第十三講簡單控制系統(tǒng)

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第十二章第十二章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 內容提要內容提要 概述概述 被控變量的選擇被控變量的選擇 操縱變量的選擇操縱變量的選擇 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)整定控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定1 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運控制系統(tǒng)的投運控制系統(tǒng)操作中的常見問題控制系統(tǒng)操作中的常見問題第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第一節(jié)第一節(jié) 概述概述3圖12-3簡單控制系統(tǒng)的方塊圖第一節(jié)第一節(jié) 概述概述5圖12-1 液位控制系統(tǒng)圖12-2 溫度控制系統(tǒng)常見的兩種簡單控

2、制系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 被控變量的選擇被控變量的選擇6 生產過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。 關鍵變量：關鍵變量：它們對產品的產量、質量以及安全具具有決定性有決定性的作用，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) 被控變量的選擇被控變量的選擇直接指標控制；直接指標控制；間接指標控制。間接指標控制。7 當質量指標信號缺少檢測手段、信號微弱、滯后很大時，可選取與直接質量指標有單值對應關系而反應又快的變量作為間接控制指標。第二節(jié)第二節(jié) 被控變量的選擇被控變量的選擇8圖12-4精餾過程示意圖1精餾塔；2蒸

3、汽加熱器圖12-5 苯-甲苯溶液的T-x圖圖12-6 苯-甲苯溶液的p-x圖舉例舉例塔頂易揮發(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三者之間三者之間的關系為：的關系為：X XD D=f=f（T TD D，P P），兩個獨立變量。），兩個獨立變量。第二節(jié)第二節(jié) 被控變量的選擇被控變量的選擇 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，保證塔的效率和經濟性。 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應關系。 所選變量有足夠的靈敏度。9第

4、二節(jié)第二節(jié) 被控變量的選擇被控變量的選擇10 要有代表性 被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量。 需要經常調節(jié)的參數(shù) 被控變量在工藝操作過程中經常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調節(jié)。 滯后要小 盡量采用直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。 應該獨立可控 簡單控制系統(tǒng)的被控變量應避免和其他控制系統(tǒng)的被控變量有關聯(lián)（耦合）關系。 靈敏度要高 被控變量應方便檢測，并具有足夠大的靈敏度。 成本要低 選擇被控變量時，必須考慮工藝的合理性和國內

5、儀表產品現(xiàn)狀。第三節(jié)第三節(jié) 操縱變量的選擇操縱變量的選擇12 在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為。 圖12-9 干擾通道與控制通道示意圖由干擾通道施加在對象上，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象上，使被控變量回復到給定值，起著校正作用。 第三節(jié)第三節(jié) 操縱變量的選擇操縱變量的選擇13圖12-7精餾塔流程圖如果根據工藝要求，選擇提餾段某塊塔板（一般為靈敏板）的溫度作為被控變量。 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最常見的操縱變量是介質的流量。第三節(jié)第三節(jié) 操縱變量的選擇操縱變量的選擇第三節(jié)第三節(jié) 操縱變

6、量的選擇操縱變量的選擇16 操縱變量應是可控的，即工藝上允許調節(jié)的變量。 操縱變量一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。 在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。 為此應通過合理選擇操縱變量，使控制通道的放大倍數(shù)適當大、時間常數(shù)適當?。ǖ灰诉^小，否則易引起振蕩）、純滯后時間盡量小，為使其他干擾對被控變量的影響盡可能小，應使干擾通道的放大倍數(shù)盡可能小，時間常數(shù)盡可能大 一般來說不宜選擇生產負荷作為操縱變量，因為生產負荷直接關系到產品的產量，是不宜經常波動的。第四節(jié)第四節(jié) 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)整定一、控制規(guī)律的選擇一、

7、控制規(guī)律的選擇目前工業(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: :比例比例控制規(guī)律控制規(guī)律P P、比例積分控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律PIPI和比例積分微分控和比例積分微分控制規(guī)律制規(guī)律PIDPID。17第四節(jié)第四節(jié) 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)整定特點特點適用于適用于比例控比例控制器制器控制器的輸出與偏差成比例,閥門位置與偏差之間有一一對應關系。當負荷變化時,比例控制器克服干擾能力強,過渡過程時間短。純比例控制器在過渡過程終了時存在余差。 調節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。 比例積比例積分控制分控制器器積

