單回路控制系統(tǒng)原理

1、單回路控制系統(tǒng)原理一、過程控制的特點(diǎn)與其它自動控制系統(tǒng)相比，過程控制的主要特點(diǎn)是：1、系統(tǒng)由工業(yè)上系列生產(chǎn)的過程檢測控制儀表組成。一個(gè)簡單的過程控制系統(tǒng)是由控制對象和過程檢測控制儀表（包括測量元件，變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥）兩部分 組成。如圖1:液位控制系統(tǒng)J Q1洛2Kc：Kv：Ko:Km：調(diào)節(jié)器的靜態(tài)放大系數(shù) 調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)放大系數(shù) 被控對象的靜態(tài)放大系數(shù) 變送器的靜態(tài)放大系數(shù)2、被控對象的設(shè)備是已知的，對象的型式很多，它們的動態(tài)特性是未知的或者是不 十分清楚的，但一般具有慣性大，滯后大，而且多數(shù)具有非線性特性。3、控制方案的多樣性。有單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)；有線性系統(tǒng)、有非線 性系統(tǒng)

2、、；有模擬量控制系統(tǒng)、有數(shù)字量控制系統(tǒng)，等等。這是其它自動控制系統(tǒng)所 不能比擬的。4、控制過程屬慢過程，多半屬參量控制。即需對表征生產(chǎn)過程的溫度、流量、壓力、 液位、成分、PH等進(jìn)行控制。5、 在過程控制系統(tǒng)中，其給定值是恒定的（定值控制），或是已知時(shí)間的函數(shù)（程 序控制）?？刂频闹饕康氖窃谟谌绾螠p少或消除外界擾動對被控量的影響。工業(yè)生產(chǎn)要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，首先必須熟悉生產(chǎn)過程，掌握對象特點(diǎn)；同 時(shí)要熟悉過程參數(shù)的主要測量方法，了解儀表性能、特點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和反 饋控制理論的分析方法，合理正確地構(gòu)建過程控制系統(tǒng)；并且通過改變調(diào)節(jié)儀表的PID 特性參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。過程控制系

3、統(tǒng)的品質(zhì)是由組成系統(tǒng)的對象和過程檢測儀表各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)所決定的。二、 單回路控制系統(tǒng)原理如圖 1 所示單回路控制系統(tǒng)由對象、 測量變送器、 調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等環(huán)節(jié)組成。 由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 投資少， 易于調(diào)整、投運(yùn)，又能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求， 所以應(yīng)用十分廣泛。單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則同樣適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制方案的設(shè)計(jì) 和調(diào)節(jié)器整定參數(shù)值的確定，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要內(nèi)容。如果控制方案設(shè)計(jì)不 正確，僅憑調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是不可能獲得較好的控制質(zhì)量的；反之，如果控制方 案設(shè)計(jì)很好，但是調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不合適，也不能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。1、 選擇被控參數(shù) 對于一個(gè)生產(chǎn)過程來

4、說，影響正常操作的因素是很多的，但是，并非對所有影 響因素都需要加以控制。選擇被控參數(shù)的一般原則為：1 、選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)等具有決定性 作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。2 、當(dāng)不能用直接參數(shù)（如測量滯后過大）作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)與直 接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。3 、被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度。4 、被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的合理性和所采用儀表的性能。即 P（t ）到 y（t ）。即 f （t ）到 y（t ）。使被控參數(shù)偏離給定值。2、選擇控制參數(shù) 若生產(chǎn)工藝有幾種控制參數(shù)可供選擇，一般希望控制通道克服擾動的校正能

5、力 要強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)應(yīng)比擾動通道快?？刂仆ǖ溃菏侵刚{(diào)節(jié)作用與被控參數(shù)之間的信號聯(lián)系。擾動通道：是指擾動作用與被控參數(shù)之間的信號聯(lián)系。擾動作用是由擾動通道對對象的被控參數(shù)產(chǎn)生影響的， 引入控制作用的目的是為了克服擾動作用的影響，使被控參數(shù)恢復(fù)和保持在給定值 上。而控制作用是由控制通道對對象的被控參數(shù)施加影響，抵消擾動作用。選擇控制參數(shù)的一般原則為：1 、選擇控制通道的靜態(tài)放大系數(shù) K0 要適當(dāng)大一些，時(shí)間常數(shù) T0 應(yīng)適當(dāng)小一 些，純滯后時(shí)間T 0則越小越好。2 、選擇擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù) Kf 應(yīng)盡可能小，時(shí)間常數(shù) Tf 應(yīng)大些，擾動 引入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)越遠(yuǎn)，即越靠近調(diào)節(jié)閥，控制質(zhì)量越好

