過程控制儀表及控制系統(tǒng)第06章-單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、6.1 概述6.2 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計6.3 單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定6.4 單回路控制系統(tǒng)的投運6.5 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計舉例第6章 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)節(jié)器(控制器)被控對象測量變送環(huán)節(jié)(傳感器、變送器)+x執(zhí)行器zeuqyf“1”“1”6.1 概述過程控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可以分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)（串級）。單回路控制系統(tǒng)包含一個測量變送器、一個調(diào)節(jié)器、一個執(zhí)行器和對象，對對象的某一個被控制參數(shù)進行閉環(huán)負反饋控制。在系統(tǒng)分析、設(shè)計和整定中，單回路系統(tǒng)設(shè)計方法是最基本的方法，適用于其他各類復雜控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、整定和投運。 6.1.1 一般要求 自動控制系統(tǒng)的一般要求：1過

2、程控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的 2系統(tǒng)必須具有適當?shù)姆€(wěn)定裕量 3系統(tǒng)應是一個衰減振蕩過程（特殊生產(chǎn)要求例外），但過渡過程時間要短，余差要小 6.1.2 控制方案1.總體設(shè)計與系統(tǒng)布局的關(guān)系 在進行總體設(shè)計和系統(tǒng)布局時，應該全面地考慮生產(chǎn)設(shè)備之間的相互聯(lián)系，綜合各個生產(chǎn)操作之間的相互影響，合理設(shè)計各個控制系統(tǒng)。要從生產(chǎn)過程去全面地分析問題和解決問題，從物料平衡和工藝流程去設(shè)計各個過程控制系統(tǒng)，即要從整個生產(chǎn)工藝過程的自動化考慮所設(shè)計的過程控制系統(tǒng)應該包含產(chǎn)品質(zhì)量控制、物料或能量控制、限制條件控制等，以全局的設(shè)計方法來正確處理整個系統(tǒng)的布局，統(tǒng)籌兼顧。 6.1.2 控制方案2.被控過程的特性 過程控制系統(tǒng)

3、設(shè)計應根據(jù)不同過程特性，確定控制方案與調(diào)節(jié)器的設(shè)計或選型以及調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。 必須深入了解生產(chǎn)工藝情況，結(jié)合控制要求，根據(jù)過程特性、擾動情況以及限制條件等運用控制理論和控制技術(shù)才能設(shè)計一個工藝上合理的正確控制方案。6.1.3 基本方法在系統(tǒng)設(shè)計中，通常包括綜合法和試探法，具體過程如下：熟悉技術(shù)要求或性能指標，了解被控過程和過程檢測控制儀表的動態(tài)性能；應用綜合方法建立系統(tǒng)的數(shù)學模型并進行仿真，應用最佳控制理論得出系統(tǒng)性能指標的上限；對設(shè)計出來的系統(tǒng)在各種信號和擾動作用下進行響應測試，若系統(tǒng)性能指標不能令人滿意，則必須進行再設(shè)計，直到獲得滿意的性能指標為止。此外，還需進行反復試探測試實驗，直到獲

4、得滿意的性能指標要求為止。6.1.4 設(shè)計步驟建立對象的數(shù)學模型 選擇控制方案 建立系統(tǒng)方框圖 進行系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性分析計算進行系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性分析計算 實驗和仿真 系統(tǒng)投運 6.1.5 主要內(nèi)容過程控制系統(tǒng)設(shè)計包括方案設(shè)計、工程設(shè)計、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個主要內(nèi)容?？刂品桨冈O(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的核心 工程設(shè)計包括儀表選型、控制室和儀表盤設(shè)計、儀表供電供氣系統(tǒng)設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等。 過程控制系統(tǒng)的正確安裝是保證系統(tǒng)正常運行的前提。系統(tǒng)安裝完，還要對每臺儀表進行單校和每個控制回路進行聯(lián)校。 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定是系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)的重要保證 6.2 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計對于

