用方向的选择（1）控制规律的选择3）比例积分控制器比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。可调整参数比例放大系数KC（或比例度δ）和积分时间TI。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表18

由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。

比例积分控制器特点6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表19

由于在比例作用的基础上加上微分作用，会有超前控制作用。使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小。加快控制过程，改善控制质量，故比例微分控制适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分控制。比例微分控制器特点6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表205）比例积分微分控制器

比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。理想的三作用控制器，存在可调整参数比例放大系数KC（或比例度δ）、积分时间TI和微分时间TD。6.2简单控制系统3．控制规律及控制器作用方向的选择（1）控制规律的选择过程控制与自动化仪表21

微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。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。所以，适当调整δ、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。适用于

容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。6.2简单控制系统比例积分微分控制器特点过程控制与自动化仪表226.2简单控制系统3．控制规律及控制器作用方向的选择

控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。作用的方向输入变化后，输出的变化方向。正作用方向反作用方向当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。过程控制与自动化仪表23测量元件及变送器作用方向一般是“正”的。执行器作用方向取决于是气开阀还是气关阀。被控对象作用方向随具体对象的不同而各不相同。控制器

当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。6.2简单控制系统3．控制规律及控制器作用方向的选择（2）控制器作用方向的选择过程控制与自动化仪表24举例一个简单的加热炉出口温度控制系统。

对象加热炉

操作变量燃料气流量

被控变量被加热的原料油出口温度加热炉出口温度控制6.2简单控制系统过程控制与自动化仪表256.2简单控制系统

当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，故对象是“正”作用方向。如果从工艺安全条件出发选定执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。那