第六章典型過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用方案

1、過(guò)控教研室過(guò)控教研室 目 錄 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 第二章 過(guò)程裝備控制基礎(chǔ) 第三章 過(guò)程檢測(cè)技術(shù) 第四章 過(guò)程控制裝置 第五章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 第六章 典型過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用方案 第六章 典型過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用方案 本章介紹了幾種典型的過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用。主要有“熱交換器溫度反饋靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)”；“單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用”；“流體輸送設(shè)備的控制”；“反應(yīng)器的控制”等等。通過(guò)這些典型控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，可以幫助學(xué)生和讀者更好地去理解本課程的理論知識(shí)，同時(shí)也可以使學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的技能。 6.1 熱交換器溫度反饋熱交換器溫度反饋-靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 6.2 單回路

2、控制系統(tǒng)的應(yīng)用單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用 6.3 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的典型實(shí)例計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的典型實(shí)例 6.4 流體輸送設(shè)備的控制流體輸送設(shè)備的控制 6.5 反應(yīng)器的控制反應(yīng)器的控制 附錄附錄:思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題6.1.2 系統(tǒng)組成 根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱平衡關(guān)系，若不考慮散熱損失，則加熱介質(zhì)釋放的熱量應(yīng)該等于被加熱介質(zhì)吸收的熱量，即 )()(12222111cchhTTcqvTTcqv （6-1） 式中 1qv、2qv分別為加熱介質(zhì)和被加熱介質(zhì)的體積(或質(zhì)量)流量,sm3（或skg） 1c、2c分別為加熱介質(zhì)和被加熱介質(zhì)的平均比熱容,)(KkgkJ； 1hT、2hT分別為加熱介質(zhì)進(jìn)、出熱交換器的溫度，或

3、 K； 1cT，2cT分別為被加熱介質(zhì)進(jìn)、出熱交換器的溫度，或 K。 由式（6-1）可以得到各個(gè)有關(guān)變量的靜態(tài)前饋函數(shù)計(jì)算關(guān)系式 111221212)()(qvTTKqvTTTTccqvchcchh （6-2） 式中 ，21ccK 。靜態(tài)前饋函數(shù)的實(shí)施線(xiàn)路如圖 6-2 的虛線(xiàn)框所示。 當(dāng)1hT、2hT、1cT或1qv中任意一個(gè)變量變化時(shí)，其變化量都可以通 過(guò)前饋函數(shù)部分及時(shí)調(diào)整流量2qv，使這些變量的變化對(duì)被控制變 量2cT的影響得到補(bǔ)償。 6.1.3 儀表靜態(tài)參數(shù)的設(shè)置 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是正確設(shè)置比值器的參數(shù) a 與加減器的偏置信號(hào)I5，下面通過(guò)具體數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明這些系數(shù)的設(shè)置情況。 有兩股氣體

4、在熱交換器中進(jìn)行熱量交換。已知 K=c1/c2=1.20，在正常 情 況 下1hT=380 ，2hT=300 ，1cT=150 ，2cT=260 ， qv1=0.125sm3，qv2=0.109sm3。選擇電動(dòng)單元組合儀表 DDZ型組成控制系統(tǒng)，線(xiàn)路中的陳法器與除法器可以用一臺(tái)型號(hào)為 DJS1000的乘除器代替， 比值器與加減器可以用一臺(tái) DJJ1000 的通用加減器代替。電動(dòng)單元組合儀表 DD型的儀表信號(hào)范圍為 420mA(或 15V DC)。若取 Tc2 溫度變送器的量程為 100，儀表零位為 210，則可以得到 Tc2 溫度變送器的儀表轉(zhuǎn)換系數(shù)為 CmACmAKcT/16.0100)42

5、0(2 KTc= KTh=100)420(mA=0.1067mA/ 流量變送器 qv1 與 qv2 的量程均為 0.178sm3，則可知其儀表轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為 Kqv1= Kqv2=smmA/178. 0)420(3=89.888mA/ )(3sm 由此可以求得在正常工況下各個(gè)變送器的輸出信號(hào)值分別為 I1= KTh(380-300)+4=12.54 mA I3= KTc(260-150)+4=15.74 mA I2=Kqv10.125+4=15.24 mA I6= Kqv20.109+4=13.81 mA I9= KTc2(260-210)+4=12 mA 求出正常工況下 DJS1000 乘除

