第六章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)(五版)

1、化工儀表及自動(dòng)化化工儀表及自動(dòng)化第六章第六章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n概述概述n被控變量的選擇被控變量的選擇n操縱變量的選擇操縱變量的選擇n控制器控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定控制器控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定n控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇n控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定n控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題n控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)的投運(yùn)n控制系統(tǒng)操作中的常見問題控制系統(tǒng)操作中的常見問題內(nèi)容提要內(nèi)容提要： 測(cè)量變送環(huán)節(jié)測(cè)量變送環(huán)節(jié) 控制器控制器 執(zhí)行器執(zhí)行器 被控對(duì)象被控對(duì)象被控變量被控變量控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量變送環(huán)節(jié)測(cè)量

2、變送環(huán)節(jié)干擾干擾偏差偏差設(shè)定值設(shè)定值第一節(jié)第一節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成 通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破骺刂破?LC或或TC)執(zhí)行器執(zhí)行器 （控制閥）（控制閥）被控對(duì)象被控對(duì)象（液位儲(chǔ)槽或換熱器（液位儲(chǔ)槽或換熱器）測(cè)量、變送環(huán)節(jié)測(cè)量、變送環(huán)節(jié)（LT或或TT）被控變量被控變量（液位或溫度）（液位或溫度）干擾干擾偏差偏差設(shè)定值設(shè)定值廣義對(duì)象廣義對(duì)象簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖載熱體載熱體冷流體冷流體換熱器換熱器溫度

3、控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)表1-2 被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 生產(chǎn)過程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。 它們對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的； 人工操作雖然可以滿足要求，但是，這種操作是既緊張而又頻繁的。第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使生產(chǎn)過程自動(dòng)按照預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行，并使工使生產(chǎn)過程自動(dòng)按照預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行，并使工藝參數(shù)保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值上（或按預(yù)定規(guī)藝參數(shù)保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值上（或按預(yù)定規(guī)律變化）律變化）“關(guān)鍵關(guān)鍵”變量：對(duì)產(chǎn)品

4、的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)變量：對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)過程的安全具有決定作用的變量過程的安全具有決定作用的變量?jī)煞N控制類型：兩種控制類型：直接指標(biāo)控制直接指標(biāo)控制和和間接指標(biāo)控制間接指標(biāo)控制當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)信號(hào)缺少檢測(cè)手段、信號(hào)微弱、滯后當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)信號(hào)缺少檢測(cè)手段、信號(hào)微弱、滯后很大時(shí)，可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系很大時(shí)，可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的變量做為間接控制指標(biāo)。而反應(yīng)又快的變量做為間接控制指標(biāo)。第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8圖6-4精餾過程示意圖1精餾塔；2蒸汽加熱器圖6-5 苯-甲苯溶液的T-x圖圖6-6 苯-甲苯溶液的p-x圖舉例舉例塔頂易揮

5、發(fā)組分純度塔頂易揮發(fā)組分純度X XD D、塔頂溫度、塔頂溫度T TD D、塔頂壓力、塔頂壓力P P三者之間的關(guān)系為：三者之間的關(guān)系為： X XD D= f (T= f (TD D，P)P)，兩個(gè)獨(dú)立變量。，兩個(gè)獨(dú)立變量。 在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。 在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。 所選變量有足夠的靈敏度。9第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要有代表性要有代表性。被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，

6、一般是工藝過程中較重要的變量。 變化頻繁變化頻繁。被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。 滯后要小滯后要小。盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量和變送信號(hào)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈敏度要高靈敏度要高。被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來，并具有足夠大的靈敏度。 成本要低成本要低。選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。應(yīng)該獨(dú)立可控應(yīng)該獨(dú)立可控。被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)二、二、

7、操縱變量的選擇操縱變量的選擇12 1. 1.操縱變量操縱變量在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為。 最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。操作變量操作變量系統(tǒng)的干擾系統(tǒng)的干擾通過工藝分析通過工藝分析確定確定第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則上，原則上，在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個(gè)對(duì)被控變量在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響影響顯著顯著而且而且可控性良好可控性良好的輸入作為的輸入作為控制變量控制變量后，其它所有未被選中后，其它所有未被選中的輸入則成了為系統(tǒng)的的輸入則成了為系統(tǒng)的干擾變量干擾變量。 13圖6-7精餾塔流程圖如果根據(jù)