5、過程控制系統(tǒng)的設(shè)計和應用來說，控制方案的設(shè)計是核心。單回路控制系統(tǒng)（控制方案）設(shè)計的基本原則，包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、信息的獲取和變送、調(diào)節(jié)閥的選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及其正、反作用方式的確定等。6.2.1 被控參數(shù)的選擇選取被控參數(shù)的一般原則為： 選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。 當不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應該選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。 被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度。 被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。 6.2.2 控制參數(shù)的選擇1. 過程靜態(tài)特性的分析：

6、單回路控制系統(tǒng)的框圖見圖6-1， 圖6-1 過程控制系統(tǒng)框圖 設(shè)被控量Y(s)對擾動F(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為由于系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在階躍擾動下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值可應用終值定理求得：6.2.2 控制參數(shù)的選擇2. 過程動態(tài)特性的分析 （1）過程擾動通道動態(tài)特性的影響1）時間常數(shù)Tf的影響圖6-1所示的單回路控制系統(tǒng)，當x(s)=0時，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：設(shè) 為一個單容過程，其傳遞函數(shù)為： 系統(tǒng)的特征方程為： 其復平面如圖：分析：擾動通道的時間常數(shù) 愈大，容積愈多，則擾動對被控參數(shù)的影響也愈小，控制質(zhì)量也愈好。 2）時延 的影響：圖6-1a所示，在給定信號X(s)作用下，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為: 閉環(huán)系統(tǒng)特

7、征方程為: 當擾動通道有時延 時，在擾動作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為: 分析：擾動通道的時延 ，不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，僅使系統(tǒng)響應曲線 推遲了一個時延 。3）擾動作用點位置分析：當擾動引入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)愈近時，則對其影響愈大；相反，當擾動離被控參數(shù)愈遠（即離調(diào)節(jié)閥愈近）時，則對其影響愈小。 （2）過程控制通道動態(tài)特性的影響 1）可控性指標最大增益 和臨界頻率 稱為衡量被控過程進行控制的難易程度的指標，即可控性指標。由自動控制理論可知，產(chǎn)生臨界振蕩需要兩個條件：系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的振幅比為1；系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)相頻特性的相角為-180。因此，若已知廣義被控過程的對數(shù)頻率特性，就可求得該過程可控性

8、的 、 值。 2）控制通道的影響 利用對數(shù)頻率特性方法，可求出表6-1所示的不同被控過程動態(tài)特性的可控性指標。 結(jié)論：在選擇控制參數(shù)時，應選擇時間常數(shù)較小、反應靈敏的、純時延小的通道作為控制通道。 3）過程的時間常數(shù)匹配 設(shè)廣義過程的傳遞函數(shù)為： 分析：結(jié)論：在選擇控制通道時，使廣義過程特性中的幾個時間常數(shù)數(shù)值錯開，減小中間的時間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率；減小過渡過程時間和最大偏差等，以提高可控性指標，改善控制質(zhì)量。 3根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則 選擇過程控制通道的放大系數(shù) 要適當大一些；時間常數(shù) 要適當小一些；純時延 愈小愈好，在有純時延 的情況下， 與 之比應小一些（小于1），若

9、其比值過大，則不利于控制。 選擇過程擾動通道的放大系統(tǒng) 要盡可能??；時間常數(shù) 要大；擾動引入系統(tǒng)的位置要遠離控制過程（即靠近調(diào)節(jié)閥）；容量時延愈大，則有利于控制。 廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥和測量變送器）由幾個一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制參數(shù)時，應盡量設(shè)法把幾個時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。 注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟性。6.2.3 測量變送器的特征對控制質(zhì)量的影響1. 時延 和時間常數(shù) 對控制質(zhì)量的影響測量變送環(huán)節(jié)可用一階時延環(huán)節(jié)來描述，即： 減小上式中的 和 均對提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量有利。若 較大，則會使記錄曲線與實際參數(shù)之間產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差