6、。3 、當(dāng)控制通道由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)組成時(shí)，為了提高系統(tǒng)的性能，應(yīng)盡量拉 開各個(gè)時(shí)間常數(shù)。4 、應(yīng)注意工藝上的合理性。3、系統(tǒng)中的測量及信號傳遞問題 在過程控制系統(tǒng)中，測量變送環(huán)節(jié)起著信息獲取和傳送作用。在具體分析測量 變送環(huán)節(jié)對控制質(zhì)量的影響時(shí)，經(jīng)常碰到測量、變送和信息傳送中的滯后問題。因 為它會引起控制指標(biāo)的下降，系統(tǒng)失調(diào)，甚至產(chǎn)生事故。測量變送中的滯后包括測 量滯后，純滯后和信息傳送滯后等，這些滯后均與測量元件本身的特性、元件安裝 位置的選擇和信息傳送的方法有關(guān)。A測量滯后測量滯后是測量元件本身的特性所引起的動態(tài)誤差。例如用熱電偶或熱電阻測 量溫度時(shí)，由于其保護(hù)套管存在著熱阻和熱容，因而

7、具有一定的時(shí)間常數(shù)，測溫元 件的輸出信號總是滯后于被控參數(shù)的變化，引起被控參數(shù)的測量值與真實(shí)值之間產(chǎn) 生動態(tài)誤差，從而造成控制質(zhì)量下降。為了克服測量滯后的不良影響，在系統(tǒng)可以采用以下措施：1 、合理選擇快速測量元件。2 、正確使用微分環(huán)節(jié)。B、純滯后 純滯后往往是由測量元件的安裝位置不當(dāng)而引入的。在生產(chǎn)過程中，溫度測量 和成分分析最容易引入純滯后。微分作用對于純滯后是無能為力的。為了克服純滯后的影響，只有合理選擇測 量元件的安裝位置，盡量減小純滯后。當(dāng)過程參數(shù)測量引起的純滯后較大時(shí)，單回 路控制系統(tǒng)很難滿足生產(chǎn)工藝要求，應(yīng)考慮其它控制方案。C信息傳送滯后 測量信息傳送滯后，主要是指氣動單元組合

8、儀表的輸出信號在管路中傳送所造 成的滯后。為了克服信號傳送滯后，可采用以下措施：1 、用氣電和電氣轉(zhuǎn)換器，將氣壓信號轉(zhuǎn)換為電信號再傳送。2 、在氣壓信號管路上設(shè)置氣動繼動器或氣動閥門定位器，以增大輸出功率， 減少傳送滯后。4、控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律有比例（P）、積分（I ）、微分（D）這三種基本規(guī)律及其各種 組合。比例調(diào)節(jié)（P）:依據(jù)偏差的大小來動作，其輸出與輸入偏差的大小成正比。比 例調(diào)節(jié)及時(shí)、有力、但有余差。積分調(diào)節(jié)（Ti、：依據(jù)偏差是否存在來動作，它的輸出與偏差對時(shí)間的積分成比 例，只有當(dāng)余差消失時(shí)，積分作用才會停止。積分的作用是消除余差，但積分作用 使最大動偏差增大，延長了調(diào)節(jié)

9、時(shí)間。積分時(shí)間越小表明積分作用越強(qiáng)，積分作用 太強(qiáng)時(shí)會引起震蕩。 積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成 PI 或 PID 控制。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但積分控制通 常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 Ti 太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定； Ti 偏小，震蕩次數(shù)較多； Ti 太大 對系統(tǒng)性能的影響減少。微分調(diào)節(jié)（Td）:依據(jù)偏差變化速度來動作，它的輸出與輸入偏差變化的速度成 比例，其作用是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，對滯后大的對象有 很好的效果。它可以克服調(diào)節(jié)對象的慣性滯后、容量滯后，但不能克服調(diào)節(jié)對象的 純滯后。常用控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)：時(shí)間常數(shù)一般較大，為幾分

10、鐘到幾十分鐘。溫度控制系統(tǒng)的純 滯后一般也較大。為了改善溫度控制系統(tǒng)的品質(zhì)，測量元件應(yīng)選用時(shí)間常數(shù)小的元 件，并盡可能的安裝在測量純滯后小的地方，調(diào)節(jié)器一般選用PID調(diào)節(jié)器，適當(dāng)引入微分作用， 可以加快調(diào)節(jié)作用， 改善因系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較大對控制系統(tǒng)造成的影響。壓力控制系統(tǒng)：氣體壓力對象基本上是單容的，時(shí)間常數(shù)與系統(tǒng)容積成正比， 一般為幾秒鐘到幾分鐘， 調(diào)節(jié)器常選用 PI 調(diào)節(jié)器，積分時(shí)間一般為幾十秒到幾分鐘； 液體壓力對象具有不可壓縮性，時(shí)間常數(shù)很小，通常為幾秒鐘，同時(shí)對象的純滯后 時(shí)間很小，調(diào)節(jié)過程中被控變量的振蕩周期很短。調(diào)節(jié)器常選用 PI 調(diào)節(jié)器。流量控制系統(tǒng)：流量對象時(shí)間常數(shù)很小，一般為

