藍(lán)星儀表及自動控制基礎(chǔ)知識

1、化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 儀表及自動控制基礎(chǔ)知識儀表及自動控制基礎(chǔ)知識 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.1 1.1 控制的基本概念控制的基本概念 煉油化工生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)和變量都是通 過各種儀表來測量，并以此來進(jìn)行工藝操作和穩(wěn) 定生產(chǎn)。測量的準(zhǔn)確性關(guān)系到工藝操作的平穩(wěn)和 生產(chǎn)人員、設(shè)備的安全。 學(xué)習(xí)并掌握儀表的相關(guān)知識對成為一名合格的 操作人員非常有必要。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本儀表基本概念概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.1.11.1.1 儀表誤差的概念儀表誤差的概念 任何先進(jìn)的測量方法，任何準(zhǔn)確的測量儀器， 均不可能使測量的誤差等于零。誤差自始自終存

2、 在于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和測量的過程之中。 1.測量誤差的定義：測量誤差是指測量值與 被測量的真值之差。它有絕對誤差和相對誤差兩 種表達(dá)方式： 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本儀表基本概念概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 （1）絕對誤差：絕對誤差 x是測量值x與其真值x0 之差，即： x=x - x0 絕對誤差是帶符號的變量。(可正可負(fù)） （2）相對誤差：相對誤差 是絕對誤差 x與其真 值x0 之比： 即： 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本儀表基本概念概念 x 0 0 0 x xx x x x 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 （3）引用誤差：它指絕對誤差與測量范圍的上下 限值或量程之比， 即 引用誤差也

3、稱為相對百分誤差，用來表示儀 表的準(zhǔn)確度。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本儀表基本概念概念 %100 minmax xx x x 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 2 2、測量誤差的來源：、測量誤差的來源： （1）測量器具（儀器儀表）本身的結(jié)構(gòu)、工藝、 調(diào)整以及磨損、老化引起的誤差。 （2）測量方法（或理論)不完善，采用近似測量 方法和近似計(jì)算方法所引起的誤差。 （3）測量環(huán)境的各種條件、如溫度、濕度、氣壓、 電場、磁場與振動引起的誤差。 （4）由于觀測者的主觀因素和實(shí)際操作引起的誤 差。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本儀表基本概念概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 3.3.測量誤差的分類測量誤差

4、的分類 分為三類：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。 4. 4.儀表的主要性能指標(biāo)儀表的主要性能指標(biāo) （1）精確度：就是儀表測量值接近真值的準(zhǔn)確程 度通常用引用誤差表示。儀表精確度不僅和絕對誤 差有關(guān)，還和儀表的量程有關(guān)。 精確度是儀表很重要的一個質(zhì)量指標(biāo)，常用精 度等級來規(guī)范和表示。精度等級就是最大引用誤差精度等級就是最大引用誤差 去掉正負(fù)符號和百分比去掉正負(fù)符號和百分比。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本儀表基本概念概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 按國家統(tǒng)一規(guī)定劃分的等級有0.005、0.02、0.05、 0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。數(shù)值 越小，說明儀表的

5、精確度越高。 （2）變差：指儀表被測變量多次從不同方向達(dá)到同 一數(shù)值時(shí)儀表指示值之間的最大差值。變差大小取決 于最大絕對誤差與儀表標(biāo)尺范圍之比的百分比。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本儀表基本概念概念 %100 max 標(biāo)尺下限-標(biāo)尺上限 變差 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 （3）靈敏度:指儀表對被測變量的靈敏程度。定義為 輸出變化增量對輸入變化增量的比值 即： （4）穩(wěn)定性：在規(guī)定工作條件內(nèi)，儀表某些性能隨 時(shí)間保持不變的能力。通常用儀表的零點(diǎn)漂移來衡量 儀表的穩(wěn)定性。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表基本概念儀表基本概念 x L s 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.1.2 1.1.2 常規(guī)控制

6、的概念常規(guī)控制的概念 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 鍋爐汽包水位控制示意圖鍋爐汽包水位控制示意圖 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.1.控制系統(tǒng)的工作原理及組成控制系統(tǒng)的工作原理及組成 上圖的鍋爐水位控制系統(tǒng)中，檢測元件及變送 器（LT)是用來檢測水位高低，當(dāng)水位高度與給定 水位之間出現(xiàn)偏差時(shí)，控制器（LC)就會立刻根據(jù) 偏差的大小、正負(fù)及變化速率去控制給水調(diào)節(jié)閥 的開度，使水位保持在工藝所規(guī)定的范圍之內(nèi)。 從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制。 自動控制系統(tǒng)由被控對象、檢測元件及變送器、 調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥四個部分所組成。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 化工儀表及過程