10、。 圖6-6 和 引起動態(tài)誤差 a）y為階躍信號 b）y為線性信號 c）y為周期信號 若 和 較大時，會使調(diào)節(jié)作用跟不上信號的變化，嚴重時會使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，因此必須對 和 引起的信號時延進行補償。 在系統(tǒng)設(shè)計中，可選用快速測量元件，一般選其時間常數(shù)為控制通道時間常數(shù)的1/10以下為宜；也可在變送器的輸出端，串一微分環(huán)節(jié)，如圖6-7所示。這時，輸出與輸入間的關(guān)系為： 使 = ，則 從而消除了動態(tài)誤差。 2.檢測變送儀表的誤差對控制質(zhì)量的影響 檢測變送器儀表的誤差包括基本誤差和附加誤差 ： 檢測變送儀表的基本誤差的影響 。 對測量信號進行線性處理 。 測量信號校正 。 6.2.4 信號傳送時延問

11、題氣動傳輸管道的特性可表示為： 在管道內(nèi)徑為4.8mm，氣壓為0.020.10MPa的情況下，試驗測得如表8-3所列數(shù)據(jù)。 改進措施：若測量信號為電信號，可將轉(zhuǎn)換器安裝在儀表盤附近，以縮短氣壓信號的傳送距離。 若調(diào)節(jié)器輸出為氣壓信號，可在5060m距離間，裝一繼動器，提高氣壓信號的傳輸功率，以減小傳遞時間。 若調(diào)節(jié)器輸出為電信號，應將轉(zhuǎn)換器安裝在調(diào)節(jié)閥附近，或采用電氣閥門定位器。在系統(tǒng)設(shè)計時，應根據(jù)生產(chǎn)過程的特點、被控介質(zhì)的情況（如高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶、強腐蝕、高粘度等）、安全運行和推力等，選用氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器。按生產(chǎn)安全原則，選取氣開或氣關(guān)式。根據(jù)被控過程的特性、負荷變化

12、的情況以及調(diào)節(jié)閥在管道中的安裝方式等，選擇適當?shù)牧髁刻匦浴Ｔ谶^程控制中，使用最多的是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器。6.2.5 執(zhí)行器的選擇6.2.5 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇1.調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的適用范圍比例控制器：比例控制器適用于過程通道容量較大，純延時時間較小，負荷變化不大，工藝要求不高的場合。 比例積分控制器：比例積分控制器適用于過程容量較小，負荷變化較大，工藝要求無余差的場合。 比例微分控制器：比例微分控制器適用于過程容量較大，有延時的場合。比例積分微分控制器：比例積分微分控制器是一種理想的控制器，適用于不同的過程特性。2根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律 被控對象傳遞函數(shù)可近似為 Wo(s)= 可

13、根據(jù)對象的延時時間和對象自衡時間常數(shù)的比值選擇控制器的控制規(guī)律： 3控制器控制規(guī)律的選擇廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積時延較大時，應引入微分規(guī)律。如工藝容許有殘差，可選用比例微分規(guī)律；如工藝要求無殘差時，則選用比例積分微分規(guī)律。如溫度、成分、PH值控制等。 當廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化也不大，而工藝要求無殘差時，可選擇比例積分規(guī)律。如管道壓力和流量的控制。 廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化較小，工藝要求不高時，可選擇比例規(guī)律，如貯罐壓力、液位的控制。 當廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積遲延很大，負荷變化亦很大時，應設(shè)計復雜控制系統(tǒng)。 6.2.7 調(diào)節(jié)器正、反作用的確定1廣義

14、過程的正、反作用的確定 控制器有正作用和反作用兩種形式，其作用形式取決于被控制過程、執(zhí)行器、變送器等相關(guān)部分的作用形式。過程控制系統(tǒng)中相關(guān)部分的作用形式取決于各部分的靜態(tài)放大系數(shù)，如圖6-9所示，過程控制系統(tǒng)要能夠正常工作，則組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的靜態(tài)系數(shù)相乘必須為負，即形成負反饋。 圖6-9 過程控制系統(tǒng)框圖 （1）對象的正反作用形式對象正作用：對象的輸入量增加（或者減少），其輸出量亦增加（或者減少）， 對象反作用：對象的輸入量增加（或者減少），其輸出量亦減少（或者增加），（2）執(zhí)行器正反作用形式執(zhí)行器正作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是氣關(guān)式，執(zhí)行器反作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是氣開式，（3）控制器的正反