6、器的輸出信號(hào)為 I4=n)43()42)(41(III 取 n=1.2,則 I4=9.81 mA。 假設(shè)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)變量都保持在正常工況下的數(shù)值,則前饋函數(shù)的輸出信號(hào)應(yīng)該等于 I6,即 I4=I6 故知比值器的系數(shù)為 =46II=81. 981.13=1.408 PI 調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)為 I 入=I7-I8=I5+I4-I6-I8 因?yàn)?PI 調(diào)節(jié)器是一種無(wú)靜差的調(diào)節(jié)器,因此在穩(wěn)態(tài)時(shí), I 入=0,若取I6=I4,則有 85II I8為 Tc2調(diào)節(jié)器的控制點(diǎn),一般設(shè)置為儀表信號(hào)的中間值,即 I8=12 mA,因此 I5取 12 mA。 I8為 Tc2調(diào)節(jié)器的控制點(diǎn),一般設(shè)置為儀表信號(hào)的中間值

7、,即 I8=12 mA,因此 I5取 12 mA。 Tc2溫度變送器、PID 調(diào)節(jié)器、PI 調(diào)節(jié)器、qv2流量變送器、電/氣轉(zhuǎn)換器與 qv2控制閥門(mén)組成一個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，Tc2 為主被調(diào)節(jié)變量，qv2為副被調(diào)節(jié)變量。 這個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與靜態(tài)前饋函數(shù)計(jì)算回路組成一個(gè)復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)對(duì)于來(lái)自 qv2、Tc1、Th1、Th2或 qv1的擾動(dòng)，都具有很高的適應(yīng)能力。 6.2 單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)裝置自動(dòng)化過(guò)程中，即使在計(jì)算機(jī)控制獲得迅速發(fā)展的今天，單回路控制系統(tǒng)任在合成氨的現(xiàn)代化大型裝置中，約有 85%的控制系統(tǒng)是單回路控制系統(tǒng)。所以，掌握單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)

8、過(guò)程裝置的自動(dòng)化具有十分重要的意義。 單回路控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少，易于調(diào)整，投運(yùn)，又能滿(mǎn)足一般生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求。單回路控制系統(tǒng)一般由被控過(guò)程 Wo（s） 、測(cè)量變送器 Wm（s） 、調(diào)節(jié)器 Wc（s）和調(diào)節(jié)閥 Wv（s）等環(huán)節(jié)組成，如圖 6-3 所示為用拉氏變換表示的單回路控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖。 下面通過(guò)一個(gè)工程設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用， 來(lái)達(dá)到舉一反三的目的。 6.2.1 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)況 圖 6-4 所示為牛奶乳化物干燥過(guò)程中的噴霧式干燥工藝設(shè)備.由于乳化物屬于膠體物質(zhì),激烈攪拌易固化,不能用泵輸送。故采用高位槽的辦法，即濃縮的乳液由高位槽流經(jīng)過(guò)濾器 A 或 B（兩個(gè)交換使

9、用，保證連續(xù)操作） ，除去凝結(jié)塊等雜物，再通過(guò)干燥器頂部噴嘴噴出?？諝庥晒娘L(fēng)機(jī)送至換熱器（用蒸汽間接加熱） ，熱空氣與鼓風(fēng)機(jī)直接來(lái)的空氣混合后，經(jīng)過(guò)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，從而蒸發(fā)出乳液中的水分，成為奶粉，并隨濕空氣一起輸出，再進(jìn)行分離。生產(chǎn)工藝對(duì)干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動(dòng)太大，而對(duì)于干燥的溫度要求嚴(yán)格控制。試驗(yàn)證明，若溫度波動(dòng)小于C2，則產(chǎn)品符合質(zhì)量要求。 6.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) （1） 被控參數(shù)和控制參數(shù)的選擇 被控參數(shù)的選擇 根據(jù)上述生產(chǎn)工藝情況，產(chǎn)品質(zhì)量（水分含量）與干燥溫度密切相關(guān)，若測(cè)量水分的儀表精度不夠高，可采用對(duì)間接參數(shù)溫度的測(cè)量，因?yàn)樗峙c溫度一一對(duì)應(yīng)。因此必須控制溫度