7、控制化工儀表及過程控制 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 控制控制 系統(tǒng)的方塊圖系統(tǒng)的方塊圖 操縱變量操縱變量 （給水流量）（給水流量） 被控變量被控變量 （水位）（水位） 測量值測量值 設(shè)定值設(shè)定值 比較機(jī)構(gòu)比較機(jī)構(gòu) 擾動擾動 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 閥閥 對象（汽包）對象（汽包） 液位變送器液位變送器 控制作用控制作用 偏差偏差e=Ys-Ym 名詞解釋名詞解釋 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 2 2、自動控制系統(tǒng)的方塊圖、自動控制系統(tǒng)的方塊圖 方塊圖用來表示控制系統(tǒng)的組成和作用。圖中的 每一個方塊代表系統(tǒng)中的一個組成部分，稱做“環(huán) 節(jié)”，兩個方塊之間用一條帶箭頭的線段相聯(lián)系表

8、 示信號的流向。作用于方塊的信號稱為該環(huán)節(jié)的輸 入信號，它送出的信號稱為該環(huán)節(jié)的輸出信號。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 方塊圖上的每一個環(huán)節(jié)代表著一個實(shí)物。方塊之 間帶箭頭的線段表示它們之間信號的聯(lián)系及流向。 任何一個信號只要沿著箭頭方向前進(jìn)，最后都會 回到原來的起點(diǎn)。這種把系統(tǒng)的輸出信號重新返回 到系統(tǒng)輸入端的做法稱為“反饋”。一個穩(wěn)定的控 制系統(tǒng)采用的一定是“負(fù)反饋”。（反饋信號相對 于設(shè)定值取負(fù)值） 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 3.3. 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類 按控制系統(tǒng)的基

9、本結(jié)構(gòu)分類，可以分為閉環(huán)控 制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。 （1）閉環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出信號返回到系統(tǒng) 的輸入端（反饋），對系統(tǒng)起控制作用，整個系 統(tǒng)構(gòu)成了一個閉合的反饋回路，也稱為反饋控制 系統(tǒng)。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 （2） 開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出信號沒有反饋到 系統(tǒng)的輸入端，因而也不對控制作用產(chǎn)生影響的系 統(tǒng)。 4.4.閉環(huán)控制系統(tǒng)的過渡過程及其品質(zhì)指標(biāo)閉環(huán)控制系統(tǒng)的過渡過程及其品質(zhì)指標(biāo) （1）閉環(huán)控制系統(tǒng)的過渡過程 一個控制系統(tǒng)在外界干擾作用下，從原有穩(wěn)定狀 態(tài)過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)的整個過程，稱為控制系統(tǒng) 的過渡過程?？刂葡到y(tǒng)的過渡

10、過程是衡量控制系統(tǒng) 品質(zhì)優(yōu)劣的重要依據(jù)。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 （2）過渡過程的質(zhì)量指標(biāo)包括衰減比（B/B)、 余差(C)、最大偏差(A)、過渡過程時(shí)間和振蕩周期 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 衰減比（n）：它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。 有n1;n=1和n1三種情況。一般希望n在4-10范圍 內(nèi)較為理想。 最大偏差A(yù)：它是描述被控變量偏離設(shè)定值最大 程度的指標(biāo)。 余差C:它是控制系統(tǒng)過渡過程結(jié)束時(shí)，被控變 量的新穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之間的偏差。 過渡時(shí)間：指被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值到新穩(wěn)態(tài) 值

11、的5%或3%所需時(shí)間。 振蕩周期：過渡過程同向兩波峰之間的時(shí)間間 隔。在衰減比相同時(shí)，周期與過渡時(shí)間成正比。 第一節(jié)第一節(jié) 儀表的基本概念儀表的基本概念 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 調(diào)節(jié)器是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。它將 生產(chǎn)過程被控變量的測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較， 得出偏差，根據(jù)偏差的正負(fù)、大小和變化趨勢， 按照一定的運(yùn)算規(guī)律輸出控制信號，送往執(zhí)行器， 實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 1、常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律有： 比例（P)、積分（I）、微分（D）。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.1 1.1 比例控制（比例控制（P P）