15、作用形式控制器正作用：控制器測量值增加（或者減少），其輸出量亦增加（或者減少），控制器反作用：控制器測量值增加（或者減少），其輸出量亦減少（或者增加）， （4）變送器的作用形式 變送器的靜態(tài)放大倍數(shù)通常為正，即。2控制器作用形式的確定 （1）確定原則 過程內(nèi)部各個環(huán)節(jié)的靜態(tài)系數(shù)相乘為負。即，計算（2）確定步驟 控制器正反形式確定的步驟：根據(jù)工藝安全確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開、氣關(guān)形式，從而確定根據(jù)過程特性確定對象的正反形式，確定根據(jù)確定原則確定控制器的正、反作用形式。正反作用形式。6.3 單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法可分為三類：理論計算整定法；工程整定法；計算機仿真尋優(yōu)整

16、定法。6.3.1 工程整定法 工程整定法主要包括：反應曲線法、臨界比例度法和衰減曲線法。 1反應曲線整定法 在圖6-10中，在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號，利用快速顯示記錄儀在變送器的輸出端記錄被控參數(shù)的響應曲線，見圖6-11。 圖6-10 求廣義過程階躍相應曲線示意圖 圖6-11 廣義過程階躍響應曲線a)無自平衡過程 b)自衡過程 對圖6-11a可寫出無自衡能力的廣義過程的傳遞函數(shù)為：表6-4為時無自衡能力過程的整定公式。 對圖6-11b可寫出有自衡能力的廣義過程的傳遞函數(shù)為： 2臨界比例度法 臨界比例度法是在系統(tǒng)閉環(huán)條件下進行的 （1）調(diào)節(jié)器置于純比例位置，且比例度 置于最大值，此時無積分（

17、 ）和微分（ ）作用。使系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。 （2）待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對給定值施加一適當幅值的階躍擾動，并逐步減小比例度 ，直到出現(xiàn)6-12所示的等幅振蕩，此即為臨界振蕩。并記錄下此時的比例度 ，稱為臨界比例度 。由圖6-12的記錄曲線上可查出臨界振蕩周期 之值。 3衰減曲線法 衰減曲線法在系統(tǒng)閉環(huán)運行條件下進行的。其具體步驟如下： （1）將調(diào)節(jié)器積分時間置于 ，微分時間 ，比例度 置于最大值，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。 （2）待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對給定值作一適當幅值的階躍擾動，并逐步減小比例度 ，直到記錄曲線出現(xiàn)圖6-13a所示的4：1衰減的曲線為止，記錄下此時的比例度 和衰減曲線的第一個振蕩周期 。

18、圖6-13 衰減曲線法a)4:1衰減曲線 b)10:1衰減曲線 查表6-7的計算公式，便可計算出調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)的整定值。 6.3.2 計算機仿真尋優(yōu)整定法調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的計算公式為： 對于比例（P）作用 對于積分（I）作用 對于微分（D）作用 6.4 單回路控制系統(tǒng)的投運準備工作 ：對檢測變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、供電、供氣、聯(lián)接管線等以及其它裝置進行檢查；在各組成系統(tǒng)的各臺儀表進行單獨調(diào)校的基礎(chǔ)上，再對系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)，觀察其工作是否正常，這是保證順利投入的重要步驟。 系統(tǒng)投運 ：根據(jù)生產(chǎn)過程的實際情況，首先將檢測變送器投入運行，觀察其測量顯示的參數(shù)是否正確；其次利用調(diào)節(jié)閥手動遙控，待被控參數(shù)在給定值附近穩(wěn)下來后，再從手動切換至自動控制。 6.5 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計舉例6.5.1 噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計1生產(chǎn)工藝概況2控制方案的設(shè)計 圖6-15 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 6.5.2 貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計 圖6-16 液位控制系統(tǒng)a)進液流量Q為控制參數(shù) b)出液流量Q1為控