自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案羅工

1、個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用第三篇自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中最常見、應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的控制系統(tǒng)。它是由被控對(duì)象 <常稱對(duì)象）、測(cè)量變送 <一個(gè)測(cè)量元件及變送器）單元、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器組成的單回路負(fù)反饋控制系統(tǒng)。被控對(duì)象：指需要控制的設(shè)備或裝置，如反應(yīng)器、鍋爐汽包等。被控變量：指需要控制的工藝參數(shù)。操縱變量：受控于執(zhí)行器，用于調(diào)節(jié)被控變量大小的物理量。設(shè)定值：它對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)過程中被控變量需要保持的值。偏差信號(hào)：它是比較元件的輸出信號(hào)，是設(shè)定值與測(cè)量反饋信號(hào)的差值。干擾：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，除操縱變量外，作用于被控對(duì)象并對(duì)被控變量影響較大的輸入作用稱為干擾?？?/p>

2、制信號(hào)：由控制器按一定規(guī)律給出的。按被控制的工藝變量來劃分，最常見的是溫度、壓力、流量、液位和成分五種控制系統(tǒng)。物位包括：液位、料位、界位。儀表運(yùn)行 <對(duì)象）的特性通常分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指工藝對(duì)象在某一狀態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的情況，它由物料平衡、能量平衡、傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)速度等決定?；どa(chǎn)過程和裝置主要是通過靜態(tài)計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在自控設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)分析生產(chǎn)過程中各個(gè)變量的性質(zhì)及其相互關(guān)系，分析被控對(duì)象的特性；然后根據(jù)工藝的要求，選擇被控變量、操縱變量，合理選擇控制系統(tǒng)中的測(cè)量變送單元、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器，建立一個(gè)較為合理的控制系統(tǒng)。對(duì)有多個(gè)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程，還要考慮各

3、個(gè)系統(tǒng)間的相互關(guān)聯(lián)和相互影響，并按可能使每個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)其他控制系統(tǒng)的影響為最小的原則來建立各個(gè)控制回路。選擇操縱變量時(shí)，主要應(yīng)考慮如下的原則：首先從工藝上考慮，它應(yīng)允許在一定范圍內(nèi)改變；選上的操縱變量的調(diào)節(jié)通道，它的放大系數(shù)要大，這樣對(duì)克服干擾較為有利；在選擇操縱變量時(shí)，應(yīng)使調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小一些，而干擾通道的時(shí)間常數(shù)可以大一些；選上的操縱變量應(yīng)對(duì)裝置中其他控制系統(tǒng)的影響和關(guān)聯(lián)較小，不會(huì)對(duì)其他控制系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生較大的干擾。被調(diào)參數(shù)選擇應(yīng)遵循的原則：能代表工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)可測(cè)并有足夠大的靈敏度獨(dú)立可控盡量采用直接指標(biāo)化學(xué)反應(yīng)器最重要的被控制變量是反應(yīng)溫度。典型的控制系統(tǒng)方框

4、圖是由控制器、測(cè)量元件、控制對(duì)象、控制閥、比較環(huán)節(jié)構(gòu)成的。在生產(chǎn)過程中，工藝總是要求被控變量能穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值上。單回路控制系統(tǒng)的方框圖如圖3-1-26所示。個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 3-1-26 單回路控制系統(tǒng)的方框圖Gc 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； Gv 調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)； Go 被控對(duì)象的傳遞函數(shù)； H m 測(cè)量變送單元的傳遞函數(shù)； R 給定值； C 測(cè)量值； E 偏差從上面的方框圖可以看出，在一個(gè)單回路控制系統(tǒng)中，只要Gc、 Gv、 Go放大系數(shù)的乘積為正，就能實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋控制。調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和對(duì)象放大系數(shù)正負(fù)號(hào)規(guī)定如下。1. 調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的正負(fù)號(hào)對(duì)于調(diào)節(jié)器來說，按照統(tǒng)一的規(guī)定，測(cè)定值增加，輸出

5、增加，調(diào)節(jié)器放大系數(shù)，稱之為正作用。測(cè)量值增加，輸出減小，K c為正，稱之為反作用。Kc為負(fù)2. 調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)的正負(fù)號(hào)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)K v定義為氣開閥K v為正，氣關(guān)閥 K v為負(fù)。3. 對(duì)象放大系數(shù)的正負(fù)號(hào)對(duì)象的放大系數(shù)Ko定義為：如操縱變量增加，被控變量也增加，K o為正；操縱變量增加，被控變量減少，Ko為負(fù)。由此可知，單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定方法如下：首先確定對(duì)象放大系數(shù) Ko 的正負(fù)號(hào)，然后根據(jù)調(diào)節(jié)閥選型為氣開或氣關(guān)確定調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)K v的正負(fù)號(hào)，最終由 Kc、 K v、 K o乘積應(yīng)為正，即可確定調(diào)節(jié)器的作用方式。調(diào)節(jié)器的作用方式也可由表3-1-1查出。表 3-1

