17 简单控制系统.ppt

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1、华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师：朱红路,化工仪表及过程控制 第六章 简单控制系统,内容提要,简单控制系统的结构与组成 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 控制器的参数整定(已讲) 控制系统的投运及操作中的常见问题,第一节 简单控制系统的结构与组成,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。,图6-1 液位控制系统,图6-2 温度控制系统,图6-3 简单控制系统的方块图,第二节 简单控制系统的设计,1. 过程控制系统方案设计

2、的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。 2. 过程控制系统设计的主要内容 过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。 其中控制方案设计是控制系统设计的核心。,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。,6.2.1 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。,被控变

3、量的选择依据： 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量,例1 储槽液位控制系统 工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。,例2 换热器出口温度控制系统 工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。,2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。,例3 化工的精馏物纯度控制系统 精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不同，将各组分分离。 如图将苯甲苯混合液进行分离。,图6-5 苯-甲苯溶液的T-x图,图6-6 苯-甲苯溶液的p-x图,该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔底

4、）馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的选择原则1，塔顶（或塔底）馏出物的组分应作为被控变量。 但是，没有合适的仪表在线检测馏出物的纯度，则不能直接作为被控变量。 经工艺分析发现，塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变量。,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。,选择被控变量的原则, 被控变量应能

5、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。, 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。, 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。, 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。, 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。, 被控变量应是独立可控的。,6.2.2 操纵变量的选择,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。,被控变量确定

6、后，需要选择操纵变量。影响被控变量变化的因素往往不止一个，需要在可控的输入中选择合适的输入作为操纵变量。,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T灵。 精馏塔分别在塔顶和塔底采出分离成分。,举例,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。,只有回流量和加热蒸汽流量是可控因素。同时，蒸汽流量控制更为灵敏、及时，能量消耗更低。通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。,图12-8 影响提馏段温度各种因素示意图,图

7、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。,在影响被控变量的因素中，一旦选择了其中一个作为操纵变量，其余的因素就变成了干扰变量。,（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。, 控制通道纯滞后0的影响,控制通道的物料输送

8、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6-10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。, 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，只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,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

9、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。, 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。,6.2.3 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。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。,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6-13 pH值控制系统示意图,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,

10、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。,3.信号的传送滞后,信号的传送滞后，应尽量减小。,四、控制器控制规律的选择,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。,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

11、就越大。,特点,（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。,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。,（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）

12、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。,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。,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。,

13、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。,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。,1.临界比例度法,第三节 控制器参数的工程整定,按照已定的控制

14、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。,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。,图12-10 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。,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，

15、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。,2.衰减曲线法,通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。,图12-11 41和101衰减振荡过程,表6-2 41衰减曲线法控制器参数计算表,表6-3 101衰减曲线法控制器参数计算表,2.衰减曲线法,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。,3.经验凑试法,表6-4 各类控制系统中控制器参数经验数据表,

16、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。,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。,（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，

17、在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。,如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。,生产过程概述： 已浓缩的奶液从储槽流下，经过滤后从干燥器顶部喷出。干燥空气被加热后经风管吹入干燥器。滴状奶液在热风中干燥成奶粉，并被气流带出干燥器。,简单控制系统设计实例,控制方案设计 1、被控参数选择 按工艺要求应首选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。,试验发现，奶粉含水量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在1502，则奶粉含水量符合2%2.5% 。因此选干燥器出口流体温度为被控变量。,2、控制变量选择 影响干燥器出口奶粉流体温

18、度的主要可控因素有：,乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化 f2 加热蒸汽流量变化 f3 若分别以这三个变量为控制变量，可以得到三个不同的控制方案。,影响量作用的位置不同：,乳液流量变化f1的作用通道最短；旁路空气流量变化f2的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量变化f3的作用通道又增加了两个100秒的双容滞后。,调节方案： 方案1：取乳液流量为控制变量（调节阀1）,控制通道最短,方案2：取旁通冷风流量为控制变量（调节阀2）,由于有送风管路的传递滞后存在，较方案1多一个纯滞后环节=3s,热交换器为双容特性，因而调节通道又多了两个容量滞后，时间常数都是T = 100秒。,方案3：取蒸汽流量为控

19、制变量（调节阀3）,控制方案的判别： 从控制效果考虑，方案1的调节通道最短，控制性能最佳；方案2次之，方案3最差。但从工艺合理性考虑，方案1并不合适。,因为乳液量应按该装置的最大生产能力控制，且在浓缩乳液管道上装调节阀，容易使调节阀堵塞而影响控制效果。因此，选择方案2比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。,3、检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择 温度传感器及变送器 选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥器出口附近。 调节阀 选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。 调节器 可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求（偏差2），采用PI或PID调节规律；根据构成控制

20、系统负反馈的原则，采用正作用方式。,绘制控制系统图,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！,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。,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,4.控制阀的投运,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

21、一开始就用手动遥控。,开车时的两种操作步骤：,当由旁路阀手工操作转为控制阀手动遥控时,步骤如下: 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; 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; 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); 观察仪表指示值,改变手动输出,使被控变量接近给定值。,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: 控制阀本身是遥控阀,利用定值器或其他手动操作器遥控; 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; 控制

22、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。,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。,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。,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,记录曲线突变。记录曲线突然大幅度变化。 记录曲线出现不规则变化。 记录曲线出现等幅振荡。 记录曲线不变化,呈直线状 (或圆状)。,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,2.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。,