16 4-2 简单控制系统

过程控制系统运行与维护四川工程职业技术学院电气化教研室第四章压力控制系统4-1压力检测方法及仪表4-2简单控制系统4-3复杂控制系统第四章压力控制系统4-2简单控制系统2-1概述2-2控制方案的设计2-3调节器参数的工程整定4-2简单控制系统2-1概述随着生产过程自动化水平的日益提高，控制系统的类型越来越多，复杂的控制、新型控制方案的应用也日趋广泛。简单控制系统分析、设计方法是其他各类控制系统分析和设计的基础。在选择控制方案时，只有当简单控制系统不能满足控制要求时，才考虑采用其他较复杂的控制方案。简单控制系统研究的问题，在其他各类控制系统中也基本适用。简单控制系统由被控对象、检测变送元件、调节器和执行器等环节组成，是对被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。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稳，或者控制质量要求不太高的场合。单回路控制系统TC冷流体载热体TT换热器简单温度控制系统)(sGv)(sGo)(sGm)(sR)(sE)(sGc)(sQ)(sY)(1sF)(sFn温度控制系统方框图2-2控制方案的设计１、被控变量的选择方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参数。方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化率等。被控变量的选择实例:间接参数法氨合成塔控制合成塔中进行的化学反应LTTM催化剂层深度热点合成塔内温度催化剂层深度与温度关系要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求QNHHN32223１.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变量。2.当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。⑴满足工艺的合理性⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好⑶测量变送装置的滞后小。被控变量的选择原则２、操纵变量的选择从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）被控变量（输出量）当扰动影响被控变量或设定变化时，通过控制通道的调节改变操纵变量，从而克服扰动对被控变量的影响或跟随设定变化。对象静态特性对控制质量的影响设：控制通道放大倍数为ＫＯ扰动通道放大倍数为ＫfＫＯ的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度Ｋf的大小表征了扰动对被控变量的影响程度选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数希望ＫＯ适当大些，以使控制通道灵敏些。设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间为τo时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡时间增长,纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。对象动态特性对控制质量的影响希望Ｔo大小适中，τo越小越好操纵变量的选择原则1）操纵变量应是控制通道放大系数K0较大者。各通道K0的比较应有相同的基础，取操纵变量从工作点改变相同百分数时的相对放大系数，而不是各放大系数的绝对值。2）扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适当小一些。3）控制通道纯滞后时间越小越好，并尽量使扰动远离被控变量。4）需考虑到工艺上的合理和方便。生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，不要选择生产负荷作为操纵变量。３、检测变送环节对控制系统的影响测量变送问题----纯滞后电极酸槽LCACl1中和槽l2τ=2211vlvl1l、2l为主管道，分管道的长度1v2v为主管道，分管道流体的流速测量元件的安装位置（1）纯滞后检测元件在工艺设备上的安装位置必须正确，安装方式必须符合规范，否则将引入纯滞后，使检测量信号不能及时反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。但某些系统因工艺条件的限制，检测点的位置设置不理想，就可能测量引入纯滞后。（2）测量滞后由检测元件时间常数所引起的动态误差，它是由检测元件本身的特性所决定的。例如，测温元件测量温度时，由于存在着热阻和热容，即其本身具有的一定的时间常数，因此测温元件的输出总是滞后于被控变量的变化，从而引起幅值发挥校正作用，因此控制系统的控制质量也将随之下降。（3）信号传递滞后所谓信号传递滞后，主要是指气压仪表信号在管路传递过程中所造成的滞后（电信号传递滞后可忽略不计）。(1)正确选择检测元件的安装位置、选择快速检测元件、正确使用微分环节。