8、分作用使控制器輸出與偏差的積分成比例, 過渡過程結束時無余差。但使穩(wěn)定性降低。 調節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。 比例積比例積分微分分微分控制器控制器微分作用使控制器的輸出與偏差變化速度成比例。它對克服容量滯后有顯著效果。在比例的基礎上加上微分作用能提高穩(wěn)定性,再加上積分作用可以消除余差。 容量滯后較大、負荷變化大、控制質量要求較高的系統(tǒng) 18第四節(jié)第四節(jié) 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1.1.臨界比例度法臨界比例度法19 二、控制器參數(shù)的工程整定二、控制器參數(shù)的工程整定 整定？整定？ 按照已定的控制方案，求取使控制質量最好的控制器參數(shù)

9、值。即確定最合適的控制器比例度、積分時間TI和微分時間TD。 理論計算的方法和工程整定法。 先通過試驗得到臨界比例度k和臨界周期Tk，然后根據經驗總結出來的關系求出控制器各參數(shù)值。 第四節(jié)第四節(jié) 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1.1.臨界比例度法臨界比例度法第四節(jié)第四節(jié) 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20圖12-10 臨界振蕩過程控制作用控制作用比例度比例度/%/%積分時間積分時間TI/min微分時間微分時間TD/min比例比例比例比例+ +積分積分比例比例+ +微分微分比例比例+ +積分積分+ +微分微分22k2.22.2k1.8k

10、1.7k0.850.85T Tk k0.50.5T Tk k0.10.1T Tk k0.1250.125T Tk k表 12-2臨界比例度法參數(shù)計算公式表 比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。第四節(jié)第四節(jié) 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21通過使系統(tǒng)產生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值。圖12-1141和101衰減振蕩過程控制作用控制作用/%/%TI/minTD/min比例比例s s比例比例+ +積分積分1.21.2s s 0.50.5TS S比例比例+ +積分積分+ +微分微分0.80.8s s 0.30.3TS S0.10.1TS S控制作用控制作

11、用/%/%TI/minTD/min比例比例s s 比例比例+ +積分積分1.21.2s s 2 2T升升比例比例+ +積分積分+ +微分微分0.80.8s s 1.21.2T升升0.40.4T升升表12-341衰減曲線法控制器參數(shù)計算表表12-4101衰減曲線法控制器參數(shù)計算表第四節(jié)第四節(jié) 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)整定第四節(jié)第四節(jié) 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23（1 1）加的干擾幅值不能太大，要根據生產操作要求）加的干擾幅值不能太大，要根據生產操作要求來定，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

12、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）對于反應快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容）對于反應快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴格得到量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴格得到4141衰減衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)定，就可以近似地認為達到定，就可以近似地認為達到4141衰減過程了。衰減過程了。 第四節(jié)第四節(jié) 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)整定根據

13、經驗先將控制器參數(shù)放在一個數(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程曲線，運用、TI、TD對過渡過程的影響為指導，按照規(guī)定順序，對比例度、積分時間TI和微分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。 24第四節(jié)第四節(jié) 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25控制變量控制變量特特 點點/%/%TI/minTD/min流量流量對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動， 要大；TI要短；不用微分401000.3 1溫度溫度對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾候變化遲緩；應??；TI要長；一般需加微分20 603 100.5 3壓力壓力對象的容量滯后一般，不算

14、大，一般不加微分30 700.4 3液位液位對象時間常數(shù)范圍較大。要求不高時，可在一定范圍內選取，一般不用微分20 80表12-5 各類控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)經驗數(shù)據表第四節(jié)第四節(jié) 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26第四節(jié)第四節(jié) 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27圖12-12三種振蕩曲線比較圖12-13比例度過大、積分時間過大時兩種曲線比較比例度過小、積分時間過小或微分時間過大，產生的周期性激烈振蕩。 如果比例度過大或積分時間過大，過渡過程變化緩慢的情形。第四節(jié)第四節(jié) 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28（2

15、）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，然后對進行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。 方法簡單，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。 此法主要是靠經驗，在缺乏實際經驗或過渡過程本身較慢時，往往較為費時。 第四節(jié)第四節(jié) 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 對于同一個系統(tǒng)，不同的人采用經驗湊試法整定，對于同一個系統(tǒng)，不同的人采用經驗湊試法整定，可能得出不同的參數(shù)值?？赡艿贸霾煌膮?shù)值。 在一個自動控制系統(tǒng)投運時，控制器的參數(shù)必須在一個自動控制系統(tǒng)投運時，控制器的參數(shù)必須整