10、在一定值上，故選用干燥器的溫度為被控對(duì)象。 控制參數(shù)選擇 若知道被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，則可以選取可控性良好的參量作為控制參數(shù)。在未掌握過(guò)程的數(shù)學(xué)模型情況下，僅以圖 6-4 所示裝置進(jìn)行分析。 影響干燥器溫度的因素有乳液流量f 1（t） 、旁路空氣流量 f 2（t） 、加熱蒸汽用量 f 3（t） 。選取其中任一變量作為控制參數(shù)，均可構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。圖中用調(diào)節(jié)閥位置代表三種控制方案，其框圖分別為圖 6-5、圖 6-6、圖 6-7 所示。 按照?qǐng)D 6-5 分析可知，乳液直接進(jìn)入干燥器，滯后最小，對(duì)于干燥溫度的校正作用最靈敏， 而且干擾進(jìn)入裝置最靠近調(diào)節(jié)閥 1， 似乎控制方案最佳。但是，乳液流量即為生

11、產(chǎn)負(fù)荷，一般要求能保證產(chǎn)量穩(wěn)定。若作為控制參數(shù)，則在工藝上不合理。所以不宜選乳液流量為控制參數(shù)，該控制方案不能成立。 再對(duì)圖 6-6 進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)旁路空氣流量與熱風(fēng)量混合后，再經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的風(fēng)管進(jìn)行干燥器。如圖 6-5 所示方案相比，由于混合空氣傳輸管道長(zhǎng)， 存在管道傳輸滯后,故控制通道時(shí)間滯后教大，對(duì)于干燥溫度校正作用的靈敏度要差一些。若按照?qǐng)D 6-7 所示調(diào)節(jié)換熱器的蒸汽流量，以改變空氣的溫度，則由于換熱器通常為一雙容過(guò)程，時(shí)間常數(shù)較大，控制通道的滯后最大，對(duì)干燥溫度的校正作用靈敏度最差。顯然，選擇旁路空氣量作為控制參數(shù)的方案最佳。 （1） 過(guò)程檢測(cè)控制儀表的選用 根據(jù)生產(chǎn)工藝和用

12、戶(hù)的要求， 選用電動(dòng)單元組合儀表（DDZ型） 測(cè)溫元件及變送器 被控溫度在 500以下，選用鉑熱電阻溫度計(jì)。為了提高檢測(cè)精度，應(yīng)用三線(xiàn)制接法，并配用 DDZ型熱電阻溫度變送器。 調(diào)節(jié)閥 根據(jù)生產(chǎn)工藝安全原則及被控介質(zhì)特點(diǎn)，選用氣關(guān)形式的調(diào)節(jié)閥；根據(jù)過(guò)程特性與控制要求選用對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥；根據(jù)被控介質(zhì)流量選擇調(diào)節(jié)閥公稱(chēng)直徑和閥芯直徑的具體大尺寸。 調(diào)節(jié)器 根據(jù)過(guò)程特性與工藝要求，可選用 PI 或 PID 控制規(guī)律；根據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)反饋的原則，確定調(diào)節(jié)器正、反作用方向。 由于本例中選用調(diào)節(jié)閥為關(guān)氣式，則調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù) Kv 為負(fù)。對(duì)于過(guò)程放大系數(shù) Ko 為正。一般測(cè)量變送器的放大系數(shù) Km 為

13、正。為了使系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積為正，則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) Kc 取負(fù)，即選用正作用調(diào)節(jié)器。 （2） 畫(huà)出溫度控制流程圖極其控制系統(tǒng)方框圖 溫度控制流程圖及控制系統(tǒng)方框圖如圖 6-8 所示。 （4） 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 為了使溫度控制系統(tǒng)能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，可以按照調(diào)節(jié)器 工程整定方法中的任一種進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。 6.3 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的典型實(shí)例 爐溫控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制 某真空電阻爐（在實(shí)驗(yàn)室里該爐也可以用油槽代替）的加熱功率為5KW，實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境。控制任務(wù)要求如下。 給定值在 100300之間實(shí)現(xiàn)恒溫控制 控制精度為 0.5%（安全程允許誤差5） ； 實(shí)時(shí)數(shù)字顯示溫度； 溫度超過(guò) 33

