化工儀表及自動(dòng)化第12章l

化工儀表及自動(dòng)化第十二章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

內(nèi)容提要概述被控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)整定控制規(guī)律的選擇控制器參數(shù)的工程整定1內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)操作中的常見問題2第一節(jié)概述3

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)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)。圖12-1液位控制系統(tǒng)圖12-2溫度控制系統(tǒng)第一節(jié)概述4圖12-3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖從圖中可知

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。第二節(jié)被控變量的選擇5

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。被控變量的界定

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)被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程的關(guān)系）直接指標(biāo)控制；間接指標(biāo)控制。6第二節(jié)被控變量的選擇7圖12-4精餾過程示意圖1—精餾塔；2—蒸汽加熱器圖12-5苯-甲苯溶液的T-x圖圖12-6苯-甲苯溶液的p-x圖舉例第二節(jié)被控變量的選擇從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因

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。8第二節(jié)被控變量的選擇9選擇被控變量的原則①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)，一般是工藝過程中較重要的變量。②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)。③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)被控變量的選擇④被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來，并具有足夠大的靈敏度。⑤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。⑥被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。

10第三節(jié)操縱變量的選擇11

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操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定第三節(jié)操縱變量的選擇12圖12-7精餾塔流程圖

如果根據(jù)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。舉例第三節(jié)操縱變量的選擇影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有：進(jìn)料的流量（Q入）、成分（x入）、溫度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液溫度（T回）、加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。通過工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。

13圖12-8影響提餾段溫度各種因素示意圖第三節(jié)操縱變量的選擇14圖12-9干擾通道與控制通道示意圖

干擾變量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；

操縱變量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。第三節(jié)操縱變量的選擇15操縱變量的選擇原則①

操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。②

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。

③

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。第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定一、控制規(guī)律的選擇目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律:比例控制規(guī)律P、比例積分控制規(guī)律PI和比例積分微分控制規(guī)律PID。16第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定特點(diǎn)適用于比例控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(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí),比例控制器克服干擾能力強(qiáng),過渡過程時(shí)間短。純比例控制器在過渡過程終了時(shí)存在余差。

調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。

比例積分控制器積分作用使控制器輸出與偏差的積分成比例,過渡過程結(jié)束時(shí)無余差。但使穩(wěn)定性降低。

調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。

比例積分微分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(duì)克服容量滯后有顯著效果。在比例的基礎(chǔ)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(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)

三種控制器性能比較表17第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定1.臨界比例度法18

二、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δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。方法理論計(jì)算的方法和工程整定法。

幾種常用的工程整定法

先通過試驗(yàn)得到臨界比例度δk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。第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定19圖12-10臨界振蕩過程控制作用比例度/%積分時(shí)間TI/min微分時(shí)間TD/min比例比例+積分比例+微分比例+積分+微分2δk2.2δk1.8δk1.7δk0.85Tk0.5Tk0.1Tk0.125Tk表12-2臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表特點(diǎn)

比較簡(jiǎn)單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。對(duì)于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。對(duì)于工藝上不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)本方法亦不適用。第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定20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12-11

4∶1和10∶1衰減振蕩過程控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs比例+積分1.2δs0.5TS比例+積分+微分0.8δs

0.3TS0.1TS控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs′比例+積分1.2δs′2T升比例+積分+微分0.8δs′1.2T升0.4T升表12-3

4∶1衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表表12-4

10∶1衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表2.衰減曲線法第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定

在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，并將比例度預(yù)置在較大的數(shù)值上。在達(dá)到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4∶1或10∶1衰減比為止。通過比例度δs

和衰減周期TS,得到控制器的參數(shù)整定值。21第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定22（1）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5％左右，也有例外的情況。（2）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δS

、TS或δS′和T升值。（3）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4∶1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)定，就可以近似地認(rèn)為達(dá)到4∶1衰減過程了。注意！第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)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程曲線，運(yùn)用δ、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δ、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。233.經(jīng)驗(yàn)湊試法第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定24控制變量特點(diǎn)δ/%TI/minTD/min流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，參數(shù)有波動(dòng)，δ要大；TI要短；不用微分40～1000.3～1溫度對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾候變化遲緩；δ應(yīng)?。籘I要長(zhǎng)；一般需加微分20～603～100.5～3壓力對(duì)象的容量滯后一般，不算大，一般不加微分30～700.4～3液位對(duì)象時(shí)間常數(shù)范圍較大。要求不高時(shí)，δ可在一定范圍內(nèi)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(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定整定的步驟（1）先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過渡過程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。關(guān)鍵看曲線，調(diào)參數(shù)。25第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定26圖12-12三種振蕩曲線比較圖12-13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。第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定27（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＝(1/3～1/4)TI，然后對(duì)δ進(jìn)行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。特點(diǎn)

