第6章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)(化工儀表及自動(dòng)化林德杰)

1、第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)6.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容6.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)6.4元件特性對(duì)控制系統(tǒng)的影響6.5控制器的設(shè)計(jì)6.6控制器參數(shù)的工程整定6.7單回路控制系統(tǒng)的投運(yùn)6.8簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)6.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖6-1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的框圖圖6-2液位定值控制系統(tǒng)圖6-3貯液槽加熱系統(tǒng)6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1)首先對(duì)生產(chǎn)工藝過程作一個(gè)全面的了解，對(duì)工藝生產(chǎn)過程中所使用的各類型設(shè)備和其他輔助設(shè)備作一個(gè)系統(tǒng)的分析。2)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定被控變量和操縱變量。3)根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)確定調(diào)節(jié)閥的種類及規(guī)格。4)根據(jù)被控變量的特

2、性及系統(tǒng)的反應(yīng)速度等要求選擇合適測(cè)量變送單元。5)研究被控對(duì)象、調(diào)節(jié)閥及檢測(cè)元件的特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，選擇合理的控制規(guī)律。6)確定控制器的正、反作用形式，以確?？刂葡到y(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)。7)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，以使控制系統(tǒng)能滿足工藝指標(biāo)的需求。6.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)6.3.1被控變量的選擇6.3.2操縱變量的選擇6.3.3放大系數(shù)、時(shí)間參數(shù)和滯后時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響6.3.1被控變量的選擇1)盡量選擇直接參數(shù)作為被控變量，此時(shí)的控制過程更加清晰。2)選擇間接參數(shù)時(shí)要保證其與直接參數(shù)有單值的函數(shù)關(guān)系。3)被控變量能夠獨(dú)立可控。4)選擇的被控變量應(yīng)該能夠被方便地測(cè)量出，并且有足夠的靈敏度。5

3、)還應(yīng)考慮工藝生產(chǎn)的合理性和國內(nèi)外儀表的供應(yīng)情況。圖6-4鍋爐液位控制系統(tǒng)圖6-5甲醇精餾塔成分控制系統(tǒng)示意圖6.3.2操縱變量的選擇1)首先從工藝上考慮，它應(yīng)允許在一定范圍內(nèi)改變。2)選擇的操縱變量，其控制通道放大系數(shù)要大，這樣對(duì)克服干擾較為有利。3)在選擇操縱變量時(shí)，應(yīng)使控制通道的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小一些，而干擾通道的時(shí)間常數(shù)可以大一些。4)選擇的操縱變量應(yīng)對(duì)裝置中其他控制系統(tǒng)的影響和關(guān)聯(lián)較小，不會(huì)對(duì)其他控制系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。圖6-6簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制通道和干擾通道的示意圖圖6-7一氧化碳變換過程示意圖圖6-8不同輸入作用時(shí)的被控變量變化曲線6.3.3放大系數(shù)、時(shí)間參數(shù)和滯后時(shí)間對(duì)控制質(zhì)

4、量的影響1.放大系數(shù)對(duì)控制過程的影響2.時(shí)間常數(shù)對(duì)控制過程的影響3.滯后時(shí)間對(duì)控制過程的影響1.放大系數(shù)對(duì)控制過程的影響圖6-9簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析簡(jiǎn)化框圖2.時(shí)間常數(shù)對(duì)控制過程的影響圖6-10不同時(shí)間常數(shù)下，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線3.滯后時(shí)間對(duì)控制過程的影響圖6-11純滯后對(duì)控制品質(zhì)的影響示意圖圖6-12干擾通道純滯后對(duì)控制品質(zhì)的影響示意圖6.4元件特性對(duì)控制系統(tǒng)的影響6.4.1測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響6.4.2測(cè)量元件輸出信號(hào)傳遞滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響6.4.3執(zhí)行元件對(duì)控制系統(tǒng)的影響6.4.1測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響圖6-13測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)對(duì)測(cè)量的影響6.4.2測(cè)量元件輸出信號(hào)傳遞

