化工仪表及自动化(简单控制系统)全解.ppt

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1、化工仪表及自动化,第六章 简单控制系统,内容提要,简单控制系统的机构与组成简单控制系统的设计被控变量的选择操纵变量的选择测量元件特性的影响控制器控制规律的选择简单控制系统设计实例控制器参数的工程整定临界比例度法衰减曲线法经验凑试法,1,第一节 简单控制系统的机构与组成,2,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6-1 液位控制系统,图6-2 温度控制系统,在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。,说明,第一节 简单控制系统的机构与组成,3,图6-3简

2、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。在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。,第二节 简单控制系统的设计,一、被控变量的选择,4,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,被控变量的分类（按照与生产过程的关系）,直接指标控制

3、；间接指标控制。,5,第二节 简单控制系统的设计,6,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,第二节 简单控制系统的设计,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。,7,第二节 简单控制系统的设计,8,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

4、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 简单控制系统的设计,（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。,9,第二节 简单控制系统的设计,二、操纵变量的选择,10,1.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

5、的变量称为操纵变量。,最常见的操纵变量是介质的流量。,第二节 简单控制系统的设计,11,举例,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。,第二节 简单控制系统的设计,图6-8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。,12,第二节 简单控制系统的设计,13,2.对象特性对选择操纵变量的影响,图6-9干扰通道与控制通道的关系,干扰变量由干扰通

6、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,（1）对象静态特性的影响,一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通道的放大系数Kf小些。,（2）对象动态特性的影响,控制通道时间常数的影响,控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。,14,第二节 简单控制系统的设计,15,控制通道纯滞后0的影响,控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后O对控制质量是有影响的。图6

7、-10所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。,图6-10 纯滞后0对控制质量的影响,在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯滞后时间0尽量小。,第二节 简单控制系统的设计,16,干扰通道时间常数的影响,干扰通道的时间常数Tf越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。,干扰通道纯滞后f的影响,如果干扰通道存在纯滞后f，控制作用也推迟了时间f，使整个过渡过程曲线推迟了时间f，要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的，如图6-11所示。,图6-11干扰通道纯滞后f的影响,第二节 简单控制系统的设计,17,3.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。,

8、操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。,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,三、测量元件特性的影响,18,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。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。,1.测量元件的时间常数,图6-12测量元件时间常数的影响,测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。,第二节 简单控制系统的设计,19,第二节 简单控制系统的设计,20,2.测量元件的纯滞后,当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。,图6-13pH值控

9、制系统示意图,有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。,延迟时间0,这一纯滞后使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。,第二节 简单控制系统的设计,21,3.信号的传送滞后,信号的传送滞后，应尽量减小。,第二节 简单控制系统的设计,四、控制器控制规律的选择,22,1.控制器控制规律的确定,图6-14简单控制系统简化方块图,（1）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。,第二节 简单控制系统的设计,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

10、、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。,特点,23,第二节 简单控制系统的设计,24,（2）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KP（或比例度）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。,第二节 简单控制系统的设计,特点,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

11、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。,25,第二节 简单控制系统的设计,26,（3）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KP（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD。,第二节 简单控制系统的设计,特点,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、TI、TD参数，可以使

12、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。,27,第二节 简单控制系统的设计,28,第二节 简单控制系统的设计,29,2.控制器正、反作用的确定,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。,第二节 简单控制系统的设计,测量元件及变送器,

13、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。,30,第二节 简单控制系统的设计,31,第二节 简单控制系统的设计,32,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,图6-15加热炉出口温度控制,第二节 简单控制系统的设计,当操纵变量燃料气流量

14、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。那么这时执行器便是“正”作用方向。为了保证由对象、执行器与控制器所组成的系统是负反馈的，控制器就应该选为“反”作用。,33,第二节 简单控制系统的设计,34,图6-16液位控制,一个简单的液位控制系统,执行器是“正”方向。对象是“反”方向。控制器为“正”方向。,图6-17控制器正、反作用开关示意图,控制器的正、反作用可以通过改变控制器上的正、反作用开关自行选择。一台正作用的控制器，只要将其测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的控制器。,第

