第11章 化工儀表簡單控制系統(tǒng)

第11章簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成控制的目的、被控變量的選擇對(duì)象特性、控制變量的選擇測量滯后、測量信號(hào)處理負(fù)荷變化、調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律的選擇控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定這一章主要回答三個(gè)問題1.控制什么？2.拿什么來控制？3.通過什么方式控制？第一個(gè)問題：控制什么？答：控工藝要求的指標(biāo)具體分為兩種情況：1.工藝要求的指標(biāo)可以直接在線測量

直接控制這個(gè)指標(biāo)就可以了（直接指標(biāo)控制）2.工藝要求的指標(biāo)不可以直接在線測量

尋找一個(gè)于工藝指標(biāo)有明顯的對(duì)于關(guān)系，且可以測量的另一個(gè)間接指標(biāo)，通過控制間接指標(biāo)來達(dá)到控制工藝指標(biāo)的目的（間接指標(biāo)控制）例如：精餾塔的組分是不能直接在線測量的，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力恒定的時(shí)候，組分與溫度存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系；或者溫度恒定的時(shí)候，組分與壓力存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)P173中的分析，最終可以確定：固定壓力，通過控制溫度來間接控制組分是合理的第二個(gè)問題：拿什么控制？答：拿一個(gè)對(duì)被控變量影響較顯著的變量來控。K大一些，T小一些，τ最好為0測量儀表的選用和安裝：量程、材質(zhì)、精度等滿足工藝要求測量儀表本身要反應(yīng)快應(yīng)選擇有代表性位置進(jìn)行安裝儀表安裝時(shí)所用的輔助裝置不應(yīng)帶來較大的測量滯后(至少要滿足要求)執(zhí)行器的選用和安裝：口徑（流通能力）、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、正反作用、流量特性等滿足要求本身反應(yīng)快（氣信號(hào)不要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸、必要時(shí)可以采用電氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器）閥門安裝位置應(yīng)盡可能靠近被控設(shè)備（二者中間不能有很長的工藝管路，否則會(huì)人為增大廣義對(duì)象的純滯后）第三個(gè)問題：以什么方式控制？答：沒有標(biāo)準(zhǔn)答案（選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律）最常用的調(diào)節(jié)規(guī)律：位式控制、P、PI、PD、PID（需要充分理解各種調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)和適用場合）后續(xù)問題：如何整定PID參數(shù)？答：臨界比例度法＋經(jīng)驗(yàn)衰減曲線法＋經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)湊試法最好的方法就是“經(jīng)驗(yàn)”第一節(jié)概述四個(gè)基本環(huán)節(jié)：

測量變送環(huán)節(jié)控制器執(zhí)行器被控對(duì)象被控變量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設(shè)定值＋－選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制器(LC或TC)執(zhí)行器（控制閥）被控對(duì)象（液位儲(chǔ)槽或換熱器）測量、變送環(huán)節(jié)（LT或TT）被控變量（液位或溫度）干擾偏差設(shè)定值＋－廣義對(duì)象簡單控制系統(tǒng)方塊圖載熱體冷流體換熱器溫度控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)常見的兩種簡單控制系統(tǒng)：第二節(jié)被控變量的選擇明確控制目的使生產(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)律變化）分析生產(chǎn)工藝“關(guān)鍵”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確定被控變量兩種控制類型：直接指標(biāo)控制和間接指標(biāo)控制當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)信號(hào)缺少檢測手段、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)系而反應(yīng)又快的變量做為間接控制指標(biāo)。選擇被控變量選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述精餾過程示意圖冷卻水TDp進(jìn)料

Q入，X入，T入回流F塔底產(chǎn)品塔頂產(chǎn)品QZ蒸汽TH苯－二甲苯的T-x圖TD℃XD%苯－二甲苯的P-x圖PMPaXD%塔頂易揮發(fā)組分純度XD、塔頂溫度TD、塔頂壓力P三者之間的關(guān)系為：XD=f(TD，P)，兩個(gè)獨(dú)立變量。精餾塔系統(tǒng)的被控變量選擇

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)，一般都是工藝過程中比較重要的變量。

應(yīng)該獨(dú)立可控。簡單控制系統(tǒng)的被控變量應(yīng)避免和其他控制系統(tǒng)的被控變量有關(guān)聯(lián)（耦合)關(guān)系。

滯后要小。采用直接指標(biāo)作為被控變量最直接也最有效。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測量和變送環(huán)節(jié)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。

