化工自动控制-XXXX16

自动控制系统设计简单控制系统简单控制系统是生产过程中最常见、应用最广泛、数量最多的控制系统。它是由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成的单回路控制系统。简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程控制要求，因而应用广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后和时间常数较小，负荷和干扰变化比较平缓或者对被控变量要求不太高的场合。按被控制的工艺变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制。简单控制系统第一节对象特性及过渡过程品质指标一、对象特性根据实践经验的总结得到，除少数元自衡对象以外，大多数对象均可用一阶、二阶、一阶加纯滞后、二阶加纯滞后这四种典型的动态特性来加以近似描述。为了进一步简化，也可以将所有对象都简化为一阶加纯滞后的形式。对于这种理想的一阶加纯滞后的对象，当输入端加一个阶跃干扰时，输出端要经过一段时间才会开始发生变化，其反应曲线如图1-1-1所示。简单控制系统•从加入阶跃干扰的时刻起，到输出开始变化的时刻为止，这段时间就是对象的纯滞后时间τ。•在单位阶跃作用下，当时间趋于无穷大时，对象的稳态输出值就是对象相应于此输入下的放大系数。•时间常数的物理意义是当输入为阶跃干扰时，在对象的输出响应曲线上，从输出量开始变化的起始点作一切线，使该切线与稳态值相交，从输出量开始变化的时刻起，至上述交点A所对应的时刻为止，这一段时间即等于时间常数T的值。图1-1-1单容对象的阶跃响应曲线简单控制系统图1-1-2多容对象的阶跃响应曲线简单控制系统对象的纯滞后时间使调节器改变输出时不能立刻看出它的影响，因而使得它无法提供合适的校正作用，常常造成控制作用过头。因此对调节通道来说，希望它的对象纯滞后时间越小越好。对干扰通道来说，它的纯滞后时间的存在，即相当于干扰的影响要过一段时间才开始起作用，因而调节过程也将在时间轴上往后平移，但不受影响。容量滞后的存在，相当于滤波一样，使调节作用或干扰作用的影响和缓起来，若容量滞后存在于干扰通道，显然是有利于控制的。简单控制系统二、过渡过程品质指标衰减比B1／B2余差C最大偏差A过渡过程时间TS振荡周期T图1-1-3一个控制系统的过渡过程简单控制系统第二节被控变量及操纵变量的选择一、被控变量的选择对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量，或者人工操作过于频繁、紧张，难以满足工艺要求的工艺变量，作为被控变量。而作为产品质量控制的成分往往找不到合适的、可靠的在线分析仪表，因而常常采反应器的温度、精馏塔某一块灵敏板的温度或温差来代替成分作为被控变量。这个间接的被控变量――温度或温差，只要与成分有对应关系，并且有足够的灵敏度，则完全是合适的。这种做法在石油化工生产中是常见的，并且是一个行之有效的好办法。简单控制系统第二节被控变量及操纵变量的选择二、操纵变量的选择•首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变；•选上的操纵变量的调节通道，它的放大系数要大，这样对克服干扰较为有利；•在选择操纵变量时，应使调节通道的时间常数适当小一些，而干扰通道的时间常数可以大一些；•选上的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小，不会对其他控制系统的运行产生较大的干扰简单控制系统第三节滞后对控制系统的影响定值控制系统的特点是能适应给定值和扰动两者的变化，使被控变量趋向于给定值。但在控制系统的一些环节中存在滞后时将严重影响调节过程的品质。如在测量变送单元中存在滞后，它就不能将被控变量的变化及时地、如实地送到调节器，使调节器仍按过时的信号来工作，导致过渡过程时间加长，超调量增加。