8、工藝要求，選擇提餾段某塊塔板（一般為靈敏板）的溫度作為被控變量。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14圖6-8影響提餾段溫度各種因素示意圖第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15圖6-9 干擾通道與控制通道示意圖由干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制質(zhì)量控制質(zhì)量 系統(tǒng)的過渡過程形式系統(tǒng)的過渡過程形式超調(diào)量、衰減比、超調(diào)量、衰減比、 余差、過渡時(shí)余差、過渡時(shí)間、振蕩周期間、振蕩周期對(duì)象特性對(duì)象特性 系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系系統(tǒng)的輸

9、入輸出關(guān)系 分為對(duì)象靜態(tài)性質(zhì)和對(duì)象動(dòng)態(tài)性質(zhì)分為對(duì)象靜態(tài)性質(zhì)和對(duì)象動(dòng)態(tài)性質(zhì) 考察對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，用以選擇操考察對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，用以選擇操 縱變量縱變量第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)放大系數(shù)放大系數(shù) 絕對(duì)放大系數(shù)絕對(duì)放大系數(shù) Y Y X X Y/(YMAX-YMIN)Y/(YMAX-YMIN) X/(XMAX-XMIN)X/(XMAX-XMIN) 相對(duì)放大系數(shù)相對(duì)放大系數(shù) 控制通道的穩(wěn)態(tài)特性由控制通道放大系數(shù)控制通道的穩(wěn)態(tài)特性由控制通道放大系數(shù)K K0 0表征從表征從控制有效性控制有效性考慮，考慮，K K0 0應(yīng)適當(dāng)?shù)拇笠恍?yīng)適當(dāng)?shù)拇笠恍?干擾通道的穩(wěn)態(tài)特性

10、由干擾通道放大系數(shù)干擾通道的穩(wěn)態(tài)特性由干擾通道放大系數(shù)K Kf f表征，希望表征，希望K Kf f小一些，小一些，K Kf f越越小干擾變量對(duì)被控變量的影響就越小小干擾變量對(duì)被控變量的影響就越小 操縱變量選擇的原則一：當(dāng)多個(gè)輸入變量都影響被控變量時(shí)，從穩(wěn)操縱變量選擇的原則一：當(dāng)多個(gè)輸入變量都影響被控變量時(shí)，從穩(wěn)態(tài)性質(zhì)考慮，應(yīng)該選擇其中放大系數(shù)大的可控變量作為操縱變量。態(tài)性質(zhì)考慮，應(yīng)該選擇其中放大系數(shù)大的可控變量作為操縱變量。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制通道時(shí)間常數(shù)控制通道時(shí)間常數(shù) T T0 0控制通道滯后時(shí)間控制通道

11、滯后時(shí)間0 0 T T0 0小一點(diǎn)好，不能過大，否則會(huì)使控制變量的校正作小一點(diǎn)好，不能過大，否則會(huì)使控制變量的校正作用遲緩，超調(diào)量增大，過渡時(shí)間增長(zhǎng)用遲緩，超調(diào)量增大，過渡時(shí)間增長(zhǎng) 在選擇操縱變量構(gòu)成控制回路時(shí)，應(yīng)盡量避免控制通道在選擇操縱變量構(gòu)成控制回路時(shí)，應(yīng)盡量避免控制通道純滯后純滯后0 0的存在，無法避免時(shí)應(yīng)使之盡可能小。的存在，無法避免時(shí)應(yīng)使之盡可能小。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)干擾通道時(shí)間常數(shù)干擾通道時(shí)間常數(shù) TfTfT Tf f越大越好，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于改善控制越大越好，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于改善控制質(zhì)量質(zhì)量 干擾通道純滯