靈敏度要高。被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。

成本要低。選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝的合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。

被控變量選擇的一般原則

操縱變量與干擾變量

第三節(jié)操縱變量的選擇Q入T入X入QZFTH被控變量TD影響塔頂溫度的各種輸入示意圖被控對(duì)象原則上，在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入作為控制變量后，其它所有未被選中的輸入則成了為系統(tǒng)的干擾變量。

選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述

精餾過程示意圖冷卻水TDp進(jìn)料

Q入，X入，T入回流F塔底產(chǎn)品塔頂產(chǎn)品QZ蒸汽TH進(jìn)料流量Q入不可控進(jìn)料成分X入

不可控進(jìn)料溫度T入

不可控回流流量F可控回流溫度TH

不可控加熱蒸汽流量QZ

可控冷凝器冷卻溫度不可控塔壓P不可控精餾塔系統(tǒng)的操縱變量選擇OP控制通道干擾通道干擾變量控制變量被控變量干擾作用與控制作用之間的關(guān)系被控對(duì)象控制質(zhì)量系統(tǒng)的過渡過程形式——超調(diào)量、衰減比、余差、過渡時(shí)間、振蕩周期對(duì)象特性系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系分為對(duì)象靜態(tài)性質(zhì)和對(duì)象動(dòng)態(tài)性質(zhì)考察對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，用以選擇操縱變量對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響放大系數(shù)絕對(duì)放大系數(shù)YXPOY/(YMAX-YMIN)X/(XMAX-XMIN)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)K0表征從控制有效性考慮，K0應(yīng)適當(dāng)?shù)拇笠恍?/p>

干擾通道的穩(wěn)態(tài)特性由干擾通道放大系數(shù)Kf表征希望Kf小一些，Kf越小干擾變量對(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)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。

對(duì)象穩(wěn)態(tài)性質(zhì)對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)象動(dòng)態(tài)性質(zhì)對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道時(shí)間常數(shù)T0控制通道滯后時(shí)間τ0

T0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

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τ0的存在，無法避免時(shí)應(yīng)使之盡可能小。A:無純滯后時(shí)的校正作用B:有純滯后時(shí)的校正作用C:不受控下的輸出曲線D:無純滯后時(shí)的輸出曲線E:有純滯后時(shí)的輸出曲線干擾通道時(shí)間常數(shù)TfTf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

干擾通道純滯后τf的影響無純滯后有純滯后干擾通道滯后時(shí)間τf

干擾通道的純滯后τf不會(huì)影響控制質(zhì)量

操縱變量的選擇原則

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。為此，應(yīng)通過合理選擇操縱變量，使控制通道的放大倍數(shù)適當(dāng)大、時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小(但不宜過小，否則易引起振蕩)、純滯后時(shí)間盡量小。為使其他干擾對(duì)被控變量的影響盡可能小，應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)盡可能小、時(shí)間常數(shù)盡可能大。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。一般說來不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量，因?yàn)樯a(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，是不宜經(jīng)常波動(dòng)的。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性質(zhì)選擇操縱變量

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)示意圖被控變量：物料出口溫度待選的操縱變量：

熱物料溫度熱物料的流量液氨的流量氣氨的回氣壓力POOP熱物料流量F對(duì)冷物料出口溫度T的放大系數(shù)為：

氣氨回氣壓力P對(duì)冷卻器物料出口溫度T的放大系數(shù)為：

PO根據(jù)動(dòng)態(tài)性質(zhì)選擇控制變量乳化物干燥系統(tǒng)示意圖乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產(chǎn)品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)工藝要求在保證產(chǎn)品含水率合格的前提下，保證最大產(chǎn)量。

被控變量產(chǎn)品含水率－>干燥溫度T1

影響被控變量的主要輸入變量乳化物流量fw

旁路空氣流量fQ

加熱蒸汽壓力流量fp

1100S+11100S+1e-3Se-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)fPT1fQfW乳化物干燥系統(tǒng)被控對(duì)象對(duì)象方塊圖乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產(chǎn)品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)乳化物干燥系統(tǒng)示意圖=1GW(S)(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)e-2S=1GQ(S)(100S+1)=1GP(S)(100S+1)(100S+1)GF(S)=e-3SFw-T1FQ-T2FP-T2T2-T1傳遞函數(shù)