12、 它的控制規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入 變化量成比例。起數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 從該表達(dá)式看出：比例控制克服偏差及時(shí)、有 力。要使調(diào)節(jié)器有輸出就必須要有偏差存在，因 此比例控制始終是有偏差存在的。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 eKC P 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.2 1.2 積分控制（積分控制（I I） 它的控制規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入 偏差隨時(shí)間的積分成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 或或 從該表達(dá)式看出：其輸出信號的大小，不 僅與偏差的大小有關(guān)，還與偏差存在的時(shí)間長短 有關(guān)。所以，積分控制是一種沒有偏差的控制 （理想情況下）。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基

13、本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 edtKC I edt T C I 1 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.3 1.3 微分控制（微分控制（D D） 它的控制規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入 偏差隨時(shí)間的微分成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 從該表達(dá)式看出：其輸出信號的大小，只與偏 差變化的速度有關(guān)，而與偏差的大小無關(guān)。當(dāng)偏 差很大而無變化時(shí)，該調(diào)節(jié)器的輸出也為零。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 dt de TC D 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.4 1.4 幾種基本控制規(guī)律的組合幾種基本控制規(guī)律的組合PIDPID 根據(jù)實(shí)際情況，把三種基本控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng) 組

14、合，可以得到更好的控制效果。 這種組合控制規(guī)律稱為比例積分微分控制 （PID)。這里有三個可以調(diào)整的參數(shù)：放大倍數(shù) KP、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD 。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 ) 1 ( dt de Tedt T eKC D I P 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 各種控制作用過渡過程的比較各種控制作用過渡過程的比較 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.5 PID1.5 PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用調(diào)節(jié)器的應(yīng)用 PID調(diào)節(jié)器綜合了各種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，具有較 好的控制性能，應(yīng)用范圍廣。 各種化工過程常用的

15、控制規(guī)律如下： 液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。 流量：一般用PI控制作用。 壓力：用P或PI控制作用。 溫度：用PID控制作用。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 2 2、調(diào)節(jié)器的類型、調(diào)節(jié)器的類型 按結(jié)構(gòu)和組成的形式分有基地式調(diào)節(jié)器、單元組 合式調(diào)節(jié)器、組合式電子控制裝置、可編程調(diào)節(jié)器 和集中分散型控制裝置五種。我廠現(xiàn)在主要使用的 是可編程調(diào)節(jié)器和集中分散型控制裝置。 3.3.調(diào)節(jié)器的正反作用形式調(diào)節(jié)器的正反作用形式 若調(diào)節(jié)器的輸入信號增加，其輸出信號也增加， 稱為正作用；反之稱為反作用。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)

16、節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 2.1 2.1 集中分散型控制裝置（集散型控制系統(tǒng)集中分散型控制裝置（集散型控制系統(tǒng)DCSDCS） 集中分散型控制是把整個控制系統(tǒng)分成若干 級，最基層的是直接數(shù)字控制，上一級是優(yōu)化控 制，這樣既能發(fā)揮計(jì)算機(jī)多功能控制的特點(diǎn)，滿 足現(xiàn)代化工生產(chǎn)集中操作、顯示和報(bào)警的要求， 又能避免危險(xiǎn)過分集中，整個控制系統(tǒng)安全可靠。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 集散型控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是由下位機(jī)操作站和上 位監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。每個操作站可以控制十幾個到 幾十個回路，有專用微處理機(jī)進(jìn)行有

17、效地控制，各 操作站與上位機(jī)之間用網(wǎng)絡(luò)相連接，構(gòu)成各種各樣 的、能適應(yīng)不同過程的、積木式的分級控制結(jié)構(gòu)， 并通過屏幕和操作臺，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān) 視、集中操作和集中管理，分散控制。它適用于大 中型企業(yè)的大型生產(chǎn)裝置。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器及基本調(diào)節(jié)規(guī)律 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用是接受調(diào)節(jié) 器的控制信號，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按預(yù) 定要求正常進(jìn)行。執(zhí)行器一般安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場， 直接與工藝介質(zhì)接觸，常常在高溫、高壓、深冷、 易漏、易堵、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下工作。 1 1、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)

18、節(jié)閥 在化工生產(chǎn)過程中使用的最多的執(zhí)行器是氣動 薄膜調(diào)節(jié)閥。 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 圖圖1-3 1-3 氣動執(zhí)行器外形圖氣動執(zhí)行器外形圖 圖圖1-4 1-4 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖氣動薄膜調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 圖圖1-5 1-5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用示意圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用示意圖圖圖1-6 1-6 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥

