第6章 简单控制系统

1第3篇过程控制系统第6章简单控制系统第7章复杂控制系统第8章先进控制系统控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—操纵变量自动化仪表“化工仪表自动化”2控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—PID如何选择？气开、气关如何选择？第6章简单控制系统须解决的几个问题：操纵变量如何选择？如何选择？如何构成负反馈？测量仪表如何选择？3第6章简单控制系统什么是简单控制系统？简单控制系统，又称为单回路反馈控制系统，是指由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成的单回路闭环负反馈控制系统。控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—4例：5例：6小结简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行工作的。简单控制系统组成自动化装置各环节的设备数量均为一个，它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。简单控制系统特点具有结构简单、工作可靠、所需自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优点，是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。7控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—PID如何选择？气开、气关如何选择？操纵变量如何选择？如何选择？如何构成负反馈？问题一：被控变量的选择问题测量仪表如何选择？8被控变量的选择可以遵循下面几个原则：1、能直接反映生产过程产量和质量的工艺参数作为被控变量。9例：苯、甲苯二元精馏系统示意图无浓度传感器苯甲苯被控变量的选择可以遵循下面几个原则：2、当不能用直接参数作为被控变量时，选择与直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控变量。10在二元精馏系统中，塔顶易挥发物组分的浓度XD，塔顶温度TD和压力P三者之间有一定关系。当压力恒定时，组分XD和温度TD之间存在单值对应关系。当温度TD恒定时，组分XD和压力P之间也存在单值对应关系。塔压固定有利于生产，所以：选择塔板温度作为间接被控变量。11被控变量的选择可以遵循下面几个原则：3、选择间接参数作为被控变量时，应该具有足够大灵敏度，以便能反映直接指标参数的变化。4、注意控制系统间的关联问题，选择的被控变量应该是独立可调的。解决办法：解耦控制系统12控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—PID参数如何选择？气开、气关如何选择？操纵变量如何选择？如何选择？如何构成负反馈？问题二：操纵变量的选择问题测量仪表如何选择？13选择操纵变量的原则：1．操纵变量必须是可控的。14选择操纵变量的原则：2．操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和生产的经济性。3．操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。（要求调节通道：放大系数K较大，时间常数T较小，纯滞后时间τ越小越好）控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—操纵变量干扰变量15控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—PID如何选择？气开、气关如何选择？操纵变量如何选择？如何选择？如何构成负反馈？问题三：测量仪表如何选择？测量仪表如何选择？16一、测量变送问题对控制质量的影响关键问题：测量变送中的纯滞后问题测量纯滞后是指：被控变量受干扰后，测量环节不能立即检测，而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。造成测量纯滞后的原因有：（1）测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏变化区；（2）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在理想的测量点；（3）成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后；（4）测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后；（5）测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。17二、克服测量变送问题的措施1．选择快速测量元件某化工厂有一反应器，如图6-8所示。工艺要求反应温度在给定值的±3℃以内，产品质量符合要求。用时间常数100秒传感器测温，反应温度在±2℃之内，产品总不合格，说明实际温度波动已超出工艺范围。改用时间常数为5秒热电偶测温，反应温度波动仍在±2℃之内，但产品质量符合要求。182．选好检测点位置检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有代表性的位置。3．正确使用微分单元若测量滞后大，可串接微分单元。4．正确选择、安装和使用测量装置正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小到最低限度，有利于提高控制精度和质量。19控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—PID如何选择？气开、气关如何选择？操纵变量如何选择？如何选择？如何构成负反馈？问题四：执行器如何选择？测量仪表如何选择？20一、阀流量特性的选择21执行器：为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧坏，选用气开式。二、执行器开、闭形式的选择气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具体的生产工艺来决定。例：如图所示加热炉，为保证加热炉的安全，防止加热炉中加热管烧坏。22１．从锅炉安全考虑，防止因给水中断导致锅炉烧坏，应选择２．若考虑锅炉后续透平设备的安全，防止蒸汽带液，应选例：透平设备气关式气开式23执行器：为保护储罐内物料的安全，防止储罐物料全部流走，采用:练习题：气开式24执行器选择几条原则:1、首先要考虑生产的安全。2、有利于保证产品的质量。3、有利于降低原料成本和节能。选择时还需注意两点：1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的选择结果。25控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—PID如何选择？气开、气关如何选择？操纵变量如何选择？如何选择？如何构成负反馈？问题五：控制器PID如何选择？测量仪表如何选择？26一、控制规律的选择1．比例控制规律(P)具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。u是输出变化量，e是输入变化量,Kc为比例放大系数。