16、定，才能獲得滿意的控制質量。同時，在生產進整定，才能獲得滿意的控制質量。同時，在生產進行的過程中，如果工藝操作條件改變，或負荷有很行的過程中，如果工藝操作條件改變，或負荷有很大變化，被控對象的特性就要改變，因此，控制器大變化，被控對象的特性就要改變，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第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題一、控制系統(tǒng)的投運一、控制系統(tǒng)的投運 對于工藝人員與儀表人員來說 對于儀表人員來說30第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題 投運前要在現(xiàn)場校驗儀表一次, 確認正常后可考慮投

17、運。 對于,除了要觀察測量指示是否正常外,還特別要對控制器控制點進行復校。 31第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題 控制好控制器的正、反作用，是確保整個自動控制系統(tǒng)成為負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的重要一環(huán)。正作用？正作用？反作用？反作用？圖12-14 控制器正、反作用開關示意圖32第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題舉例加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)圖12-15 加熱爐出口溫度控制 為了在控制閥氣源突然斷氣時,爐溫不繼續(xù)升高,采用了氣開閥 (停氣時關閉) ,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

18、送器是隨爐溫升高,輸出增大,也是“正”方向。所以控制器必須為“反方向”,才能當爐溫升高時,使閥門關小,爐溫下降。 33第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題舉例液位控制系統(tǒng)圖12-16 液位控制 控制閥采用了氣開閥,在一旦停止供氣時,閥門自動關閉,以免物料全部流走,故控制閥是“正”方向。當控制閥打開時,液位是下降的,所以對象的作用方向是“反”的。變送器為“正”方向。這時控制器的作用方向必須為“正”才行。 34第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題圖12-17 控制閥安裝示意圖1上游閥；2下游閥；3旁路閥；4控制閥3

19、5第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題 開車時的兩種操作步驟：開車時的兩種操作步驟：36第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題n 先將截止閥1和截止閥2關閉,手動操作旁路閥3 ,使工況逐漸趨于穩(wěn)定; 用手動定值器或其他手動操作器調整控制閥上的氣壓P,使它等于某一中間數(shù)值或已有的經驗數(shù)值; 先開上游閥1 ,再逐漸開下游閥2 ,同時逐漸關閉旁路閥3,以盡量減少波動(亦可先開下游閥2); 觀察儀表指示值,改變手動輸出,使被控變量接近給定值。37第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問

20、題n 遠距離人工控制控制閥叫手動遙控遠距離人工控制控制閥叫手動遙控, ,可以有三種不同的情況可以有三種不同的情況: : 控制閥本身是遙控閥,利用定值器或其他手動操作器遙控; 控制器本身有切換裝置或帶有副線板,切至“手動”位置,利用定值器或手操輪遙控; 控制器不切換,放在“自動”位置,利用定值器改變給定值而進行遙控。但此時宜將比例度置于中間數(shù)值,不加積分和微分作用。 38第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題 通過手動遙控控制閥,使工況趨于穩(wěn)定以后,控制器就可以由手動切換到自動,實現(xiàn)自動操作。39第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運

21、及操作中的常見問題 不管采用哪種方法進行整定,所得到的自動控制系統(tǒng),在正常工況下,由于經常受到各種擾動,被控變量不可能總是穩(wěn)定在一個數(shù)值上長期不變。 如果出現(xiàn)記錄曲線是一條直線或一個圓,就要檢查一下測量記錄儀表有否故障,靈敏度是否足夠等。 40第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題n 一、控制系統(tǒng)操作中的常見問題一、控制系統(tǒng)操作中的常見問題圖12-18 精餾塔控制系統(tǒng)之間的干擾41第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題圖12-19 壓力和流量控制系統(tǒng)之間的干擾圖12-20 負荷分配系統(tǒng)42第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投

22、運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題 43第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題記錄曲線突變。記錄曲線突然大幅度變化。記錄曲線出現(xiàn)不規(guī)則變化。記錄曲線出現(xiàn)等幅振蕩。記錄曲線不變化,呈直線狀 (或圓狀)。44第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題圖12-21 不規(guī)則變化的記錄曲線圖12-22 記錄曲線的等幅振蕩45第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題46第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題 出現(xiàn)問題時，除了要考慮前面所講的測量系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障以外,特別要注意被控對象特性的變化以及控制閥特性變化的可能性,要結合儀表和工藝兩個方面去找原因。 針對適應對象特性的變化,一般可以通過重新整定控制器參數(shù),以獲得較好的控制質量。 47例題分析例題分析1.試總結歸納一下控制器參數(shù)整定的方法、特點與使用場合。工程上常用的整定方法的特點與使用場合列表如下:整定方法特 點使 用 場 合