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)。第四節(jié)控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)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。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。注意！28第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題一、控制系統(tǒng)的投運(yùn)1.準(zhǔn)備工作

對(duì)于工藝人員與儀表人員來說……

對(duì)于儀表人員來說……要重視！29第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題2.儀表檢查

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)。

對(duì)于控制記錄儀表,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。30第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題3.檢查控制器的正、反作用及控制閥的氣開、氣關(guān)型式

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？反作用？圖12-14控制器正、反作用開關(guān)示意圖31第五節(jié)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12-15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。32第五節(jié)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12-16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。33第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題4.控制閥的投運(yùn)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34第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題

一種是先用人工操作旁路閥,然后過渡到控制閥手動(dòng)遙控;

另一種是一開始就用手動(dòng)遙控。

開車時(shí)的兩種操作步驟：35第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題

當(dāng)由旁路閥手工操作轉(zhuǎn)為控制閥手動(dòng)遙控時(shí),步驟如下:①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;②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;③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);④觀察儀表指示值,改變手動(dòng)輸出,使被控變量接近給定值。36第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題

遠(yuǎn)距離人工控制控制閥叫手動(dòng)遙控,可以有三種不同的情況:①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;②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;③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。37第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題5.控制器的手動(dòng)和自動(dòng)的切換

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。要求：平穩(wěn)、迅速，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。38第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題6.控制器參數(shù)的整定

不管采用哪種方法進(jìn)行整定,所得到的自動(dòng)控制系統(tǒng),在正常工況下,由于經(jīng)常受到各種擾動(dòng),被控變量不可能總是穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上長(zhǎng)期不變。如果出現(xiàn)記錄曲線是一條直線或一個(gè)圓,就要檢查一下測(cè)量記錄儀表有否故障,靈敏度是否足夠等。39第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題一、控制系統(tǒng)操作中的常見問題

1.控制系統(tǒng)間的相互干擾及克服辦法圖12-18精餾塔控制系統(tǒng)之間的干擾精餾塔兩個(gè)溫度控制系統(tǒng)之間相互干擾40第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)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(fù)荷分配系統(tǒng)41第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題解決方案

可以通過控制器參數(shù)整定,將兩個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)聯(lián)系削弱,使其能正常工作。采取這種措施后,保證了主要被控變量的穩(wěn)定，而次要變量的控制質(zhì)量會(huì)有所降低。從自動(dòng)化角度出發(fā),尚可設(shè)計(jì)較為復(fù)雜一些的去關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng),通過引入一些特殊的去關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)來消除相互間的影響。從工藝上消除關(guān)聯(lián)也是一個(gè)極為有效的措施。42第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題2.測(cè)量系統(tǒng)的故障及判別方法

發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)的記錄曲線出現(xiàn)異常情況時(shí),首先要分析情況,判別其原因,這是正常操作的前提之一。判別的方法：(1)記錄曲線的分析比較

①記錄曲線突變。②記錄曲線突然大幅度變化。③記錄曲線出現(xiàn)不規(guī)則變化。④記錄曲線出現(xiàn)等幅振蕩。⑤記錄曲線不變化,呈直線狀(或圓狀)。43第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題舉例圖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44第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題

(2)控制室儀表與現(xiàn)場(chǎng)同位儀表比較(3)兩臺(tái)儀表之間的比較45第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題

3.控制系統(tǒng)運(yùn)行中的常見問題

出現(xiàn)問題時(shí)，除了要考慮前面所講的測(cè)量系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障以外,特別要注意被控對(duì)象特性的變化以及控制閥特性變化的可能性,要結(jié)合儀表和工藝兩個(gè)方面去找原因。針對(duì)適應(yīng)對(duì)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(zhì)量。46例題分析

1.試總結(jié)歸納一下控制器參數(shù)整定的方法、特點(diǎn)與使用場(chǎng)合。解:工程上常用的整定方法的特點(diǎn)與使用場(chǎng)合列表如下:整定方法特點(diǎn)使用場(chǎng)