方案1：乳化物流量為控制變量fWP1100S+11100S+1e-3SfQe-2S(8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)T控制器TC偏差設(shè)定值＋－干擾方案2：旁路空氣流量fQ為控制變量設(shè)定值P1100S+1e-3S

100S+1fQe-2S(8.5S+1)3T控制器TC偏差＋－fW干擾方案3：蒸汽流量fp為控制變量e-2S(8.5S+1)31100S+1e-3S

100S+1fQT控制器TC偏差設(shè)定值＋－fWP乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產(chǎn)品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述第四節(jié)控制器控制規(guī)律的選擇常用的幾種控制規(guī)律

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、負(fù)荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動(dòng)范圍較寬的場合。

比例控制

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合。

比例微分控制優(yōu)點(diǎn)：利用微分超前的作用，在被控對(duì)象具有較大滯后的場合下，將會(huì)有效地改善擔(dān)制質(zhì)量。缺點(diǎn)：有可能會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)失控而發(fā)生事故。

比例積分微分控制比例積分微分控制綜合了比例、積分、微分控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制要求高的場合。

比例積分控制優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束時(shí)無余差缺點(diǎn)：系統(tǒng)的超調(diào)量、振蕩周期都會(huì)相應(yīng)增大，過渡時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝不允許被控變量存在余差的場合。

控制器正、反作用的選擇保證整個(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。

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“正作用”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“反作用”方向。何謂“正”、“反”作用？控制器正反作用選擇的基本原則控制器正反作用選擇的步驟1、判斷被控對(duì)象的正反作用方向，由工藝機(jī)理確定；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、確定廣義對(duì)象的正反作用方向，一般測量變送環(huán)節(jié)為正作用方向，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；4、確定控制器的正反作用方向，廣義對(duì)象正作用方向，則控制器應(yīng)選擇為反作用，反之亦然。被控變量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設(shè)定值＋－廣義對(duì)象燃料氣TC加熱爐出口溫度控制控制器正反作用選擇的實(shí)例液位控制選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述第五節(jié)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定控制系統(tǒng)的投運(yùn)（1）熟悉被控對(duì)象和整個(gè)控制系統(tǒng)，檢查所有儀表及連接管線、氣管線、電源、氣源等，以保證接線的正確性，及故障時(shí)能及時(shí)確定故障原因；（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或估算比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的數(shù)值，或?qū)⒖刂破鞣旁诩儽壤饔?，比例度放在較大位置；（3）確認(rèn)控制閥的氣開、氣關(guān)作用；確認(rèn)控制器的正、反作用；（4）手動(dòng)操作執(zhí)行器，待工況穩(wěn)定后，將控制器由手動(dòng)狀態(tài)切換到自動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)由開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制。初步投運(yùn)過程基本結(jié)束。但控制系統(tǒng)的過渡過程不一定滿足要求，需要進(jìn)一步整定比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD三個(gè)參數(shù)。控制器參數(shù)的工程整定就是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，使控制質(zhì)量能滿足工藝生產(chǎn)的要求。對(duì)于簡單控制系統(tǒng)來說，一般希望過渡過程呈4:1至10:1的衰減振蕩過程。什么是“參數(shù)整定”？yt4:1yt10:1參數(shù)整定方法：理論計(jì)算、工程整定（又叫經(jīng)驗(yàn)整定方法，分為臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)湊試法）

1、臨界比例度法先將控制器放在純比例作用，在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩，這時(shí)的比例度稱為臨界比例度δK，周期稱為臨界振蕩周期Tk。然后按表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。Tkttfy臨界振蕩過程臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式控制作用比例度%積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)比例2δK

比例＋積分2.2δK

0.85Tk比例＋微分1.8δK

0.85Tk比例＋積分＋微分1.7δK

0.5Tk0.125Tk注意：當(dāng)不存在臨界比例度、臨界比例度過小、不允許等幅振蕩時(shí)，該方法不適用。2、衰減曲線法將控制器放在純比例作用，在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)出現(xiàn)4：1衰減比為止，這時(shí)的比例度稱為衰減比例度δS，周期稱為衰減周期Ts。然后按表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值?？刂谱饔帽壤?積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)比例δS

比例＋積分1.2δS

0.5Ts比例＋積分＋微分0.8δS

0.3Ts0.1Ts4:1衰減法參數(shù)計(jì)算公式表

fytTst4:1控制作用比例度%積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)比例δS

比例＋積分1.2δS

2T升

比例＋積分＋微分0.8δS