12、后干擾通道純滯后f f的影響的影響無純滯后無純滯后有純滯后有純滯后干擾通道滯后時(shí)間干擾通道滯后時(shí)間ff 干擾通道的純滯后干擾通道的純滯后f f不會(huì)影響控制質(zhì)量不會(huì)影響控制質(zhì)量 操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。 操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。 在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 薄板冷卻器薄板冷卻器熱物料冷物料TTFTLC液氨液氨PT氣氨氣氨液氨儲(chǔ)罐氨直冷式薄板冷卻系統(tǒng)示意圖氨直冷式薄板冷卻系統(tǒng)示意圖被控變量被控變量：物料出口溫度：物料出口溫度 待選的操縱變量：待選的操

13、縱變量： 熱物料溫度熱物料溫度 熱物料的流量熱物料的流量液氨的流量液氨的流量氣氨的回氣壓力氣氨的回氣壓力 熱物料流量熱物料流量F F對(duì)冷物料出口溫度對(duì)冷物料出口溫度T T的放大系數(shù)為：的放大系數(shù)為： 11000k0.3溫度變化的百分?jǐn)?shù)流量變化的百分?jǐn)?shù)12-030-10 50-0氣氨回氣壓力氣氨回氣壓力P P對(duì)冷卻器物料出口溫度對(duì)冷卻器物料出口溫度T T的放大系數(shù)為：的放大系數(shù)為： 21000k1.6溫度變化的百分?jǐn)?shù)壓力變化的百分?jǐn)?shù)12-0275-245 400-0三、三、 測(cè)量元件特性的影響測(cè)量元件特性的影響n 測(cè)量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)。所以，要求它能及

14、時(shí)、準(zhǔn)確地反映被控變量的狀況，假如測(cè)量不準(zhǔn)確，操作人員造成混亂甚至?xí)幚礤e(cuò)誤造成事故。測(cè)量不準(zhǔn)確或者不及時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失調(diào)和誤調(diào)。n 1.測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)；三、 測(cè)量元件特性的影響n 當(dāng)測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)當(dāng)測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)TmTm小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)的小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)的1/101/10時(shí)，對(duì)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大，不需盲目追求小時(shí)間常數(shù)的測(cè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大，不需盲目追求小時(shí)間常數(shù)的測(cè)量元件；量元件；n 有時(shí)，測(cè)量元件安裝是否正確，維護(hù)是否得當(dāng)，也會(huì)影響有時(shí)，測(cè)量元件安裝是否正確，維護(hù)是否得當(dāng)，也會(huì)影響測(cè)量與控制。特別是流量測(cè)量元件和溫度測(cè)量元件，例如測(cè)量與控制。特別是流量測(cè)量元件和溫度

15、測(cè)量元件，例如工業(yè)用的孔板、熱電偶和熱電阻元件等。如果安裝不正確，工業(yè)用的孔板、熱電偶和熱電阻元件等。如果安裝不正確，往往會(huì)影響測(cè)量精度，不能正確反映被控變量的變化情況，往往會(huì)影響測(cè)量精度，不能正確反映被控變量的變化情況，這種失真的情況會(huì)影響控制質(zhì)量。同時(shí)，使用過程中要經(jīng)這種失真的情況會(huì)影響控制質(zhì)量。同時(shí)，使用過程中要經(jīng)常注意維護(hù)、檢查，特別是使用條件比較惡劣常注意維護(hù)、檢查，特別是使用條件比較惡劣 的情況的情況（如介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)晶、易結(jié)焦等），更應(yīng)該經(jīng)常檢（如介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)晶、易結(jié)焦等），更應(yīng)該經(jīng)常檢查，必要時(shí)進(jìn)行清理、維修或者更換。例如當(dāng)用熱電偶測(cè)查，必要時(shí)進(jìn)行清理、維修或者更換。