14、0 時(shí)要有警報(bào)指示； 可以在線(xiàn)改變給定溫度。 6.3.1 控制方案設(shè)計(jì) （1） 目標(biāo)和任務(wù)估計(jì) 從控制任務(wù)要求可知是單點(diǎn)、恒值控制?？刂品秶途纫笠话?，功能上無(wú)特殊要求?？刹捎靡话愕拈]環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 (2)元件選擇 計(jì)算機(jī)的選擇 按上述要求只需單點(diǎn)控制和顯示， 沒(méi)有特別的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。因此適宜于采用單扳機(jī)、單片機(jī)控制。為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，采用 Z80-CPU 的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 假定控制范圍設(shè)定為 0330。若選用 8 位A/D 轉(zhuǎn)換器，其分辨率約為 1.5/字。它雖然在5的允許誤差范圍之內(nèi)，但是裕量太小。因?yàn)橄到y(tǒng)的其他環(huán)節(jié)，特別是傳感元件的非線(xiàn)性， 也會(huì)產(chǎn)生誤差引

15、起精度損失， 因此實(shí)際精度很難達(dá)到要求。若選用 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其分辨率為 0.3/字，在要求的精度范圍內(nèi)有較大裕量，可以滿(mǎn)足要求。若采用 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，其分辨率約為 0.1/字，但是由于其他環(huán)節(jié)對(duì)精度的影響，單純過(guò)高追求 A/D 的高分辨率是一種資源浪費(fèi)。而無(wú)論采用 10 位，還是 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器，與 8 位 CPU 連接都比較麻煩，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 針對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，實(shí)際控溫范圍只有（330100）=230，因此可用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，再加放大器偏置措施實(shí)現(xiàn)。所謂偏置，在本系統(tǒng)中就是調(diào)整放大器的零點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到 80時(shí)，放大器才開(kāi)始有輸出，并且

16、調(diào)整其放大倍數(shù)，保證在 330時(shí)，其輸出為最大（與 A/D 匹配） 。這樣，采用8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，也可以達(dá)到 1/字的分辨率。 對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的速度，沒(méi)有過(guò)高的要求，采用一般中速芯片如 ADC0809 即可滿(mǎn)足。 傳感元件的選擇 根據(jù)控溫范圍，選用鎳鉻-鎳鋁（K 型）熱電偶可以滿(mǎn)足。 下面根據(jù)它的分度表列出幾個(gè)在控制范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)： 溫度（） 80 100 150 200 250 300 豪伏值（mV） 3.266 4.095 6.137 8.137 10.151 12.207 可見(jiàn)，其線(xiàn)性度比較好，如果不進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償，把 100300之間作為線(xiàn)性看待，下面具體分析一下由于非線(xiàn)性

17、帶來(lái)的誤差。 100300的平均斜率為（12.207-4.095）/（300-100）=0.04mV/ 下面列出幾個(gè)考慮偏置之后實(shí)際溫度值與計(jì)算溫度值的偏差： 實(shí)際溫度值（） 100 150 200 250 300 計(jì)算溫度值（） 100.75 151.75 202 251.75 300.75 誤 差（） 0.75 1.75 2 1.75 0.75 可見(jiàn)，把 100300之間作為線(xiàn)性對(duì)待，產(chǎn)生的誤差最大約 2，因此是允許的，程序?qū)⒉辉僮鞣蔷€(xiàn)性補(bǔ)償。 執(zhí)行元件的選擇 電阻加熱爐按通常方法，采用晶閘管（SCR）做功率控制。根據(jù)爐子功率小、慣性小的特點(diǎn)，為了減少爐溫的紋波，對(duì)輸出通道采用教高分辨率的

18、方案。因此采用移相觸發(fā)方式，并且由模擬觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)。 D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇 D/A 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)一般可低于 A/D 的位數(shù)。因?yàn)橐话憧刂葡到y(tǒng)對(duì)輸出通道的分辨率的要求比對(duì)輸入通道低。因此選用常用的 DAC0832 芯片。 放大器的選擇 因?yàn)橐笃茫中枰獙?duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，故采用常規(guī)的 DDZ 系列溫度變送器。 顯示元件的選擇 因?yàn)橐箫@示單數(shù)據(jù)，只要顯示四位數(shù)碼，因此采用七段碼顯示，并用四位動(dòng)態(tài)掃描顯示法。 給定元件的選擇 由于給定溫度范圍為 100300，故采用撥盤(pán)輸入。 (3)軟件控制方案的確定 按照系統(tǒng)的要求，采用程序巡回控制方式或者定時(shí)中斷控制方式都可以實(shí)現(xiàn)。為了便于功能的擴(kuò)