19、的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由波紋膜片、上下 膜蓋、 平衡彈簧等部件組成。它接收20100KP的 標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號，并轉(zhuǎn)換成推力。其動作的形式有 正作用和反作用兩種。 1.1 1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用 當(dāng)信號壓力增加，推桿向下移動的叫正作用； 信號壓力增加，推桿向上移動的叫反作用。 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.2 1.2 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式。調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式。 調(diào)節(jié)閥接受的控制信號是氣壓信號，當(dāng)膜頭輸 入信號增大，調(diào)節(jié)閥開度也增大時(shí)，稱為氣開閥， 反之，膜頭輸入壓力增大，調(diào)節(jié)閥開度減小，則 稱為氣關(guān)閥。 第三節(jié)第三節(jié)

20、 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 圖圖1-7 1-7 調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)組合方式圖調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)組合方式圖 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1.3 1.3 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式的選擇。調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式的選擇。 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥有氣開和氣關(guān)兩種形式。選擇 氣開或氣關(guān)，主要是從工藝生產(chǎn)的安全要求出發(fā)， 其選擇可以依據(jù)四條原則： （1）首先從生產(chǎn)安全出發(fā)。當(dāng)控制信號消失， 閥位的自然位置應(yīng)能夠保證生產(chǎn)人員和工藝設(shè)備 的安全不致于發(fā)生事故。 （2）從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，不發(fā)生或盡量少發(fā) 生

21、產(chǎn)品質(zhì)量事故。（精餾塔回流控制閥） 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 （3）從降低原料、成品動力損耗考慮。（精餾 塔的進(jìn)料閥應(yīng)采用氣開閥，避免原料的浪費(fèi)） （4）從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。（若塔釜液是易凝、 易聚合、易結(jié)晶的物料時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)該選用氣關(guān) 閥） 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 例題：控制加熱爐燃料氣的調(diào)節(jié)閥，如何選 擇？控制鍋爐給水流量的調(diào)節(jié)閥應(yīng)該如何選擇？ 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 圖1-8 加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)圖1-9 鍋爐汽包水位控

22、制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 控制進(jìn)入加熱爐燃料氣流量的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)該 選用氣開式，當(dāng)氣壓信號中斷時(shí)，應(yīng)該切斷進(jìn)爐 的燃料，以避免爐溫過高而出事故；而控制鍋爐 給水流量的調(diào)節(jié)閥應(yīng)該選用氣關(guān)式，當(dāng)氣壓信號 中斷時(shí)，閥門處于全開狀態(tài)，給水繼續(xù)流入鍋爐， 以保證鍋爐不致燒干。 第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1 1、單回路控制系統(tǒng)、單回路控制系統(tǒng) 只有一個被控過程、一個檢測變送器、一個調(diào) 節(jié)器和一個調(diào)節(jié)閥所組成的單閉環(huán)系統(tǒng)稱為單回 路控制系統(tǒng)。 第四節(jié)第四節(jié) 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 圖圖1-10 1-10 單回路控制系

23、統(tǒng)方塊圖單回路控制系統(tǒng)方塊圖 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 閥閥調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 器器 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 2 2、如何選擇控制回路中調(diào)節(jié)器的正反作用、如何選擇控制回路中調(diào)節(jié)器的正反作用 （1）首先分析控制回路中每一個環(huán)節(jié)的輸入、 輸出特性，確定每一個環(huán)節(jié)的正反作用形式 （2）根據(jù)構(gòu)成反饋必須為負(fù)反饋的原則選擇 調(diào)節(jié)器的正反作用。 （3）有些對象的正反作用特性是不變的，如： 檢測變送器、氣開閥為正作用；氣關(guān)閥為反作用， 被控對象則要具體分析。 第四節(jié)第四節(jié) 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第四節(jié)第四節(jié) 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 圖圖1-11 1-11 鍋爐水位控制

24、系統(tǒng)鍋爐水位控制系統(tǒng)圖圖1-12 1-12 換熱器出口溫度控制換熱器出口溫度控制 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第四節(jié)第四節(jié) 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 圖圖1-13 1-13 流量控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)圖圖1-14 1-14 換熱器溫度控制系統(tǒng)換熱器溫度控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第四節(jié)第四節(jié) 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 圖圖1-15 1-15 塔釜液位控制系統(tǒng)塔釜液位控制系統(tǒng)圖圖1-16 1-16 加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 所謂“復(fù)雜”是相對于“簡單”而言。通常 指由兩個或兩個以上的檢測變送器、調(diào)節(jié)器和