16、例如當(dāng)用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，有時(shí)會(huì)因使用一段時(shí)間后，熱電偶表面結(jié)晶或量溫度時(shí)，有時(shí)會(huì)因使用一段時(shí)間后，熱電偶表面結(jié)晶或結(jié)焦，使時(shí)間常數(shù)大大增大，以致嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。結(jié)焦，使時(shí)間常數(shù)大大增大，以致嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。三、三、 測(cè)量元件特性的影響測(cè)量元件特性的影響2.2.測(cè)量元件的純滯后；測(cè)量元件的純滯后；從測(cè)量方面來說，由于測(cè)量點(diǎn)選擇不當(dāng)、測(cè)量元件安裝不合適等原因也會(huì)造成傳遞滯后。圖8-6 蒸汽直接加熱器 當(dāng)加熱蒸汽量增大時(shí)，槽內(nèi)溫度升高，然而槽內(nèi)溶液流到管道測(cè)溫點(diǎn)處還要經(jīng)過一段時(shí)間0。所以，相對(duì)于蒸汽流量變化的時(shí)刻，實(shí)際測(cè)得的溶液溫度T要經(jīng)過時(shí)間0后才開始變化。 安裝成分分析儀器時(shí)，取樣管線太長(zhǎng)

17、，取樣點(diǎn)安裝離設(shè)安裝成分分析儀器時(shí)，取樣管線太長(zhǎng)，取樣點(diǎn)安裝離設(shè)備太遠(yuǎn)，都會(huì)引起較大的純滯后時(shí)間，工作中要盡量避免。備太遠(yuǎn)，都會(huì)引起較大的純滯后時(shí)間，工作中要盡量避免。 25三、三、 測(cè)量元件特性的影響測(cè)量元件特性的影響n 如果被控變量是中和槽內(nèi)出口溶液的pH值，但作為測(cè)量元件的測(cè)量電極卻安裝在遠(yuǎn)離中和槽出口管的位置，并且電極安裝在流量較小、流速緩慢的副，管道上，這樣，電極所測(cè)得的信號(hào)與中和槽內(nèi)溶液的pH值在時(shí)間上就延遲了一段時(shí)間t0。 n 這一滯后使得測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。22110ll00安裝成分分析儀器安裝成分分析儀器、pHpH值測(cè)量值測(cè)量時(shí)，

18、時(shí)，而且這時(shí)引入微分作用是徒勞的，加得不當(dāng)反而會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)而且這時(shí)引入微分作用是徒勞的，加得不當(dāng)反而會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。定。 所以測(cè)量元件安裝時(shí)，一定要注意盡量減少純滯后，滯后對(duì)于大純滯所以測(cè)量元件安裝時(shí)，一定要注意盡量減少純滯后，滯后對(duì)于大純滯后的系統(tǒng)，需要采用復(fù)雜控制系統(tǒng)。后的系統(tǒng)，需要采用復(fù)雜控制系統(tǒng)。三、三、 測(cè)量元件特性的影響測(cè)量元件特性的影響24顯然顯然，純滯后時(shí)間0與皮帶輸送機(jī)的傳送速度v和傳送距離L有如下關(guān)系： vL0（8-30）溶解槽及其反應(yīng)曲線純滯后時(shí)間舉例舉例三、三、 測(cè)量元件特性的影響測(cè)量元件特性的影響n 3.信號(hào)的傳遞滯后n 信號(hào)的傳遞滯后包括檢測(cè)信號(hào)傳送滯后和控制信號(hào)傳

19、遞滯后。n 測(cè)量元件信號(hào)傳遞滯后是指由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送裝置的信號(hào)傳遞到控制室的控制器所引起的滯后。電信號(hào)可忽略，氣信號(hào)會(huì)存在一定滯后；n 控制信號(hào)傳遞滯后是指控制室內(nèi)控制器的輸出控制信號(hào)傳遞到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所引起的滯后。對(duì)于氣動(dòng)薄膜控制器來說，會(huì)有比較大的容量滯后，使控制不及時(shí)，控制效果變差。n 信號(hào)傳遞滯后對(duì)控制質(zhì)量影響基本與對(duì)象控制通道滯后相同，應(yīng)盡量減少。所以一般氣壓信號(hào)的管路不能超過300m，直徑不能小于6mm，或者閥門定位器、氣動(dòng)繼動(dòng)器增大輸出功率，必要時(shí)將氣信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，減少傳遞滯后。四、四、 控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定n 1.1.控制規(guī)律的選擇控制規(guī)

