武汉理工大学过程控制第6章

过程控制系统与仪表第6章6.1简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、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。第6章简单控制系统的设计与参数整定TC206后续字母表示仪表功能第1位数字表示工段号后续数字表示仪表序号第1位字母表示被控参数LCTT仪表符号标准过程控制系统与仪表第6章控制系统原理方框图给定值＋－测量变送器控制器执行器对象操作量被控变量干扰热物料载热介质冷物料热交换器TTTC控制系统工艺流程图过程控制系统与仪表第6章6.2简单控制系统设计1.过程控制系统方案设计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。过程控制系统与仪表第6章3.过程控制系统设计的步骤1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型3）确定控制方案包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。4）控制设备选型5）实验（或仿真）验证过程控制系统与仪表第6章6.2.2被控参数与控制变量的选择6.2.2.1被控参数的选择被控变量—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。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：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过程控制系统与仪表第6章例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。LCLTh过程控制系统与仪表第6章例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。热物料载热介质冷物料热交换器TTTC过程控制系统与仪表第6章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。苯—甲苯苯甲苯过程控制系统与仪表第6章该精馏塔的工艺要求是要使塔顶（或塔底）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。苯甲苯苯—甲苯过程控制系统与仪表第6章只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行间接参数控制。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。苯甲苯苯—甲苯过程控制系统与仪表第6章间接控制参数的确定经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。过程控制系统与仪表第6章3、被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上。过程控制系统与仪表第6章6.2.2.2控制变量选择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控制变量或操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。LCTTh过程控制系统与仪表第6章控制变量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量影响变量过程控制系统与仪表第6章对象特性对控制品质影响的分析：1．过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s)—控制器的传递函数；Go(s)—广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s)—扰动通道的传递函数。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－过程控制系统与仪表第6章被控参数y(t)受到设定信号x(t)和干扰信号f(t)的共同影响：000()()()()X()()1()()1()()fcccGsGsGsYssFsGsGsGsGs干扰通道控制通道Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－过程控制系统与仪表第6章代入系统偏差公式中：)()()(sYsXsE将可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一样的。将Gc(s)、Go(s)代入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+­+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000()()()()X()()1()()1()()fcccGsGsGsYssFsGsGsGsGs过程控制系统与仪表第6章)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+++=+=)()1()1)(1()1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+++++­=+­=K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；K0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的闭环稳定性越低。Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。故应选放大系数大的变量作为控制变量。过程控制系统与仪表第6章2．过程（通道）动态特性对控制品质的影响1）干扰通道动态特性对控制品质的影响f()(1)Y(s)()()1()()(1)(1)(1)ffocoofocfGsKTsFsFsGsGsTsTsKKTs干扰通道的惯性因子（Tfs+1）使干扰作用的影响缓慢。Tf越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf越大，控制时最大偏差越小。f()(1)Y(s)()()1()()(1)(1)(1)ffocoofocfGsKTsFsFsGsGsTsTsKKTs过程控制系统与仪表第6章例：某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y()()1()()csFsGsGs0201012100G()G(s)()()()1()()1()()ccsGsFsFsGsGsGsGs过程控制系统与仪表第6章f1(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大——造成动态偏差较大。所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。过程控制系统与仪表第6章因为，τf使干扰对被控变量的影响推迟了τf时间，则控制作用也推迟τf时间，整个过渡过程曲线也推迟时间τf，但控制品质未变。干扰通道纯滞后τf不影响控制质量。f()(1)Y(s)()()1()()(1)(1)(1)ffocoofocfGsKTsFsFsGsGsTsTsKKTs含有e–τfs过程控制系统与仪表第6章2）控制通道动态特性对控制品质的影响tGCGVGO2GFGmfreGO1y控制通道G01的时间常数T01增大，使控制速度变慢，最大偏差增大。G02是控制、干扰共用通道，T02不影响最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)过程控制系统与仪表第6章y2(t)yk(t)tyy1(t)τ01控制通道G01的纯滞后，使控制作用滞后τ01到达，造成控制偏差增大。G02是控制、干扰共用通道，干扰作用滞后τ02产生，但控制作用再滞后τ02到达，同样造成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)2τ02τ02GCGVGO2GFGmfreGO1y过程控制系统与仪表第6章因此，控制通道时间常数T0小一些好。表明控制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。控制通道纯滞后τ0越小越好。τ0会使控制时间延长、最大偏差增大。控制变量的选择原则：1、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。2、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。过程控制系统与仪表第6章例1中，影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和。这两个变量影响力相当，显然，液体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。LCTThQiQo过程控制系统与仪表第6章例2中，影响出口温度的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量等。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量作为控制变量。热物料载热介质冷物料热交换器TTTCQrQiTiTr过程控制系统与仪表第6章例3中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度T灵的因素主要有：TT进料的流量（Q入）、进料的成分（x入）、进料的温度（T入），回流的流量（Q回）、回流的温度（T回），加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度等。过程控制系统与仪表第6章这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素TT过程控制系统与仪表第6章1、蒸汽流量对提馏段温度影响比回流量对提馏段温度影响更迅速、更显著。2、从节能角度来讲，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：TT过程控制系统与仪表第6章6.2.3检测环节、执行器及调节器正负作用选择6.2.3.1传感器、变送器选择1．按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。2．测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)过程控制系统与仪表第6章3．合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后τ0图6.15pH值控制系统图pHTLTLCpHC中和槽贮酸槽l04．测量信号的处理测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。过程控制系统与仪表第6章6.2.3.2执行器的选择1．调节阀工作区间的选择正常工况下，调节阀的开度应在15%～85%区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2．调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。3．调节阀的气开、气关作用方式选择按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。过程控制系统与仪表第6章6.2.3.3调节器正反作用的选择负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。给定值＋－测量变送器控制器执行器对象操作量被控变量干扰过程控制系统与仪表第6章为了说明选择方法，先定义作用方向：当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”；反之，称为“反作用”。按此定义：变送器都是正作用气开阀是正作用，气关阀是反作用被控对象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：正作用：测量值–给定值反作用：给定值–测量值过程控制系统与仪表第6章控制系统中，各个环节的作用方向组合不当的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，反而会破坏生产过程的稳定。因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。偏差控制器执行器对象变送器给定值被调参数干扰—测量值正作用反作用正作用正作用＋过程控制系统与仪表第6章调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。偏差控制器执行器对象变送器给定值被调参数干扰－测量值反作用正作用正作用正作用＋过程控制系统与仪表第6章例1：加热炉出口温度控制系统负反馈验证：设某时刻燃料压力↑→燃料流量↑→炉温↑→出料温度↑→TC输入↑→TC输出↓→阀关小→炉