5、滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響1)盡量縮短信號(hào)傳遞的長度。2)采取氣/電和電/氣轉(zhuǎn)換器，將氣壓信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)傳遞。表6-1氣動(dòng)傳輸管道的特性參數(shù)6.4.3執(zhí)行元件對(duì)控制系統(tǒng)的影響1)等百分比特性閥門在其工作范圍內(nèi)，其放大系數(shù)是變化的，調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)，閥門的放大系數(shù)小，控制緩和平穩(wěn)，調(diào)節(jié)閥在大開度時(shí)，閥門的放大系數(shù)大，控制及時(shí)有效。2)被控過程往往是一個(gè)非線性過程，選用等百分比調(diào)節(jié)閥，可以使系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持不變或近似不變，能提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。選擇原則如下：1)考慮故障狀態(tài)時(shí)的人身及設(shè)備安全問題：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)能確保人身和工藝設(shè)備的安全。2)考慮生產(chǎn)裝置中物質(zhì)的性質(zhì)：當(dāng)某些生產(chǎn)裝

6、置中的物質(zhì)是易結(jié)晶、易凝固的物料時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣關(guān)式。6.5控制器的設(shè)計(jì)6.5.1控制器控制規(guī)律的選擇6.5.2控制器正、反作用的確定6.5.1控制器控制規(guī)律的選擇1.比例控制規(guī)律(P規(guī)律)2.比例積分控制規(guī)律(PI規(guī)律)3.比例微分控制規(guī)律(PD規(guī)律)4.比例積分微分控制規(guī)律(PID規(guī)律)6.5.2控制器正、反作用的確定1)根據(jù)生產(chǎn)的安全原則確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，即確定執(zhí)行器的正、反作用。2)根據(jù)被控對(duì)象的特性，確定其正、反作用形式。3)根據(jù)四個(gè)環(huán)節(jié)正、反作用的乘積為負(fù)的原則，確定控制器的正、反作用。表6-2控制系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)作用方向的定義圖6-14控制器正、反作用改變?cè)韴D6-15液

7、位定值控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的正、反作用6.6控制器參數(shù)的工程整定6.6.1臨界比例度法6.6.2衰減曲線法6.6.3經(jīng)驗(yàn)法6.6.1臨界比例度法具體整定步驟如下：1)先將控制器的TI置于最大(TI=)，TD置于最小(TD=0)，調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。2)將逐步減少(比例放大系數(shù)KP逐漸增加)，直至系統(tǒng)產(chǎn)生如圖6-16所示的等幅振蕩過程(也稱臨界振蕩)，記錄此時(shí)的臨界比例度k和臨界周期Tk。3)根據(jù)k和Tk，并結(jié)合表6-3給出的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出控制器的具體參數(shù)值。4)將計(jì)算所得、TI、TD之值設(shè)定在控制器上，按照“先P后I最后D”的步驟投入運(yùn)行，然后觀察運(yùn)行曲線，如不理想，可再

8、對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在應(yīng)用臨界比例度法整定控制器參數(shù)時(shí)還需注意以下幾點(diǎn)：1)工藝上不允許出現(xiàn)等幅振蕩的系統(tǒng)不能應(yīng)用該方法進(jìn)行參數(shù)整定。2)對(duì)于臨界比例度很小的系統(tǒng)不使用，因?yàn)楸壤刃?，意味著調(diào)節(jié)閥不是全開就是全關(guān)，被控變量容易超出允許的范圍。3)在某些情況下，即使將比例度調(diào)至最小，系統(tǒng)仍然不能出現(xiàn)等幅振蕩，此時(shí)就可將最小的比例度認(rèn)為是臨界比例度。圖6-16臨界振蕩過程例6-1采用臨界比例度法整定某控制系統(tǒng)時(shí)，通過觀察得到臨界比例度k=50%，臨界周期Tk=5min，試確定控制器采用P、PI和PID控制規(guī)律時(shí)的各自參數(shù)。解：已知k=50%，Tk=5min，利用表6-3所示的計(jì)算公式可分別求得在P

9、、PI和PID控制規(guī)律時(shí)的參數(shù)如下：表6-3臨界比例度法參數(shù)整定計(jì)算公式6.6.2衰減曲線法衰減曲線法的具體步驟如下：1)先將控制器的TI置于最大(TI=)，TD置于最小(TD=0)，調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。2)將逐步減少(比例放大系數(shù)KP逐漸增加)，直至系統(tǒng)產(chǎn)生如圖6-17所示的4 1衰減曲線(對(duì)于10 1衰減曲線法則需要產(chǎn)生如圖6-18所示的10 1衰減曲線)，記錄此時(shí)的比例度s和衰減振蕩周期Ts(對(duì)于10 1衰減曲線法則需要記錄曲線達(dá)到第一個(gè)波峰時(shí)的響應(yīng)時(shí)間Tr)。3)根據(jù)s和Ts(或Tr)，并結(jié)合表6-4(對(duì)于10 1衰減曲線法使用表6-5)所示的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控