20、律的選擇n目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律: :比比例控制規(guī)律例控制規(guī)律P P、比例積分控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律PIPI和比例積分微和比例積分微分控制規(guī)律分控制規(guī)律PIDPID。第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 位式控制位式控制 適用于對(duì)控制質(zhì)量要求不高，被控對(duì)象是單容量的、且容量較大、滯后較小、適用于對(duì)控制質(zhì)量要求不高，被控對(duì)象是單容量的、且容量較大、滯后較小、負(fù)荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動(dòng)范圍較寬的場(chǎng)合。負(fù)荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動(dòng)范圍較寬的場(chǎng)合。 比例控制比例控制 優(yōu)點(diǎn)：比例控制克服干擾能力

21、強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短。優(yōu)點(diǎn)：比例控制克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短。 缺點(diǎn)：在過渡過程終了時(shí)存在余差缺點(diǎn)：在過渡過程終了時(shí)存在余差 適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝允許被控變量存在余差的場(chǎng)合。適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝允許被控變量存在余差的場(chǎng)合。 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 保證整個(gè)控制系統(tǒng)形成負(fù)反饋。保證整個(gè)控制系統(tǒng)形成負(fù)反饋。 在控制系統(tǒng)中，控制器、被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器都有各自在控制系統(tǒng)中，控制器、被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器都有各自的作用方向，一般被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行

22、器的作用方向是固定的作用方向，一般被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器的作用方向是固定的，因此為了使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋，應(yīng)對(duì)控制器的正反作用進(jìn)行調(diào)整。的，因此為了使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋，應(yīng)對(duì)控制器的正反作用進(jìn)行調(diào)整。 所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當(dāng)輸入所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當(dāng)輸入增加時(shí)，輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為增加時(shí)，輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用正作用”方向；反之，當(dāng)環(huán)節(jié)方向；反之，當(dāng)環(huán)節(jié)的輸人增加時(shí)，輸出減小，則稱該環(huán)節(jié)為的輸人增加時(shí)，輸出減小，則稱該環(huán)節(jié)為“反作用反作用”方向。方向。何謂何謂“正正”、“反反”作用？作用？控制器正控制器正 反作用選擇的基本原則反

23、作用選擇的基本原則第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制器正控制器正 反作用選擇的步驟反作用選擇的步驟1 1、判斷被控對(duì)象的正反作用方向，由工藝機(jī)理確定、判斷被控對(duì)象的正反作用方向，由工藝機(jī)理確定 ；2 2、判斷執(zhí)行器的正反作用方向，由工藝安全條件選定，其選擇原、判斷執(zhí)行器的正反作用方向，由工藝安全條件選定，其選擇原則是：控制信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全；則是：控制信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全； 3 3、確定廣義對(duì)象的正反作用方向，一般、確定廣義對(duì)象的正反作用方向，一般測(cè)量變送環(huán)節(jié)為正作用方測(cè)量變送環(huán)節(jié)為正作用方向向，根據(jù)被控對(duì)象和執(zhí)行器的作用方向，確定廣義

24、對(duì)象的正反作用，根據(jù)被控對(duì)象和執(zhí)行器的作用方向，確定廣義對(duì)象的正反作用方向；方向；4 4、確定控制器的正反作用方向，廣義對(duì)象正作用方向，則控制器、確定控制器的正反作用方向，廣義對(duì)象正作用方向，則控制器應(yīng)選擇為反作用，反之亦然。應(yīng)選擇為反作用，反之亦然。被控變量被控變量控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量變送環(huán)節(jié)測(cè)量變送環(huán)節(jié)干擾干擾偏差偏差設(shè)定值設(shè)定值廣義對(duì)象廣義對(duì)象第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)燃料氣TC加熱爐出口溫度控制加熱爐出口溫度控制控制器正控制器正 反作用選擇的實(shí)例反作用選擇的實(shí)例液位控制液位控制第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6-18 乳

