第12章 簡單控制系統(tǒng)

1、化工儀表及自動化,第十二章 簡單控制系統(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)的投運及操作中的常見問題 控制系統(tǒng)的投運 控制系統(tǒng)操作中的常見問題,2,第一節(jié) 概述,3,簡單控制系統(tǒng)通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(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),表1-2 被測變量和儀表功能的字母代號,4,第一節(jié) 概述,5,圖12-3簡單控制系統(tǒng)的方塊圖,第二節(jié) 被控變量的選擇,6,生產(chǎn)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

2、）的變量稱為被控變量,被控變量的界定,它們對產(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,直接指標控制； 間接指標控制,7,第二節(jié) 被控變量的選擇,8,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)濟性。 在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的

3、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(yīng)關(guān)系。 所選變量有足夠的靈敏度,9,第二節(jié) 被控變量的選擇,10,選擇被控變量的原則,被控變量應(yīng)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,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),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(yīng)關(guān)系的間接指標作為被控變量,第二節(jié) 被控變量的選擇,被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度,選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀,被控變量應(yīng)是

4、獨立可控的,11,第三節(jié) 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操縱變量,最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量,第三節(jié) 操縱變量的選擇,13,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,14,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

5、,15,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,16,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(chǎn)的經(jīng)濟性,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,17,第四節(jié) 控制器控制規(guī)

6、律的原則及參數(shù)整定,三種控制器性能比較表,18,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,19,二、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、積分時間TI和微分時間TD,幾種常用的工程整定法,先通過試驗得到臨界比例度k和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗總結(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,20,圖12-10 臨界振蕩過程,表 12-2臨界比例度法參數(shù)計算公式表,特點,比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。 對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。 對于工藝上不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)

7、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,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12-1141和101衰減振蕩過程,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,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)41或10 1衰減比為止。通過比例度s 和衰減周期TS,得到控制器的參數(shù)整定值,22,第四節(jié) 控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定,23

8、,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(dǎo)，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,24,3.經(jīng)驗湊試法,第四節(jié) 控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定,25,表12-5 各類控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)經(jīng)驗數(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,26,第四節(jié) 控制器控制規(guī)律

9、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(chǎn)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) 控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)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，然后對進行湊試，湊試步驟與前一種方法相同,特點,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(jīng)驗，在缺乏實際經(jīng)驗或過渡過程本身較慢時，往往較為費時,第四節(jié) 控制器控制規(guī)律的

10、原則及參數(shù)整定,29,第五節(jié) 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,1.準備工作,對于工藝人員與儀表人員來說 對于儀表人員來說,要重視,30,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,2.儀表檢查,投運前要在現(xiàn)場校驗儀表一次, 確認正常后可考慮投運,對于控制記錄儀表,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(fù)校,31,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運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？ 反作用,圖12-14 控制器正、反作用開關(guān)示意圖,32,第五節(jié) 控

11、制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,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(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”,才能當爐溫升高時,使閥門關(guān)小,爐溫下降,33,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,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(guān)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

12、”才行,34,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,4.控制閥的投運,35,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運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遙控; 另一種是一開始就用手動遙控,開車時的兩種操作步驟,36,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,當由旁路閥手工操作轉(zhuǎn)為控制閥手動遙控時,步驟如下: 先將截止閥1和截止閥2關(guān)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(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)驗數(shù)值; 先開上游閥1 ,再逐漸開下游閥2 ,同時逐漸關(guān)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

13、變手動輸出,使被控變量接近給定值,37,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,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: 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) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,5.控制器的手動和自動的切換,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。 要求：平穩(wěn)、迅速，實現(xiàn)無擾動切換,39,第五節(jié) 控制

14、系統(tǒng)的投運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行整定,所得到的自動控制系統(tǒng),在正常工況下,由于經(jīng)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) 控制系統(tǒng)的投運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,精餾塔兩個溫度控制系統(tǒng)之間相互干擾,41,第五節(jié) 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) 控制系

15、統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,43,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,2.測量系統(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,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,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) 控制系統(tǒng)的投運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,45,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,46,第五節(jié) 控制系統(tǒng)的投運及操作中的常見問題,3.控制系統(tǒng)運行中的常

16、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(jié)合儀表和工藝兩個方面去找原因。 針對適應(yīng)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(zhì)量,47,例題分析,1.試總結(jié)歸納一下控制器參數(shù)整定的方法、特點與使用場合,解:工程上常用的整定方法的特點與使用場合列表如下,48,例題分析,2.圖12-23是鍋爐的壓力和液位控制系統(tǒng)的示意圖,試確定系統(tǒng)中控制閥的氣開、氣關(guān)型式及控制器的正反作用,圖12-23 鍋爐控制,解：在液位控制系統(tǒng)中,如果從安全角度出發(fā),主要是要保證鍋爐水位不能太低,則控制閥應(yīng)選擇氣關(guān)型,以便當氣源中斷時,能保證繼續(xù)供水,防止鍋爐燒壞。如果要保證蒸汽的質(zhì)量,汽中不能