11、幾秒，對象的純滯后時(shí)間也很 小，調(diào)節(jié)過程中被控變量的振蕩周期也很短。調(diào)節(jié)器常選用PI調(diào)節(jié)器。液位控制系統(tǒng)：一個(gè)設(shè)備或儲罐的液位，代表了其流入量和流出量差的累積。 調(diào)節(jié)器常選用P或PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法有響應(yīng)曲線法、臨界比例度法、衰減曲線法和現(xiàn)場 經(jīng)驗(yàn)法。在現(xiàn)場我們使用的是現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)法來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。對于由比例調(diào)節(jié)器構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，其整定參數(shù)只有一個(gè)比例度此時(shí) 只需將比例度S由大逐漸調(diào)小，觀察系統(tǒng)過渡過程曲線，直到認(rèn)為其曲線達(dá)到最佳 為止。對于由比例積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，其整定參數(shù)有比例度S和積分時(shí) 間Ti。此時(shí)，首先將Ti按純比例作用整定調(diào)節(jié)器的

12、比例度，使其得到較好的過渡過程曲線。然后，把比例度放大約倍，再引入積分作用并將積分時(shí)間從大到小 進(jìn)行調(diào)整，使其得到較好的過渡過程曲線。最后，在這個(gè)積分時(shí)間下，再改變比例 度,觀察其曲線變化情況，如曲線變化，就按此方向再整定比例度；如曲線無變化， 可將比例度再減小一點(diǎn)，改變積分時(shí)間，觀察曲線是否變化。這樣反復(fù)多次，直到 認(rèn)為其曲線達(dá)到最佳為止。對于由比例積分微分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，先使微分時(shí)間Td=O,再按上述比例積分調(diào)節(jié)器的整定方法，得到較滿意的過渡過程曲線，然后引入微分作用， 使微分時(shí)間由小到大進(jìn)行調(diào)整，逐步湊試，直到得到最佳整定參數(shù)值5、調(diào)節(jié)閥特性的選擇調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)中的一個(gè)重

13、要組成環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)閥的選擇主要是流量特性 的選擇、流通能力的選擇、結(jié)構(gòu)形式的選擇和開關(guān)形式的選擇。應(yīng)根據(jù)對象特性、 負(fù)荷變化情況和生產(chǎn)工藝的要求出發(fā)，來確定所需要的調(diào)節(jié)閥。主要介紹氣動調(diào)節(jié)閥，正確選用氣動調(diào)節(jié)閥應(yīng)考慮工藝操作條件（溫度、壓力、 流量、介質(zhì)特性等）和過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量要求。調(diào)節(jié)閥對通過的流體流量的控制是基于改變閥芯與閥座之間的流通截面大小， 即改變其阻力大小來達(dá)到的。所以，從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來看，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻 力可以變化的節(jié)流元件。A、調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑 D和閥座直徑d來表示。D和d是根據(jù)計(jì)算出來 的流通能力C來選擇。流通能力C表示調(diào)節(jié)閥的容量，其定義為

14、：調(diào)節(jié)閥全開，閥前、閥后壓差為流 體重度為1g/cm3時(shí)，每小時(shí)通過閥門的流體流量 m3數(shù)。C =_r/ (pi-p2)式中：r 流體重度；Q流體的體積流量Pl-P2調(diào)節(jié)閥前后壓差根據(jù)調(diào)節(jié)所需的物料量 Qmax Qmin流體重度r及調(diào)節(jié)閥上的壓降pi-p2可以求得 最大流量、最小流量時(shí)的Cmax和Cmin值。根據(jù)Cmax在所選用產(chǎn)品型式的標(biāo)準(zhǔn)系 列中，選取大于Cmaxfi，并最接近一級的C值。B氣開、氣關(guān)的選擇氣動調(diào)節(jié)閥分氣開、氣關(guān)兩種。有控制氣壓信號（即有輸出信號）時(shí)閥開、無 控制氣壓信號時(shí)閥關(guān)叫氣開式；有控制氣壓信號（即有輸出信號）時(shí)閥關(guān)、無控制 氣壓信號時(shí)閥開叫氣關(guān)式。123 C、在具體

