A石油工程自动控制技术9简单控制系统

1第五章基本控制系统2主要内容一、过程控制系统设计概述二、单回路控制系统方案设计1、被控参数的选择2、控制参数的选择（重点）3、系统设计中的测量变送问题4、调节阀（执行器）的选择5、调节器控制规律的选择6、调节器正、反作用的确定（重点）3一、过程控制系统设计概述单回路反馈控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的。对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。4单回路控制系统框图5简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产中应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。6过程控制系统设计的一般要求：过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。7过程控制系统统设计步骤：1、建立被控过程的数学模型2、选择控制方案3、建立系统方框图4、进行系统静态、动态特性分析计算实验和仿真8过程控制系统设计的主要内容：控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。工程设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。工程安装和仪表调校。调节器参数工程整定：保证系统运行在最佳状态。9二、单回路控制系统方案设计1、被控参数的选择选取被控参数的一般原则为：●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，可直接测量的工艺参数为被控参数。10●当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。●被控参数必须具有足够大的灵敏度。●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。112、控制参数的选择●需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。●当工艺上允许有几种控制参数可供选择时，可根据被控过程扰动通道和控制通道特性，对控制质量的影响作出合理的选择。所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。12扰动作用——由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值。控制作用——由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。在生产过程有几个控制参数可供选择时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要比扰动通道快。13根据过程特性选择控制参数的一般原则：●控制通道参数选择：选择过程控制通道的放大系数Ko要适当大一些，时间常数To要适当小一些。纯时延τ0愈小愈好，在有纯时延τ0的情况下，τ0与To之比应小—些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。14●扰动通道参数选择：选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小。时间常数Tf要大。扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）。容量时延τc愈大则有利于控制。15●时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。●注意工艺操作的合理性、经济性。163.系统设计中的测量变送问题（1）被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。（2）测量和变送环节的描述：smmmmesTKsW1)(17（3）参数选择原则：减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。18（4）系统设计测量和变送中涉及的问题：信号滤波信号处理纯时延问题测量时延问题信号传送时延问题：19信号传递时延将降低控制质量。对比可采取以下改善措施：●若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，以缩短气压信号的传送距离．●若调节器输出为气压信号，可在50～60m距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，以减小传递时间。●若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，或采用电气阀门定位器。204、调节阀（执行器）的选择●调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器●调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于15％～85％之间。●调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。21●调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。225、调节器控制规律的选择（1）目的：为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。（2）调节器PID控制规律对控制质量的影响：●当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时(即τ0／To很小)，引入微分作用其效果良好。此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为：比例积分微分(PID)作用最好，比例微分（PD）作用较好，比例（P）作用次之，比例积分（PI）作用较差。23●当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。●当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案。24（3）调节器控制规律的选择原则：，采用其它控制方式＞●当微分，比例积分或比例积分＜＜●当，比例或比例积分＜●当的比值选择控制规律根据110.20.200000000TTTT25根据过程特性选择控制规律：●比例控制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。26●比例积分控制规律：引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。27●比例微分控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。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作用。28●比例积分微分控制规律：可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。296、调节器正、反作用的确定正作用——指调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而增加，即调节器的输出随着测量值增大而增大。反作用——指调节器的输出随着正偏差的增加而减小，即调节器的输出随着测量值增大而减少。30调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。31控制系统各环节的极性的规定：正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数Kc取负；反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数Kc取正；气开式调节阀：其静态放大系数Kv取正；气关式调节阀：其静态放大系数Kv取负；正作用被控过程：其静态放大系数K0取正；反作用被控过程：其静态放大系数K0取负。32过程控制系统要能正常工作，则该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为正。变送器的静态放大系数Km通常为正极性，故只需调节器Kc、调节阀Kv和过程的K0极性相乘起来必须为正即可。（注：有的教材将正作用调节器的符号规定为正，则所有环节相乘应为负）33确定调节器正、反作用的次序过程：首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开气关形式；然后按被控过程特性，确定其正、反作用；最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作用方式。34下课