(2)尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过300m，管径应大于６mm。或在气路60m距离间加气动继动器，提高气信号传输功率，减小传输时间。(3)采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。克服变送滞后的措施：控制规律的选择原则1.当过程控制通道的时间常数大或多容量引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好的效果，积分作用可以消除余差，因此，可选用PID或PD控制规律。例如，温度过程，若选用PI规律则因积分作用有滞后，致使控制质量差。2.当过程控制通道存在纯滞后，若用微分作用来改善控制质量是无效的。也就是说微分作用对克服纯滞后是无能为力的。3.当过程控制通道的时间常数小，系统负荷变化也较小时，为了消除余差，可以采用PI控制规律，如流量过程。4.当过程控制通道时间常数较小，而且负荷变化很大时，这是采用微分作用和积分作用都易引起振荡。控制系统投运投运-----通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地转到自动工作状态。准备工作：1.详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。2.理解控制系统的设计意图。3.在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。4.设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。5.按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动。控制器作用方向1)确定原则控制器正、反作用形式取决于被控对象、控制阀、变送器等相关环节静态放大系数的符号。过程控制系统要能够正常工作，则组成系统各个环节的静态放大系数相乘必须为负极性，KmK0KvKc0即形成负反馈。2)各环节放大系数符号（1）对象的正、负作用形式K0对象正作用：对象的输入量（操纵变量）增加，其输出量（被控变量）增加，K00。（2）控制阀正、负作用形式Kv控制阀正作用：控制阀是气开式，Kv0。（3）控制器正、负作用形式Kc控制器正作用：控制器测量值增加，其输出量亦增加，Kc0。（4）变送器的作用形式变送器的静态放大系数通常为正，即Km0。3、控制器正反作用确定1.首先选择控制阀的气开、气关形式，确定Kv的符号。2.再根据对象的正、负，确定K0的符号。3.最后，根据KmK0KvKc0，确定了控制器的正、反作用形式。例题图为一精馏塔液位控制系统（1）指出被控变量和操纵变量。被控变量：液位操纵变量：阀门的开度如果液体中有悬浮颗粒，工艺上不允许塔中液体被抽空，确定控制阀的气开、气关形式以及控制器的正、反作用。由于液体中有悬浮颗粒，工艺要求不能把塔中液体抽空，所以控制阀选择气开阀；控制阀为气开形式，为“+”作用；出料量增加时，液位减小，被控对象为“－”作用；检测变送装置的作用为“＋”，根据Ｋv.Ko.Km.Kc＜0，则控制器的作用为“＋”。2-3调节器参数的工程整定控制器的参数整定方法理论计算参数整定法——已知广义对象的数学模型，然后根据系统的各项质量指标要求，通过计算确定的PID参数。现场工程整定法——条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。1）经验法2）衰减曲线法3）临界比例度法4）响应曲线法1、经验法系统参数δ(%)TI(min)TD(min)温度流量压力液面20～6040～10030～7020～803～100.1～10.4～30.5～3方法根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形状，以δ%、TI、TD，对控制过程的规律为指导，调整相应的参数进行凑试，直到合适为止３、衰减曲线法控制器参数控制规律δ(%)TI(min)TD(min)PδSPI1.2δS0.１TSPID0.8δS0.3TS0.1TS方法在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比（4：1）的过渡过程，记下此时的比例度δS及振荡周期TS，根据经验公式，求出相应的积分时间TI和微分时间TD。３、临界比例度法控制器参数控制规律δ(%)TI(min)TD(min)P2ＰKPI2.2ＰK0.85TkPID1.7ＰK0.5Tk0.125Tk4、响应曲线法（根据广义对象的时间特性来整定参数）响应曲线法控制器参数计算表控制器参数控制规律KcTiTdPTP/KPτPPI0.9TP/KPτP3.3τPPID1.2TP/KPτP2τP0.5τP方法将控制器处于“手操”，操作“手操拨盘”使控制输出有个阶跃变化，由记录仪表记下被控变量的记录值Z(t)。在反应曲线拐点Ａ处作一切线，根据切线与初始值及稳态值的交点，就可获得广义对象的三个特征参数KP、TP、τP作业１、控制器作用方向的确定原则是什么？2、常用的调节器参数的工程整定有哪些方法？３、克服变送滞后的措施有哪些？