19、充，便于使用動(dòng)態(tài)顯示，采用定時(shí)中斷控制方式。因此，在硬件方面必須具備 CTC 芯片，作為控制的定時(shí)時(shí)鐘。 6.3.2 硬件線(xiàn)路 根據(jù)上述分析，具體的硬件線(xiàn)路表示于圖 6-9。 （1） 口地址分配 占有 I/O 口地址的元件，其口地址分配為 PIO-80H，CTC-84H 至87H，ADC0809-90H 至 93H，DAC0832-94H 至 97H，數(shù)字顯示器的段寄存器 SEGLH-88H 至 8BH，位寄存器 DIGLH-8CH 至 8FH。 (2) ADC0809 與 DAC0832 均采用和 CPU 直接連接方式 A/D 輸入選用 0 通道（口地址 90H） ，D/A 輸出運(yùn)算放大器

20、LM324之后再加一級(jí)射及跟隨器，提高輸出能力，并可通過(guò)電位器微調(diào) D/A的輸出。 D/A的基準(zhǔn)電源VREF為負(fù)極性， 因?yàn)镾CR觸發(fā)器要求正極性輸入。 DAC0832 接成一步直通的工作方式（2WR、XFER均接地） 。 （3）SCR 觸發(fā)器線(xiàn)路 （4）CTC的連接0通道輸出連接到1的輸入，0通道初始化為定時(shí)工作方式，定時(shí)時(shí)間20ms，1通道初始化為計(jì)數(shù)方式，串接之后總延時(shí)時(shí)間為0.5s。 6.3.3 控制方法的確定 （1） 對(duì)象特性的測(cè)量與識(shí)別 按照階躍響應(yīng)法測(cè)得加熱爐的飛升曲線(xiàn)如圖 6-11 所示。 從曲線(xiàn)形狀確認(rèn)為帶純滯后的一階慣性 對(duì)象，但純滯后時(shí)間不長(zhǎng)，其傳遞函數(shù)為 G（s）=11

21、1skes（6-3） 實(shí)測(cè)得1=20min 1=2min k=6 因此有 G（s）=ses120112006 （2） 控制算法的確定 因?yàn)榭刂扑惴ㄓ沙绦驅(qū)崿F(xiàn)，不需要附加硬件。所以為了增加靈活性和修改調(diào)整方便，程序按照 PID 算法編程，然后在實(shí)際調(diào)試時(shí)再確定 P、I、D 之間的比例，或者消去 I 或 D 的成分。因?yàn)閳?zhí)行元件是 SCR，因此要采用位置式 PID 算法 )1()() 1()()()(kekeKkpkeKkeKkpdip（6-4） 參數(shù)pK、iK、dK的確定方法如下。 一般可以在開(kāi)環(huán)情況下測(cè)得廣義飛升曲線(xiàn)。由于本系統(tǒng)放大器、SCR、熱電偶等其他元件的滯后和慣性時(shí)間相對(duì)于加熱爐對(duì)象而

22、言，都是很小的。因此可用對(duì)象飛升曲線(xiàn)近似表示系統(tǒng)開(kāi)環(huán)的廣義飛升曲線(xiàn)。 由此可得基準(zhǔn)參數(shù) 21min 2011Tmin 10/1T 取控制度為 1.2，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式得 1000. 11TKp sTi2281209 . 19 . 1 sTd6612055. 055. 0 采樣周期sT2 .1912016.016.0取為 20s 計(jì)算得 877. 02282010ipiTTKK 取為 1.0 33206610TTKKdpd 確定為 33 這些值都是進(jìn)似值，需要在實(shí)際調(diào)試時(shí)進(jìn)行 反復(fù)調(diào)整才能最后確定。 6.3.4 程序流程框圖 圖 6-12 表示了中斷服務(wù)流程圖， 圖 6-13 表示了中

