过程装备控制技术及应用第二章之2单回路系统

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常见的两种简单控制系统：选择被控变量选择控制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2.2.2自动控制的目的及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控制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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选择被控变量选择控制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变量与干扰变量2.2.3对象特性对控制质量的影响及控制变量的选择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。选择被控变量选择控制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，用以选择控制变量对象特性对控制质量的影响选择被控变量选择控制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放大系数绝对放大系数YXY/(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控制变量选择的原则一：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控制变量。对象稳态性质对控制质量的影响选择被控变量选择控制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τ0T0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控制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选择被控变量选择控制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选择被控变量选择控制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不会影响控制质量控制变量的选择原则选择被控变量选择控制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控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。控制变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择控制变量，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。在选择控制变量时，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。物料平衡除外！应尽量使干扰作用点靠近调节阀处被选择的控制变量应对装置中其它控制系统的影响和关联较小选择被控变量选择控制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根据稳态性质选择控制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控制变量：热物料温度热物料的流量液氨的流量气氨的回气压力热物料流量F对冷物料出口温度T的放大系数为：11000k0.3温度变化的百分数流量变化的百分数12-0＝30-1050-0气氨回气压力P对冷却器物料出口温度T的放大系数为：21000k1.6温度变化的百分数压力变化的百分数12-0＝275-245400-0根据动态性质选择控制变量乳化物高位槽过滤器12(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选择被控变量选择控制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2.2.4测量滞后对控制质量的影响及测量信号的处理测量滞后对控制质量的影响测量元件时间常数的影响测量元件纯滞后时间的影响τ0＝ι1ι2V1V2+一般是由于测量元件安装位置引起的选择被控变量选择控制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选择快速测量元件。正确选择测量元件的安装位置。在自动控制系统中，以温度测量元件和成分分析的取样装置所引起的测量滞后为最大。通常测量单元件应选择在最具代表性，响应最灵敏、最迅速的位置安装，应避免将其安装在死角或易挂料结焦的地方。分析取样则应在温度比较稳定，离设备较近之处，尽量减小纯滞后。正确使用微分器。正确使用微分器，合理引入微分特性的超前作用，对克服测量滞后，改善控制质量是一种有效的方法。。(TdS+1)KmTmS+1Y(S)Z(S)U(S)测量、变送装置与微分器连接示意图克服测量滞后的几种方法选择被控变量选择控制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测量信号的处理滤波：克服随机干扰信号中位值滤波算术平均滤波递推平均滤波加权递推平均滤波一阶惯性滤波()(1)()(1)ynxnyn线性化处理1TS+1输入输出一阶惯性低通滤波环节选择被控变量选择控制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2.2.5负荷变化对控制质量的影响及调节阀的选择负荷变化使得被控对象特性发生变化，对控制质量产生影响。可以通过选择不同结构的调节阀，利用调节阀的流量特性来克服负荷变化带来的影响。原理：利用调节阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使广义对象的放大系数基本保持不变或近似不变，从而达到较好的控制效果基本的控制规律调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf在该控制系统中，被控变量由于受扰动f（如生产负荷的改变，上下工段间出现的生产不平衡现象等）的影响，常常偏离给定值，即被控变量产生了偏差：控制器接受了偏差信号e后，按一定的控制规律使其输出信号u发生变化，通过执行器改变操纵变量q，以抵消干扰对被控变量y的影响，从而使被控变量回到结定值上来。问题：被控变量能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经过多长时间回到给定值上来？这不仅与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性有关。只有熟悉了控制器的特性，才能达到自动控制的目的。2.2.6控制规律的选择•调节规律调节器产生控制信号的作用叫作调节作用。调节作用所遵循的数学规律称为调节规律（又叫作调节器特性）。调节器特性：输出信号与输入信号之间随时间变化的关系。U——输出。调节器送往调节阀的信号e——偏差，数值上等于测量值减给定值调节规律：非连续——位式连续——PROPORTION/INTEGRAL/DERIVATION()(()())(())utfztxtfet控制规律f（·）＋－z(t)x(t)e(t)u(t)控制规律：控制器的输出信号随输入信号(偏差)变化的规律也称为调节规律()(()())(())utfztxtfet强调：如果，则控制器称正作用控制器；反之，，则称反作用控制器()()ztut()()ztut基本控制规律：位式控制（双位控制较常用）比例作用(Proportional)积分作用(Intergral)微分作用(Derivative)工业上（最）常用的控制规律：双位控制纯比例控制P比例积分控制PI比例微分控制PD比例积分微分控制PID。一个控制系统主要包括二类基本环节：调节器和广义对象。广义对象在控制系统中属于固定因素，当系统设计好以后，广义对象特性也就被确定下来；在整个控制系统中的控制作用主要是通过调节器来实现的，而调节器真正实现控制的本质在于选择合适的调节规律。不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求来选用适当的控制规律。如选用不当，不但不能起到好的作用，反而会使控制过程恶化，甚至造成事故。基本的控制规律双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，调节器输出只有2个固定的数值，即只有2个极限位置，其基本的控制规律可描述为：maxmine(t)0()e(t)0uutu当打开当关闭－x(t)z(t)e(t)p(t)+pmaxpmin这是一种理想的双位控制，请问这种理想的双位控制策略能否直接由于实际工业现场的控制？双位控制双位控制控制器罐压力变送器排放电磁阀例如：某压力控制系统，控制设定值为100KPa，当罐内压力刚好达到100KPa时，调节器输出为0，电磁阀关；罐内压力稍稍大于100KPa时，调节器输出为1，电磁阀开，排除气体降低系统压力，此时罐内压力马上又小于设定值100KPa，电磁阀关，内部压力马上又会重新升高，大于100KPa，调节器输出为1，电磁阀开······，这样调节器输出在0与1之间不断变化，电磁阀也在“开”和“关”二个状态上不停的动作。这种现象在实际工业系统中是绝对不允许的，因为任何一种设备都有一定的使用寿命，电磁阀的使用寿命一般在10万～50万次。任何正常工作的仪表都是根据输入变化之后输出才会有动作的。而所有的仪表都会有它的不灵敏区（程度不同而已）。在仪表的不灵敏区内，输入信号已经给出，但仪表的输出并不会立即变化。这种现象即我们在前面提到的滞后现象。如果把仪表的不灵敏区人为扩大，即称为仪表的中间区。日本控制工程专家绪方胜彦是这样定义中间区的：开、关动作之前，误差信号的变化范围。双位控制双位控制（有中间区）如果把双位特性调整为：带中间区的双位调节1P110()0190P1100P90ut或－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumin△u显然，中间区的存在使得执行机构的动作周期加大，被控变量的变化范围更大，但设备动作的周期也更大。如果工艺允许，这样既延缓了设备的寿命，同样也可以满足工艺要求。这就是工业上经常采用具有双位调节规律控制被控对象的原因。双位控制——总结由于位式控制的执行器是从一个固定位置到另一个固定位置所以整个系统不可能保持在一个平衡状态被控变量总在设定值的附近波动，其过渡过程是持续的等幅振荡滞回区间的大小影响振荡频率。振荡频率低，控制质量差；振荡频率高，影响执行器的使用寿命。位式控制的特点：简单、过渡过程是振荡的位式控制的适用范围：时间常