25、化物干燥系統(tǒng)示意圖乳化物干燥系統(tǒng)示意圖乳化物乳化物高位槽高位槽過濾器過濾器12WWW3蒸蒸汽汽空空氣氣產(chǎn)產(chǎn)品品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)工藝要求工藝要求 在在保證產(chǎn)品含水率合格的前提下，保證產(chǎn)品含水率合格的前提下， 保證最大產(chǎn)量保證最大產(chǎn)量。 被控變量被控變量 產(chǎn)品含水率產(chǎn)品含水率 干燥溫度干燥溫度T T1 1 影響被控變量的主要輸入變量影響被控變量的主要輸入變量 乳化物流量乳化物流量f fw w 旁路空氣流量旁路空氣流量f fQ Q 加熱蒸汽壓力流量加熱蒸汽壓力流量f fp p 第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案方案1：乳化物流量為控制變量：乳化物流

26、量為控制變量fWP1100S+11100S+1e-3SfQe-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)T控制器控制器TC偏差偏差設(shè)定值設(shè)定值干擾干擾 方案方案2：旁路空氣流量：旁路空氣流量fQ為控制變量為控制變量-最佳方案最佳方案設(shè)定值設(shè)定值P1100S+1e-3S 100S+1fQe-2S(8.5S+1)3T控制器控制器TC偏差偏差fW干擾干擾 方案方案3：蒸汽流量：蒸汽流量fp為控制變量為控制變量e-2S(8.5S+1)31100S+1e-3S 100S+1fQT控制器控制器TC偏差偏差設(shè)定值設(shè)定值fWP 乳化物乳化物高位槽高位槽過濾器過濾器12WWW3蒸蒸汽汽空空氣氣產(chǎn)產(chǎn)品品

27、GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定1.1.臨界比例度法臨界比例度法19n控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定 按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。即確定最合適的控制器比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，使控制質(zhì)量能滿足工藝生產(chǎn)的要求。理論計(jì)算的方法和工程整定法。 先通過試驗(yàn)得到臨界比例度k和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。 第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定20圖6-20 臨界振蕩過程表 6-1臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表 比較簡(jiǎn)單方便，容易掌握和判斷，適用于

28、一般的控制系統(tǒng)。第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定21通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值。圖6-2141和101衰減振蕩過程表6-241衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表表6-3101衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定s22第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定23（1 1）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般為額定值的來定，一般為額定值的5 5左右，也有例外的情況。左右，也有例外的情況。（2 2）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定

29、情況下才能施加干擾，否則得不到正確的則得不到正確的S、TS或或S和和T升升值。值。（3 3）對(duì)于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容）對(duì)于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到4141衰減衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動(dòng)兩次達(dá)到穩(wěn)曲線比較困難。一般以被控變量來回波動(dòng)兩次達(dá)到穩(wěn)定，就可以近似地認(rèn)為達(dá)到定，就可以近似地認(rèn)為達(dá)到4141衰減過程了。衰減過程了。 第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，直接在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過

30、程曲線，運(yùn)用、TI、TD對(duì)過渡過程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對(duì)比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。 24第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定25表6-5 各類控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定26第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定27圖6-22三種振蕩曲線比較圖6-23比例度過大、積分時(shí)間過大時(shí)兩種曲線比較比例度過小、積分時(shí)間過小或微分時(shí)間過大，產(chǎn)生的周期性激烈振蕩。 如果比例度過大或積分時(shí)間過大，過渡過程變化緩慢的情形。第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工

31、程整定28（2）先按表7-4中給出的范圍把TI定下來，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后對(duì)進(jìn)行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。 方法簡(jiǎn)單，適用于各種控制系統(tǒng)。 特別是外界干擾作用頻繁，記錄曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)，采用此法最為合適。 此法主要是靠經(jīng)驗(yàn)，在缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或過渡過程本身較慢時(shí)，往往較為費(fèi)時(shí)。 第三節(jié)第三節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定 對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，不同的人采用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定，對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，不同的人采用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定，可能得出不同的參數(shù)值?？赡艿贸霾煌膮?shù)值。 在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，控制器的參數(shù)必須在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，控制器的參數(shù)必須整定，才