23、斷服務(wù)程序流程圖。 l6.3.5控制系統(tǒng)的調(diào)試 以下的調(diào)試工作是在硬件已正常工作的條件下進(jìn)行的。l（1） 輸入通道的調(diào)整 溫度變送器偏置調(diào)整：本系統(tǒng)的偏置溫度是80，相應(yīng)的熱電偶毫伏值為3.266mV。 調(diào)整步驟是輸入3.266 mV直流電信號(hào)，調(diào)整偏置電位器，使變送器從輸出下調(diào)至0為止。 溫度變送器放大倍數(shù)調(diào)整：本系統(tǒng)溫度測(cè)量上限值為330（13.456 mV），因此放大倍數(shù)的計(jì)算值為 5V的放大輸出對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量為255，因此實(shí)際調(diào)整步驟為輸入13.456 mV，調(diào)整放大倍數(shù)使A/D輸出為FFH（255），并校驗(yàn)幾點(diǎn)。校驗(yàn)幾點(diǎn)后若能都與計(jì)算值相符，說(shuō)明A/D和放大器的線(xiàn)性都是符合要

24、求的，可以保證系統(tǒng)精度。 490266. 3456.135000Kl（1） 輸出通道調(diào)整 調(diào)整SCR觸發(fā)電路，在最大和最小的控制量輸出范圍內(nèi)，應(yīng)有足夠大的移相范圍，以及當(dāng)控制量最大時(shí)，晶閘管離全導(dǎo)通尚有一定余量，以保證調(diào)節(jié)速度。l（2） PID參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整 根據(jù)P、I、D對(duì)系統(tǒng)性能影響的方向，對(duì) 、 、 進(jìn)行試湊性細(xì)調(diào)整，直到得到滿(mǎn)意的效果。pKiKdK6.4 流體輸送設(shè)備的控制流體輸送設(shè)備的控制 6.4.1 概述 一個(gè)生產(chǎn)流程中的各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備， 均由管道中的物料流和能量將他們連接在一起，一進(jìn)行各種各樣的化學(xué)反應(yīng)、分離、吸收過(guò)程，從生而產(chǎn)出人們所希望的產(chǎn)品。物料流和能量流都稱(chēng)為流體，流體有液

25、體和氣體之分， 通常固體固體物料也轉(zhuǎn)換成流態(tài)化的形式在管道中輸送。為了強(qiáng)化生產(chǎn)，流體常常連續(xù)輸送，以便進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。用于輸送流體和提高流體壓力的機(jī)械設(shè)備，統(tǒng)稱(chēng)為流體輸送設(shè)備。其中輸送液體并提高其壓力的機(jī)械稱(chēng)為泵， 而輸送氣體并提高其壓力的機(jī)械稱(chēng)為風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)。 流體輸送設(shè)備的任務(wù)是輸送流體。在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，除了在特殊情況下開(kāi)停機(jī)、泵的程序控制和信號(hào)連鎖動(dòng)作外，所謂對(duì)流體輸送設(shè)備的控制，其實(shí)質(zhì)是為了實(shí)現(xiàn)物料平衡的流量、壓力控制，以及諸如離心式壓縮機(jī)的放喘振控制這樣一類(lèi)為了保護(hù)輸送設(shè)備安全的控制方案。所以，在本章中將著重討論流體輸送的流量、壓力的基本控制方案和離心式壓縮機(jī)的防喘控制。 流體輸送

26、設(shè)備控制系統(tǒng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。 控制通道的對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，一般需要考慮控制閥和測(cè)量元件的慣性滯后。這是由于在流量控制系統(tǒng)中，受控變量和操控變量常常是同一物料的流量，只是檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)處于同一管道的不同位置。因此對(duì)象時(shí)間常數(shù)一般很小， 故廣義對(duì)象特性必須考慮測(cè)量元件和控制閥的慣性滯后，而且對(duì)象、測(cè)量元件和控制閥的時(shí)間常數(shù)在數(shù)量級(jí)上相同，顯然系統(tǒng)可靠性教差，頻率較高。為此，控制器的比例度需要放的大些，積分時(shí)間在 0.1min 到數(shù)分鐘的數(shù)量級(jí)?？刂崎y一般不裝閥門(mén)控制器，以避免定位器引入的串級(jí)內(nèi)環(huán)造成系統(tǒng)振蕩加劇，可控性差。 測(cè)量信號(hào)伴有高頻噪聲。 目前測(cè)量的一次元件常采用節(jié)流裝置。由于流體通過(guò)節(jié)流