如果调节器输出的气动信号管路过长，调节阀膜头上的空间容积较大，这样必然使调节阀动作迟缓，不能及时产生校正作用，同样会使调节品质变坏。简单控制系统第三节滞后对控制系统的影响常用措施•合理选择测量元件的安装位置，减少测量变送单元的纯滞后（工艺）•选取小惰性的测量元件，减少时间常数（仪表）•采用气动继电器，阀门定位器（仪表）•从控制规律上采取措施（自控）简单控制系统第四节调节阀的可调比可调比的定义调节阀的可调比是指调节阀所能控制的最大流量和最小流量的比例，用R来表示理想可调比R当调节阀工作在理想状态，即阀门两端的压降恒定不变时，它的可调比称为理想可调比常用的调节阀理想可调比R为30～50。简单控制系统第四节调节阀的可调比实际可调比R实串联管道时如图31-13所示，调节阀与工艺管道相串联，如系统总的压降△p为恒定，则在最大流量Qmax时，管道压降△p管为最大，因而阀上压降△p阀必定为最小；在最小流量Qmin时，管道压降△p管为最小，阀上压降△p阀为最大。图1-4-1调节阀与工艺管道相串联简单控制系统第四节调节阀的可调比若用S来表示调节阀全开时阀上压降与系统总压降之比，即•显然调节阀全关时阀上压降△Pmax近似于系统的总压降△P，这样简单控制系统第四节调节阀的可调比并联管道时图1-4-2调节阀与工艺管道相并联复杂控制系统第一节串级控制系统图2-1-1管式加热炉出口温度串级控制系统图一、典型串级控制系统及其方框图复杂控制系统第一节串级控制系统图2-1-2串级控制系统的方框图Gc-调节器的传递函数；Gv-调节阀的传递函数；Go-被控对象的传递函数；Hm-测量变送单元的传递函数r-给定值；C-测量值；复杂控制系统第一节串级控制系统二、串级控制系统的特点串级控制系统从总体上来看仍然相当于一个定值控制系统，但由于它在结构上增加了一个随动的副回路，因此具有如下两个特点。•对于克服副回路的干扰有较强的能力•对于克服主回路的干扰也有好处复杂控制系统第一节串级控制系统三、串级控制系统的设计原则１．副回路应力求包括主要的干扰，即变化频繁、幅度较大的干扰，如有条件还应尽可能包括其他次要的干扰，这样能充分发挥副回路的作用，把影响主被控变量的干扰作用抑制到最低程度。２．应使主、副对象的时间常数有合适的搭配，一般希望主对象的时间常数为副对象时间常数的3~4倍，这样可以避免主、副回路互相影响，产生共振现象，也便于调节器的参数整定。３．副回路的构成应考虑它在工艺上的合理性。４．在串级控制系统中，主、副调节器的工作性质不一样，主调节器起定值控制的作用，而副调节器起随动控制的作用；主被控变量一般不允许有余差，而副被控变量往往允许在一定范围内波动。复杂控制系统第二节比值控制系统一、几种常见的比值控制方案1、单闭环比值按制系统图2-2-1单闭环比值控制系统复杂控制系统第二节比值控制系统2、双闭环比值控制系统图2-2-2双闭环比值控制系统复杂控制系统第二节比值控制系统3、串级比值控制系统图2-2-3氧化炉温度氨空比串级控制系统1-过滤器；2-氧化炉；3-预热器；4-鼓风机；5-混合器复杂控制系统第二节比值控制系统4、带逻辑提量的比值控制系统图2-2-4带逻辑提量的串级比值控制系统1－低选器；2－高选器；3－适配器；4－反作用调节器；5－汽包；6－蒸汽锅炉复杂控制系统第二节比值控制系统二、主、从被控变量的选择在一个比值控制系统中，由于主被控变量的变化，可以通过比值控制使从被控变量发生相应的成比例的变化，而从被控变寰的变化却不能反过来，使主被控变量发生丝毫的变化，因而就应从安全的角度出发来选择主、从被控变量。复杂控制系统第三节均匀控制系统图2-3-1脱丙烧塔的出料直接作为脱丁烧塔的进料复杂控制系统第三节均匀控制系统一、均匀控制的目的和任务均匀控制要完成的任务就是保持塔釜的液位或者容器的压力在一定的控制范围以内，同时又要兼顾到它所操纵的流量，让它逐步地、平滑地变化，不至于影响下一个设备的操作。显然均匀控制既不是要严格保持液位在某一个给定值上，也不是严格控制流量在另一个给定值上，而是要兼顾液位和流量的矛盾，让它们都在各自要求的控制范围内变化。