32、能獲得滿意的控制質(zhì)量。同時(shí)，在生產(chǎn)進(jìn)整定，才能獲得滿意的控制質(zhì)量。同時(shí)，在生產(chǎn)進(jìn)行的過程中，如果工藝操作條件改變，或負(fù)荷有很行的過程中，如果工藝操作條件改變，或負(fù)荷有很大變化，被控對(duì)象的特性就要改變，因此，控制器大變化，被控對(duì)象的特性就要改變，因此，控制器的參數(shù)必須重新整定。的參數(shù)必須重新整定。 29第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題n 一、控制系統(tǒng)的投運(yùn)一、控制系統(tǒng)的投運(yùn) 對(duì)于工藝人員與儀表人員來說 對(duì)于儀表人員來說30第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題 投運(yùn)前要在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀表一次, 確認(rèn)正常后可考慮投運(yùn)

33、。 對(duì)于,除了要觀察測(cè)量指示是否正常外,還特別要對(duì)控制器控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)校。 31第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題 控制好控制器的正、反作用，是確保整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的重要一環(huán)。正作用？正作用？反作用？反作用？圖6-24 控制器正、反作用開關(guān)示意圖32第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題舉例加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)圖6-25 加熱爐出口溫度控制 為了在控制閥氣源突然斷氣時(shí),爐溫不繼續(xù)升高,采用了氣開閥 (停氣時(shí)關(guān)閉) ,是“正”方向。爐溫是隨燃料的增多而升高的,以爐子也是“正”方向作用的。變送器是

34、隨爐溫升高,輸出增大,也是“正”方向。所以控制器必須為“反方向”,才能當(dāng)爐溫升高時(shí),使閥門關(guān)小,爐溫下降。 33第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題舉例液位控制系統(tǒng)圖6-26 液位控制 控制閥采用了氣開閥,在一旦停止供氣時(shí),閥門自動(dòng)關(guān)閉,以免物料全部流走,故控制閥是“正”方向。當(dāng)控制閥打開時(shí),液位是下降的,所以對(duì)象的作用方向是“反”的。變送器為“正”方向。這時(shí)控制器的作用方向必須為“正”才行。 34第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題圖6-27 控制閥安裝示意圖1上游閥；2下游閥；3旁路閥；4控制閥35第四節(jié)第

35、四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題 開車時(shí)的兩種操作步驟：開車時(shí)的兩種操作步驟：36第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題n 先將截止閥1和截止閥2關(guān)閉,手動(dòng)操作旁路閥3 ,使工況逐漸趨于穩(wěn)定; 用手動(dòng)定值器或其他手動(dòng)操作器調(diào)整控制閥上的氣壓P,使它等于某一中間數(shù)值或已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值; 先開上游閥1 ,再逐漸開下游閥2 ,同時(shí)逐漸關(guān)閉旁路閥3,以盡量減少波動(dòng)(亦可先開下游閥2); 觀察儀表指示值,改變手動(dòng)輸出,使被控變量接近給定值。37第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題n 遠(yuǎn)距離人工控制控制閥叫手動(dòng)遙控遠(yuǎn)距離人工控制控制閥叫手動(dòng)遙控, ,可以有三種不同的可以有三種不同的情況情況: : 控制閥本身是遙控閥,利用定值器或其他手動(dòng)操作器遙控; 控制器本身有切換裝置或帶有副線板,切至“手動(dòng)”位置,利用定值器或手操輪遙控; 控制器不切換,放在“自動(dòng)”位置,利用定值器改變給定值而進(jìn)行遙控。但此時(shí)宜將比例度置于中間數(shù)值,不加積分和微分作用。 38第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題 通過手動(dòng)遙控控制閥,使工況趨于穩(wěn)定以后,控制器就可以由手動(dòng)切換到自動(dòng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。39第四節(jié)