27、裝置時(shí)喘動(dòng)加大， 使受控變量的測(cè)量信號(hào)常常具有脈動(dòng)性質(zhì)，混有高頻噪聲，這種噪聲會(huì)影響控制品質(zhì)，故應(yīng)考慮測(cè)量信號(hào)的濾波。此外，控制器不應(yīng)加微分作用，因?yàn)槲⒎謱?duì)高頻信號(hào)很敏感，會(huì)放大噪聲，影響控制的平穩(wěn)度。為此，工程上往往在控制器與變送器之間，引入反微分環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的品質(zhì)。 靜態(tài)非線(xiàn)性。 流量廣義對(duì)象的靜態(tài)特性往往是非線(xiàn)性的， 特別是在采用節(jié)流裝置測(cè)量流量時(shí)更為嚴(yán)重。 為此?？蛇m當(dāng)選用控制閥的流量特性來(lái)加以補(bǔ)償，使廣義對(duì)象達(dá)到的靜態(tài)特性近似線(xiàn)性，以便克服負(fù)荷變化對(duì)控制品質(zhì)的影響。 流量控制系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表精確度要求無(wú)須很高，在物料平衡控制中，常常將流量控制作為一個(gè)復(fù)雜回路中的副環(huán)，它的設(shè)定值是浮

28、動(dòng)的。 所以， 對(duì)流量控制回路的測(cè)量?jī)x表， 在精度上并沒(méi)有過(guò)高的要求，而保持變差小、性能穩(wěn)定則是需要的。只有當(dāng)流量信號(hào)同時(shí)要作為經(jīng)濟(jì)核算所用，或是其他測(cè)準(zhǔn)的場(chǎng)合，才需要滿(mǎn)足相應(yīng)的精度要求。 6.4.2 泵及壓縮機(jī)的典型控制方案 （1）防止喘振的泵輸出壓力控制方案 泵的工作特性與防止喘振的措施。泵可分為離心泵和容積泵兩大類(lèi)，而容積泵又可分為往復(fù)泵、旋轉(zhuǎn)泵。由于工業(yè)生產(chǎn)中以離心泵的使用更為普遍，所以下面將仔細(xì)地介紹離心泵的特性及控制方案。在大型生產(chǎn)過(guò)程中，由于強(qiáng)化生產(chǎn)，時(shí)常引起泵的喘振。 離心泵的工作特性如圖 6-14 所示。在正常情況下，泵輸出多少流體到管網(wǎng)， 用戶(hù)就從管網(wǎng)取走多少流體，泵處于穩(wěn)

29、定工作狀態(tài)。但是如果用戶(hù)需要的流體突然減少， 泵輸出的流體會(huì)在管網(wǎng)里堆積起來(lái)，使其壓力上升， 泵的工作點(diǎn)就沿著圖 6-14 中的 CDE 曲線(xiàn)移動(dòng)到 C 點(diǎn)，因泵輸出的壓力受機(jī)器的限制不能再繼續(xù)升高，此時(shí)管網(wǎng)壓力就會(huì)大于泵的最大壓力，導(dǎo)致流體倒流。倒流開(kāi)始后管網(wǎng)壓力下降，工作點(diǎn)由 C 移到 A 點(diǎn)并繼續(xù)移動(dòng)到 B 點(diǎn)，泵產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，使工作點(diǎn)滑行至 D 點(diǎn)。如此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，就產(chǎn)生一種破壞力極大的喘振現(xiàn)象。 由圖6-14可以看出，如果輸出流量不低于qc，泵就不會(huì)產(chǎn)生喘振。因此可以利用高值選擇器，把壓力與流量控制系統(tǒng)統(tǒng)一起來(lái)，組成如圖6-15所示的壓力與流量選擇性控制系統(tǒng)。為了安全起見(jiàn)，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