10、制器的具體參數(shù)值。4)將計(jì)算所得、TI、TD之值設(shè)置在控制器上，按照“先P后I最后D”的步驟投入運(yùn)行，然后觀察運(yùn)行曲線，如不理想，可再對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。6.6.2衰減曲線法在使用衰減振蕩法整定控制器參數(shù)時(shí)需注意以下兩點(diǎn)：1)對(duì)于大多數(shù)控制系統(tǒng)，4 1衰減過程被認(rèn)為是最優(yōu)的衰減過程，如4 1衰減過程不能滿足衰減的速度，可以采用10 1衰減過程。2)對(duì)于反應(yīng)較快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力及小容量的液位控制等，要記錄4 1的衰減曲線比較困難，一般以被控變量來回波動(dòng)兩次到達(dá)穩(wěn)定作為4 1衰減過程。圖6-174 1衰減曲線圖6-1810 1衰減曲線表6-44 1衰減曲線法參數(shù)整定計(jì)算公式表6-510 1

11、衰減曲線法參數(shù)整定計(jì)算公式6.6.3經(jīng)驗(yàn)法具體步驟如下：1)先將控制器的TI置于最大(TI=)，TD置于最小(TD=0)，按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)定后(見表6-4)，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，如曲線的超調(diào)量大，且趨向非周期過程，減少；若曲線振蕩頻繁，增大。2)固定，按照表6-4所列參數(shù)設(shè)置好TI后，投入積分作用，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，如曲線的波動(dòng)較大，減少TI，若曲線偏離給定值后長時(shí)間不回來，增加TI，直至獲得較好的過渡過程曲線。3)固定和TI，按照表6-4所列參數(shù)設(shè)置好TD后，投入微分作用，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，如曲線超調(diào)量大而衰減慢，增大TD，若曲線振蕩得厲害，減少TD。在使用經(jīng)驗(yàn)法整定控制器參數(shù)

12、時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：1)一定要遵循“先P后I最后D”的步驟將控制器參數(shù)投入運(yùn)行。2)對(duì)于同一個(gè)控制系統(tǒng)，不同的人可能會(huì)得到不同的控制器參數(shù)。3)待曲線穩(wěn)定后，才能進(jìn)行控制器參數(shù)的調(diào)整。6.7單回路控制系統(tǒng)的投運(yùn)1.準(zhǔn)備工作2.系統(tǒng)投運(yùn)6.8簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)6.8.1蒸汽加熱、物料溫度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)6.8.2噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)6.8.3精餾塔控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)6.8.1蒸汽加熱、物料溫度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)1.生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介圖6-19蒸汽加熱系統(tǒng)示意圖2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)被控變量與操縱變量的選擇(2)過程檢測(cè)控制儀表的選用(3)控制器參數(shù)整定

13、6.8.2噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)1.生產(chǎn)工藝概況2.控制方案的設(shè)計(jì)3.控制器參數(shù)整定2.控制方案的設(shè)計(jì)(1)被控參數(shù)的選擇(2)控制參數(shù)的選擇(3)檢測(cè)控制儀表的選擇(1)被控參數(shù)的選擇圖6-20乳化物干燥過程工藝流程圖(3)檢測(cè)控制儀表的選擇圖6-21溫度控制系統(tǒng)及其框圖a)控制系統(tǒng)流程圖b)控制系統(tǒng)組成框圖6.8.3精餾塔控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)1.精餾塔的工藝指標(biāo)及擾動(dòng)分析2.精餾塔的控制方案1.精餾塔的工藝指標(biāo)及擾動(dòng)分析(1)工藝指標(biāo)(2)擾動(dòng)分析圖6-22精餾塔的物料流程圖2.精餾塔的控制方案存在三種可能：1)工藝上對(duì)塔頂產(chǎn)品的成分有嚴(yán)格的控制要求，而塔底產(chǎn)品成分只要保持在一定范圍內(nèi)就可以了。2)工藝上對(duì)塔底產(chǎn)品的成分有嚴(yán)格的控制要求，而塔頂產(chǎn)品成分只要保持在一定范圍內(nèi)就可以了。3)工藝上對(duì)塔頂和塔底產(chǎn)品分別需要滿足一定品質(zhì)指標(biāo)。三種具有代表性的控制方