25、執(zhí) 行器所組成的多回路的，或控制要求特殊的；或 控制規(guī)律不同于PID的控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng) 的種類較多，常使用的有串級、均勻、比值、前 饋、分程、選擇性控制系統(tǒng)等。 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 1 1、串級控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng) 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖 1-17 1-17 管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 影響加熱爐出口溫度的干擾因素： (1)、燃?xì)獾牧髁亢蜏囟龋╢1)； (2)、燃?xì)獾膲毫统煞郑╢2)； (3)、煙囪的抽力(f3)， 采用單回路控制系統(tǒng)的控制作

26、用不及時(shí)，致使最 大偏差大，過渡時(shí)間長，抗擾動能力差，控制精度 低，難以滿足工藝要求，需要尋求別的控制方案。 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 通過分析可以看出，f2 和f3的影響可以通過爐 膛溫度較快的反應(yīng)出來，而穩(wěn)定爐膛溫度可以有 效地減小f2和f3對爐出口溫度影響。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 所以選定爐膛溫度為副變量，由副變送器、副 調(diào)節(jié)器、副過程（爐膛）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥） 構(gòu)成副回路；以爐出口溫度為主變量，由主變送 器、主調(diào)節(jié)器、主過程（爐出口管）構(gòu)成主回路， 主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，由副調(diào) 節(jié)器的輸出控制調(diào)節(jié)閥，這就是加熱爐出口溫度 串級控制系統(tǒng)。 第

27、五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-18 1-18 加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 串級控制系統(tǒng)的構(gòu)成及方塊圖： 串級控制系統(tǒng)是由兩個檢測變送器、兩個調(diào)節(jié) 器、一個調(diào)節(jié)閥組成。兩個調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的， 其中主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副 調(diào)節(jié)器輸出控制調(diào)節(jié)閥。 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 串級控制系統(tǒng)方塊圖： 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-19 1-19 串級控制系統(tǒng)方塊圖

28、串級控制系統(tǒng)方塊圖 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-20 1-20 加熱爐出口溫度與燃料流量串級控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度與燃料流量串級控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-21 1-21 加熱爐出口溫度與閥后燃料壓力的串級控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度與閥后燃料壓力的串級控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-22 1-22 聚合釜串級控制系統(tǒng)聚合釜串級控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 2、均勻控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng) 第五節(jié)

29、第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-23 1-23 兩串聯(lián)塔間的不協(xié)調(diào)控制方案兩串聯(lián)塔間的不協(xié)調(diào)控制方案 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 為了解決前后工序的供求矛盾，做到統(tǒng)籌兼 顧，協(xié)調(diào)操作，使兩個變量在規(guī)定的范圍內(nèi)緩慢 變化的系統(tǒng)，稱為均勻控制系統(tǒng)。 特點(diǎn)： (1)、表征前后兩個供求矛盾的兩個變量，在 控制過程中應(yīng)該是緩慢變化的。 (2)、前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng) 該在工藝所允許的范圍內(nèi)變化。 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-24 1-24 前后塔液位、流量變化曲線前后塔液位、

30、流量變化曲線 1 1液位液位 2 2流量流量 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-25 1-25 液位液位流量串級均勻控制系統(tǒng)流量串級均勻控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 3、比值控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng) 使兩個或兩個以上物料量保持一定比值關(guān)系以 達(dá)到某種控制要求的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系 統(tǒng)。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-26 1-26 單閉環(huán)比值控制原理單閉環(huán)比值控制原理圖圖1-27 1-27 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

31、化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 4 4、前饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng) 前饋控制是改善和克服反饋控制不及時(shí)的另 一種控制方法。它是利用補(bǔ)償原理，采用開環(huán)結(jié)采用開環(huán)結(jié) 構(gòu)構(gòu)，按擾動作用的大小進(jìn)行控制。 前饋控制相對于反饋控制來說，控制作用及 時(shí)，對擾動的影響理論上可以完全補(bǔ)償，使用恰 當(dāng)可大大提高控制質(zhì)量。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-28 1-28 換熱器的反饋控制系統(tǒng)換熱器的反饋控制系統(tǒng)圖圖1-29 1-29 換熱器的前饋控制系統(tǒng)換熱器的前饋控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五