30、的給定值取為：q給定=qc l 一種防止喘振的特殊調(diào)節(jié)器。本例介紹一種專(zhuān)門(mén)的特殊調(diào)節(jié)器，由兩個(gè)積分外反饋型的PI調(diào)節(jié)器與一個(gè)高值比較器構(gòu)成，其調(diào)節(jié)器線(xiàn)路如圖6-16所示。圖中 與 分別組成一個(gè)比例運(yùn)算器， 與 分別組成一個(gè)積分運(yùn)算器， 與 分別組成一個(gè)1：1的加法器， 與 及 與 組成一個(gè)高值選擇器。l 系統(tǒng)切換條件的分析。下面分析q回路處于工作狀態(tài)、p回路處于等待狀態(tài)時(shí)，線(xiàn)路中信號(hào)之間的關(guān)系。因此，的輸出呈現(xiàn)低電平狀態(tài)，因而能通過(guò)與輸出：由圖6-16知道，當(dāng)q給q測(cè)時(shí)，為高電平，低電平信號(hào)能通過(guò)二級(jí)管輸出。由圖還可以得出如下關(guān)系式l比例器的運(yùn)算關(guān)系式 （6-5） 1A4A3A5A2A5A7A

31、8A1D2D1)()(11pKsesU 式中，1pK為1U 的分壓系數(shù)。 慣性環(huán)節(jié)的運(yùn)算關(guān)系式11)()(173siTsUsU（6-6） 上式中，RCTi1。 加法器的運(yùn)算關(guān)系式為)()()(312sUsUsU(6-7) )()(27sUsU（6-8） 且將上述各式聯(lián)立后得到 )(11)()(21211sUTseKsUip（6-9） 或者寫(xiě)成)(11)(1211sesTKsUip 由于p回路處于等待狀態(tài)， 運(yùn)算放大器10A的輸入信號(hào)仍然是 7U。同樣可得 比例運(yùn)算關(guān)系式2)()(24pKsesU（6-10） 慣性環(huán)節(jié)的運(yùn)算關(guān)系式 11)()(226sTsUsUi（6-11）式中 CRTi2。

32、5U的輸出信號(hào)為)(11)()(22522sUsTseKsUip（6-12） 式 （6-12） 表明， 等待回路的輸出信號(hào)受工作回路的輸出信號(hào)影響。當(dāng)2U穩(wěn)定時(shí)，5U也穩(wěn)定下來(lái)，避免通常等待回路由于輸出切斷，而輸入沒(méi)有切斷所產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)象。當(dāng) q回路工作、p回路等待時(shí)，由式（6-9）與式（6-12）可得 dtteTKteKtUipp)()()(112111（6-13a） )()1 ()()(22522tUeteKtUiTtp 2U穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，02iTte，故有 )()()(2252tUteKtUp（6-14） 從 q回路切換到 p回路時(shí)，25UU ，可見(jiàn)，從 q回路切換到 p

33、回路的切換條件是 0)(2te（6-15） 同理可知，從 q回路切換到 p回路的條件是 0)(2te。由于任一回路被切斷都處于該回路是調(diào)節(jié)偏差為零的狀態(tài)， 所以切換時(shí)被切換的調(diào)節(jié)器不會(huì)產(chǎn)生輸出的突變，保證了切換過(guò)程平滑的進(jìn)行。 （1） 壓縮機(jī)輸出壓力控制系統(tǒng) 為了防止壓縮機(jī)喘振， 常常限制其吸入流量， 不使它低于某一界限值，并且調(diào)節(jié)回流量來(lái)控制吸入流量。 這種控制方式， 在壓縮機(jī)入口壓力變化較大的場(chǎng)合下， 會(huì)有許多能量消耗在壓縮機(jī)自身的回流上。 因此，在此介紹一種既防喘振又比較節(jié)能的壓縮機(jī)輸出壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 壓縮機(jī)喘振時(shí)， 其吸入流量同輸出壓力 2p與輸入壓力 1p之比有關(guān)， 圖 6-17 表示臨界喘振時(shí) 12pp與吸入流量 入q的關(guān)系曲線(xiàn)。一般的控制方法是維持 kqq入，由于 入q要求較大，當(dāng)從外界輸入的流量較小的場(chǎng)合，就要求從壓縮機(jī)輸出的流量 q中分出一部分來(lái)打回流。kq越大，回流量