比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大，控制要求不高，被控变量允许在一定范围内有余差的场合。CueK272．比例积分控制规律(PI)具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器。1()CiueedtKT式中Ti为积分时间。比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。283．比例积分微分控制规律（PID）具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为PID控制器，又称三作用控制器。式中Td为微分时间。适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。1()dCideueedtTdtKT29控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—PID如何选择？气开、气关如何选择？操纵变量如何选择？如何选择？如何构成负反馈？问题六：如何构成负反馈控制系统？测量仪表如何选择？30控制器正反作用的选择判别准则：系统中各环节规定符号的乘积为负，则该系统为负反馈系统。满足判别式：（控制器±）（执行器±）（被控对象±）（变送器±）=（－）31一、各环节正负的定义：执行器：阀门开度随控制器输出信号的增加而增大（气开式）为“+”，开度随控制器输出信号的增加而减小（气关式）为“－”；对象：被控变量随操纵变量的增加而增加为“+”，随操纵变量的增加而减小为“－”；变送器：变送器输出随被控变量的增加而增加为“+”，随被控变量的增加而减小为“－”。通常情况下变送器环节取“+”；32二、控制器正、反作用的确定工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式。控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不同被控对象实现闭环负反馈控制的需要。控制器：控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时，控制器工作于正作用方式为“+”；控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控制器工作于反作用方式为“－”。33执行器—为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为“+”。对象—出口温度随燃料的增加而升高，符号为“+”。变送器—输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“－”，所以应该选择反作用控制器。例1：1，从加热炉安全考虑，防止炉内管线烧裂，选择气开，气关阀？2，选择控制器+-，构成负反馈。34执行器—为了防止在供气中断时物料全部流走，采用了气开式，故符号为“+”。对象—当流出量增加，液位是下降的，符号取为“－”。变送器—输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。例2：1，从储罐安全考虑，为了防止在供气中断时物料全部流走，选择气开，气关阀？2，选择控制器+-，构成负反馈。35执行器—从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧干，应选择气关式，“-”。对象—当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。变送器—输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器—必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。练习题1：1，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧干，选择气开，气关阀？2，选择控制器+-，构成负反馈。36闭环负反馈系统分析：例1：画如图控制系统的方块图？并分析：当被加热的物料量突然增加，控制系统如何克服扰动。温度控制器温度变送器加热炉阀物料温度设定值—燃料气流量37执行器—为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为“+”。对象—出口温度随燃料的增加而升高，符号为“+”。变送器—输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“－”，所以应该选择反作用控制器。闭环负反馈系统分析：例1：画如图控制系统的方块图？并分析：当被加热的物料量突然增加，控制系统如何克服扰动。38温度控制器温度变送器加热炉气开阀物料温度设定值—燃料气流量分析：物料量突然↑物料温度↓温度变送器＋输出信号↓偏差信号↓控制器－输出信号↑气开阀＋开度↑燃料气↑对象＋：物料温度↑闭环负反馈系统分析：例1：画如图控制系统的方块图？并分析：当被加热的物料量突然增加，控制系统如何克服扰动。+++-39在控制系统的设计、安装或检修之后，下步工作是如何将控制系统投运。为了保证控制系统能顺利地一次投运成功，通常涉及到以下几个步骤：1．作好准备工作；2．线路和管路的核查；3．各种自动化仪表的检查；4．测量仪表和执行器的投运；5．手动控制与自动控制的切换。控制器由手动切换到自动后，控制系统便进入自动控制状态。为使控制系统获得最佳效果，需对PID控制器参数进行整定。过程控制系统的投运40PID控制器参数整定可分为两大类：1.理论计算整定法基于被控对象的数学模型计算控制器参数，理论复杂，计算繁冗，所得结果的可靠性依赖于模型精度。2.工程整定法直接在控制回路的实际运行中对控制器参数进行整定，具有简捷、实用和易于掌握的特点。工程整定方法在实际中得到了广泛的应用。41工程整定法1：临界比例度法（l）将积分时间Ti置到最大值（Ti→∞），微分时间TD置为零（TD=0），比例度δ置于适当大的值，使系统在纯比例作用下投入运行。(2)系统稳定后，将比例度δ逐渐减小，直到出现图6-14所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的临界比例度δk和临界振荡周期TK（即两个波峰间的时间间隔）。42(3)根据得到的δk和TK值，采用表6-2中给出的经验公式计算出控制器的整定参数δ、Ti和TD。(4)按照先比例（P）、后积分（I）、再微分（D）的操作顺序将控制器的参数逐一调整到整定值上。然后观察其运行曲线，若还不够满意，可再作进一步微调。43工程整定法2：衰减曲线法（1）置积分时间Ti=∞，微分时间Td=0，比例度δ取一较大值，并将系统投入运行。（2）待系统稳定后，给定值作阶跃变化，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则减小比例度；反之，则加大比例度。如此反复，直到出现如图所示的4∶１衰减振荡过程。记录此时比例度δs和振荡周期Ｔs。44（3）利用δs和Ｔs值，按表6-3给出的经验公式，求出控制器的整定参数δ，Ti和Td。45工程整定法3：经验凑试法经验凑试法是先将控制器的参数设置在某一经验值上（可参考表6-4），然后观察系统在扰动作用下的闭环响应曲线。若曲线不够理想，则以控制器参数对过渡过程的影响为理论依据，对各参数逐一进行调整，直到获得满意的控制质量