对这个控制范围，不同的工艺过程要求不一样，有的严，有的宽。根据不同的要求可以设计不同复杂程度的均匀控制系统。复杂控制系统第三节均匀控制系统二、均匀控制方案的实施1.简单均匀控制系统图2-3-1中脱丙烧塔塔釜的液位控制系统是简单均匀控制系统。从外表上看，它与单纯液位控制系统没有任何差别，但根据它们完成的任务不同，主要的差别在于液位测量变送器量程的确定，以及调节器的选择与参数的整定上。复杂控制系统第三节均匀控制系统2.串级均匀控制系统图2-3-2乙烯精馏塔回流罐液位串级均匀控制系统1－乙烯精馏塔；2－回流罐复杂控制系统第三节均匀控制系统3.双冲量均匀控制系统图2-3-3双冲量均匀控制系统图中有一个加法器，加法器的输出等于液位测量信号减去流量测量信号，再加上一个固定偏置信号C，把加法器的输出送到流量调节器，作为流量控制的测量值。调节可调偏置C，使稳态时的液位L和流量F都为工艺要求的值。复杂控制系统第四节分程控制系统一、分程控制系统的基本概念和应用场合在简单控制系统中，一个调节器的输出只带动一个调节阀。而在分程控制系统中，一个调节器的输出去带动两个或两个以上的调节阀工作，每个调节阀仅在调节器输出的某段信号选围内动作。分程控制在石油化工生产中主要应用在下列场合复杂控制系统第四节分程控制系统１、能适应工艺要求，采用两种或多种手段、介质来进行控制图2-4-1反应器温度与夹套温度串级／分程控制系统图复杂控制系统第四节分程控制系统2、满足工艺生产不同负荷和开、停车过程对自控的要求图2-4-2去一段炉烧嘴燃料气压力分程控制系统3、扩大调节阀的可调比复杂控制系统第四节分程控制系统二、设计分程控制系统时应注意的问题１、调节阀的泄漏量当分程控制系统的目的是用于扩大调节阀的可调比时，一个口径较大的阀与一个口径较小的阀并联在一起工作，如果大阀全关后实际泄漏量过大时，小阀在小开度时将不能起调节作用，达不到理论计算所得出的扩大可调比的倍数。２、在分程控制的信号接合部流量会产生跳变复杂控制系统第五节自动选择性控制系统图2-5-1选择反应器热点温度的控制系统复杂控制系统第五节自动选择性控制系统图2-5-2用于两个反应器负荷平衡控制的阀位开度选择性串级控制系统复杂控制系统第六节前馈控制系统一、反馈控制的特点前面所提到的各类控制系统中，调节器都是按给定值与测量值之差，即按偏差来进行工作的，这就是根据反馈原理工作的控制系统。但是在一些纯滞后时间长、时间常数大、干扰幅度大的对象中，反馈控制的品质往往不能令人满意，究其原因，主要还是为反馈控制本身的特点所决定。这些特点是：１、反馈控制的性质本身意味着必须存在被控变量的偏差方能进行控制，因而是不完善的；２、调节器必须等待被控变量偏离给定值后才开始改变输出，对纯滞后时间长、时间常数大的对象，它的校正作用起步较晚，并且对应一定幅值的干扰，它不能立即提供一个精确的输出，只是在正确的方向上进行试探，以求得被控变量的测量值与给定值相一致，这种尝试的方法就导致了被控变量的振荡；３、如果干扰的频率稍高，这种尝试的方法由于来回反复试探，必然使系统很难稳定。复杂控制系统第六节前馈控制系统二、前馈控制适用的场合为：１、当对象的纯滞后时间特别大，时间常数特别大或者特别小，采用反馈控制难以得到满意的调节品质时；２、干扰的幅度大，频率高，虽然可以测出，但受工艺条件的约束，例如工艺生产的负荷；３、某些分子量、粘度、组分等工艺变量，往往找不到合适的检测仪表来构成闭合的反馈控制系统，此时只能采取对主要干扰加以前馈控制的方法，来减少或消除干扰对它们的影响。复杂控制系统第六节前馈控制系统图2-6-1热交换器的前馈－反馈控制系统复杂控制系统第六节前馈控制系统图2-6-2把蒸汽流量前馈移到给定回路中去的汽包液位三冲量控制系统复杂控制系统其他复杂控制采用计算单元的控制系统：非线性控制系统采样控制系统模糊控制系统解耦控制系统预测控制系统多输出控制系统自适应控制系统极值控制系统最优时间控制系统典型生产单元的控制方案第一节流体输送设备的控制图3-1-1电机泵调速典型生产单元的控制方案第一节流体输送设备的控制图3-1-2直接节流法控制流量典型生产单元的