15、二节 简单控制系统的设计,五、简单控制系统设计实例,简单控制系统设计主要包括被控变量的选择、操纵变量的选择、执行器的选择、控制器控制规律及作用方式的选择等。下面以喷雾式干燥设备控制系统设计为例，介绍简单控制系统设计。,35,第二节 简单控制系统的设计,干燥塔,图6-18 乳化物干燥过程工艺流程示意图,36,第二节 简单控制系统的设计,1被控变量与控制变量选择(1)被控变量选择 产品水分含量精确测量困难(精度不高)，由生产工艺可知，产品质量(水分含量)与干燥温度密切相关，因而选干燥塔的温度为被控变量(间接参数)。(2)控制变量选择 经分析影响干燥塔温度的主要因素有乳液流量f1(t)、旁路空气流量

16、f2(t)、加热蒸汽流量f3(t)，所以有三个变量可作为控制变量。图6-23中，分别以三个变量作为控制变量构成三种不同的控制方案。,37,第二节 简单控制系统的设计,(a)乳化物流量作为控制变量的控制系统方框图,(b)风量作为控制变量的控制系统方框图,(c)蒸汽量作为控制变量的控制系统方框图,图 6-23 干燥塔温度控制方案比较示意图,38,第二节 简单控制系统的设计,比较三种控制方案，图6-23(a)采用乳液流量作控制变量，乳液直接进入干燥塔，控制通道滞后最小，对干燥温度的校正作用最迅速，而且扰动通道延时较大，从控制品质方面考虑，应当选此方案。但乳液流量是生产负荷(亦是产量)，若作为控制变量

17、，则它不可能始终在最大的(而且是稳定的)负荷点工作，从而限制了装置的生产能力。此外如果在乳液管线上安装了控制阀，容易使浓缩乳液结块，降低产品质量。因而选乳液流量为控制变量工艺上不合理。综合考虑，一般不采用此控制方案。,39,第二节 简单控制系统的设计,比较分析图6-23(b)与(c)，在这两种控制方案中，乳液流量f1(t)作为扰动量，其对控制系统的影响(扰动通道)是相同的，差别在于控制通道与另一扰动通道不同。由于换热器时间常数较大，因而采用风量为控制变量时，图6-23(b)控制系统的控制通道时间常数较小，扰动通道时间常数较大；图6-23(c)采用蒸汽量为控制变量，控制通道时间常数较大，扰动通道

18、时间常数反而较小。因此选择旁路空气量为控制变量的方案为最佳。,40,第二节 简单控制系统的设计,2过程检测、控制设备的选用 根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合仪表(DDZ)。(1)测温元件及变送器 被控温度在500以下，选用热电阻温度计。为提高检测精度，应用三线制接法，并配用温度变送器。(2)控制阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，控制阀选气闭形式。根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的控制阀。(3)控制器 根据过程特性与工艺要求，可选用PI或PID控制规律。根据构成负反馈系统原则，确定控制器为反作用形式。,41,第三节 控制器参数的工程整定,一、临界比例度法,42,控制器参数的整

19、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、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k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,43,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,二、衰减曲线法,44,通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值

20、。,图6-2141和101衰减振荡过程,表6-241衰减曲线法控制器参数计算表,表6-3101衰减曲线法控制器参数计算表,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41或10 1衰减比为止。通过比例度s 和衰减周期TS,得到控制器的参数整定值。,45,第三节 控制器参数的工程整定,46,（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

21、不到正确的S、TS或S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41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41衰减过程了。,注意！,第三节 控制器参数的工程整定,三、经验凑试法,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、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、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。,47,第三节 控制器参数的工程整定,48,表6-4 控制器参数的经验数据表,第三节 控制器

22、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。,49,第三节 控制器参数的工程整定,50,图6-22三种振荡曲线比较图,图6-23比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较图,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,51,（2）先按表6-4中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑试，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！,52,53,END,