32、節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 前饋控制與反饋控制的幾點(diǎn)不同： (1)、系統(tǒng)檢測信號的不同:反饋控制檢測的是 被控變量；前饋控制檢測的是擾動量。 (2)、系統(tǒng)控制的依據(jù)不同：反饋控制依據(jù)是偏 差大??；前饋控制的依據(jù)是擾動量的大小。 (3)、控制模式不同：反饋控制采用常規(guī)的PID 控制調(diào)節(jié)器；前饋控制采用的是引入補(bǔ)償裝置對 擾動量進(jìn)行補(bǔ)償校正。補(bǔ)償效果不通過反饋進(jìn)行 檢驗(yàn)。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-30 1-30 加熱器的前饋加熱器的前饋- -反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)圖圖1-31 1-31 加熱爐的前饋加熱爐的前饋- -反饋控制系

33、統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 5 5、選擇性控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng) 凡是在自動控制系統(tǒng)中引入了選擇器并按照工藝 過程限制條件的邏輯關(guān)系工作的系統(tǒng)，都稱為選擇 性控制系統(tǒng)。其工作狀況是：當(dāng)生產(chǎn)過程趨向限制 條件時(shí)，選擇器自動選擇一個取代調(diào)節(jié)器取代正常 工作狀況下的調(diào)節(jié)器，通過取代調(diào)節(jié)器的控制作用， 使生產(chǎn)過程脫離危險(xiǎn)狀態(tài)，生產(chǎn)操作重新回到安全 范圍后，取代調(diào)節(jié)器自動退出，轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)，正 常調(diào)節(jié)器恢復(fù)工作。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-32 1-32 鍋爐蒸汽壓力選擇性控制

34、系統(tǒng)鍋爐蒸汽壓力選擇性控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 鍋爐蒸汽壓力選擇性控制系統(tǒng)的工作過程： 上圖中的LS為低值選擇器，正常情況下ba， LS連通b，由蒸汽壓力調(diào)節(jié)器控制燃料調(diào)節(jié)閥的 開度，控制蒸汽管網(wǎng)的壓力在工藝規(guī)定的范圍。 燃料調(diào)節(jié)閥的閥后壓力過大會發(fā)生“脫火”事 故；而閥后壓力過低會發(fā)生“回火”事故。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 當(dāng)蒸汽壓力大幅降低，調(diào)節(jié)閥開度過大，閥 后壓力接近“脫火”壓力時(shí)，此時(shí)ab，LS選中a， 即由調(diào)節(jié)器P2C去取代P1C控制調(diào)節(jié)閥，使調(diào)節(jié)閥 關(guān)小，起到自動保

35、護(hù)作用。當(dāng)蒸汽壓力恢復(fù)正常 后，達(dá)到ba時(shí)，調(diào)節(jié)閥P1C被選中，恢復(fù)正常工 況控制。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-33 1-33 反應(yīng)器熱點(diǎn)極值選擇性控制系統(tǒng)反應(yīng)器熱點(diǎn)極值選擇性控制系統(tǒng) 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 上圖為反應(yīng)器熱點(diǎn)極值選擇性控制系統(tǒng)。在 固定床反應(yīng)器中，為了防止溫度過高燒壞觸媒， 在反應(yīng)器的四個不同部位設(shè)置了溫度檢測點(diǎn)。 各溫度變送器的輸出端引入高值選擇器，選出 其中最高的信號值作為調(diào)節(jié)器控制冷卻劑調(diào)節(jié) 閥的依據(jù)。這樣，系統(tǒng)將按反應(yīng)器的最高溫度 控制冷卻劑流量，從而保證

36、了反應(yīng)器觸媒層的 安全。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 6、分程控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng) 一個調(diào)節(jié)器的輸出同時(shí)送往兩個或更多個 調(diào)節(jié)閥，每個調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)其輸出信號的某段 范圍內(nèi)做全行程動作，以滿足工藝生產(chǎn)的特殊 要求，這樣的控制系統(tǒng)稱為分程控制系統(tǒng)。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-34 1-34 分程控制方塊圖分程控制方塊圖 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 分程控制系統(tǒng)應(yīng)用的場合： (1)、適應(yīng)生產(chǎn)中需用多種物料或多種手段控 制的場合。 (2)、擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，滿足不同負(fù)荷 下的控制要求。 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 圖圖1-35 1-35 換熱器溫度分程控制系統(tǒng)換熱器溫度分程控制系統(tǒng)圖圖 1-36 1-36 調(diào)節(jié)閥分程動作示意圖調(diào)節(jié)閥分程動作示意圖 化工儀表及過程控制化工儀表及過程控制 第五