15、選用調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式時(shí)，應(yīng)考慮以下情況、考慮事故狀態(tài)時(shí)人身和工藝設(shè)備的安全、在事故狀態(tài)下減少生產(chǎn)原料或動力的消耗浪費(fèi)，以及保證產(chǎn)品質(zhì)量。、考慮介質(zhì)的性質(zhì)（防止物料結(jié)晶、凝固和堵塞）調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門相對開度之間的關(guān)系。 從過程控制的角度來看，調(diào)節(jié)閥最重要的特性是它的流量特性。因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥的特性 對整個(gè)過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)有很大的影響。不少控制系統(tǒng)工作不正常，往往是由于 調(diào)節(jié)閥的特性選擇不合適，或者是閥芯在使用中受腐蝕、磨損使特性變壞引起的。調(diào)節(jié)閥的理想流量特性， 就是在調(diào)節(jié)閥前后壓差一定的情況下得到的流量特性。它取決于閥芯的形狀，閥芯的形狀有快

16、開、直線、拋物線和等百分比四種。而在生 產(chǎn)過程中，經(jīng)常用的有直線、等百分比和快開三種。拋物線流量特性一般可用等百 分比特性來代替，快開特性常用于程序控制及二位式控制中。因此調(diào)節(jié)閥流量特性 的選擇實(shí)際是直線與等百分比流量特性的選擇。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇的原則：1 、當(dāng)對象的放大系數(shù)為線性時(shí)，應(yīng)選擇直線流量特性調(diào)節(jié)閥，否則就選擇等 百分比流量特性調(diào)節(jié)閥2 、在負(fù)荷變化較大的場合，選擇等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥為宜。這是因?yàn)榈?百分比流量特性調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是隨閥芯位移的變化而變化的，其流量變化率恒 定，所以，能適應(yīng)負(fù)荷的變化情況。3 、當(dāng)調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開度時(shí)，宜選擇等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥。這是因

17、為直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度情況下，流量變化率很大，不宜進(jìn)行微調(diào)。D調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式和材料可根據(jù)不同的工藝操作條件和使用要求（如溫度、壓 力、介質(zhì)的物理、化學(xué)特性）來選用。常見幾種調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)：1 、直通單座調(diào)節(jié)閥： 閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯和一個(gè)閥座。 特點(diǎn)是泄露量小， 不平衡 力大。適用于對泄露量嚴(yán)格要求、壓差較小的場合。2 、直通雙座調(diào)節(jié)閥： 閥體有二個(gè)閥芯和閥座。 它與同口徑的單座調(diào)節(jié)閥相比， 流 通能力約大 2025%。其優(yōu)點(diǎn)是允許壓差大，缺點(diǎn)是泄露量大。適用于閥兩端壓差較 大，泄露量要求不高的場合。不適用于高粘度和含纖維的場合。3 、套桶型調(diào)節(jié)閥 （

18、又叫籠式閥）：閥內(nèi)有一個(gè)圓柱形套筒， 根據(jù)流通能力的大小， 套筒的窗口可分為四個(gè)、 二個(gè)或一個(gè)。 利用套筒導(dǎo)向， 閥芯可在套筒中上、 下移動， 由于這種移動改變了節(jié)流孔的面積，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。優(yōu)點(diǎn)是具有不平衡力小， 穩(wěn)定性好、噪聲低、互換性和通用性強(qiáng)，拆裝、維修方便等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。 缺點(diǎn)是不適用于高溫、高粘度、含顆粒和結(jié)晶的介質(zhì)控制。4 、偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥： 球面閥芯的中心線與轉(zhuǎn)軸中心偏移， 轉(zhuǎn)軸帶動閥芯偏心旋轉(zhuǎn)， 使閥芯向前下方進(jìn)入閥座。其優(yōu)點(diǎn)是具有體積小，重量輕、使用可靠、維修方便、 通用性強(qiáng)，流體阻力小等優(yōu)點(diǎn)，適用于粘度較大的場合，具有較好的使用性能。5 、角形閥：閥體為直角形，其流路簡單，阻力小，適用于高壓差、高粘度、含懸 浮物和顆粒狀物料流量的控制。一般使用于底進(jìn)側(cè)出，此時(shí)調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定性好。但在高壓場合下，為了延長閥芯使用壽命，可采用側(cè)進(jìn)底出，但這時(shí)使用在小開度時(shí)容 易發(fā)生震蕩。6 、調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇 調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇同被控對象的特性以及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式 有關(guān)。被控對象的特性按其作用方向也分為正、 反兩種。當(dāng)調(diào)節(jié)介質(zhì)增加 （或減少） 時(shí)，被控參數(shù)亦增加（或減少） ，此時(shí)稱被控對象為正作用；反之，稱被控對象為反 作用。調(diào)節(jié)閥按其作用方向也有氣開、氣關(guān)