6、-1單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器正反作用選擇表對(duì)象放大系數(shù)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器對(duì)象放大系數(shù)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器正號(hào)氣開反作用負(fù)號(hào)氣開正作用氣關(guān)正作用氣關(guān)反作用調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)方式的選擇主要是從生產(chǎn)安全角度出發(fā)來考慮的。主要用來產(chǎn)生偏差的元件稱為比較元件, 在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中，接受偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)是控制器,擾動(dòng)主要針對(duì)被控對(duì)象。被控變量的測(cè)量值就是變送器輸出的信號(hào)。直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作的元件稱為執(zhí)行元件。反饋是把系統(tǒng)的輸出信號(hào)，不斷直接地或經(jīng)過中間變換后全部或部分地返回輸入端。個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用開環(huán)控制系統(tǒng)的的特征是沒有反饋環(huán)節(jié)，開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制信號(hào)取決于給定的輸入信號(hào)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種方式。方框間的連線代表

7、的是方塊間物料關(guān)系。余差是指控制系統(tǒng)受到干擾以后，過渡過程終了時(shí)被控變量的殘余偏差，它是衡量控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。調(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇合適的調(diào)節(jié)器并在投運(yùn)時(shí)把它們的參數(shù)整定在恰當(dāng)?shù)臄?shù)值上，是一個(gè)重要的工作環(huán)節(jié)。一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由廣義對(duì)象和調(diào)節(jié)器兩部分組成，廣義對(duì)象包括被控對(duì)象、測(cè)量變送單元和執(zhí)行器，它們的特性不可能太多地改變，因此系統(tǒng)中相對(duì)有較大調(diào)整和選擇余地的環(huán)節(jié)就是調(diào)節(jié)器了。調(diào)節(jié)器一般包括：位式調(diào)節(jié)器、比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器、智能型數(shù)字調(diào)節(jié)器。a. 位式調(diào)節(jié)器：位式調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是當(dāng)被控變量偏離給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出不是最大就是最小，從而

8、迫使執(zhí)行器全開或全關(guān)。b. 比例調(diào)節(jié)器：它的動(dòng)作規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的變化與輸入偏差的變化成正比例。因此，比例的作用是依據(jù)偏差的大小動(dòng)作的。c. 比例積分調(diào)節(jié)器：比例積分調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)不僅僅與輸入偏差保持比例關(guān)系，還與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。只要有偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出就要變化，直到輸入偏差等于零為止，所以使用比例積分調(diào)節(jié)器能消除被控變量的余差。d. 比例微分調(diào)節(jié)器：由于比例積分調(diào)節(jié)器的控制作用是相位滯后的，為了改善調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)就必須引入微分作用，尤其對(duì)溫度和成分控制。e. 比例積分微分調(diào)節(jié)器：比例積分微分調(diào)節(jié)器兼有比例積分、比例微分調(diào)節(jié)器兩者的優(yōu)點(diǎn)，它加強(qiáng)了控制系統(tǒng)克服干擾的能力，使系統(tǒng)

9、的穩(wěn)定性也有所提高。引入微分作用后，不僅比例度可以減小，積分時(shí)間也可以減小，而且系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過度的振蕩。對(duì)于容量滯后較大，純滯后不太大，不允許有余差的對(duì)象，采用比例積分微分調(diào)節(jié)器可以全面地改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，大多數(shù)的溫度、成分控制系統(tǒng)都選用比例積分微分調(diào)節(jié)器。比例、積分、微分作用通常用 PID 表示。f. 智能型數(shù)字調(diào)節(jié)器：它的功能不斷增強(qiáng)，已能實(shí)現(xiàn) PID 自整定、模糊控制、多種信號(hào)制輸入、直接給變送器供電等，特別適合在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中使用。而且通訊功能也大大的增強(qiáng)。因此，比例作用是依據(jù)偏差的大小動(dòng)作的，控制器的比例度與控制器的增益成反比，因此控制器的比例度越大，則控制器的增益將越小，則控制曲線平

10、穩(wěn)；積分作用是依據(jù)偏差是否存在動(dòng)作的；微分作用是依據(jù)偏差的變化率動(dòng)作的。調(diào)節(jié)器加入微分作用是為了克服被控對(duì)象的慣性滯后和容量滯后。調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值稱為可調(diào)比。當(dāng)打開與控制閥并聯(lián)的旁路時(shí)，將使閥門的可調(diào)比變小。調(diào)節(jié)閥的理想流量特性有：直線流量特性、等百分比流量特性、快開流量特性、4.拋物線流量特性。拋物線流量特性與等百分比流量特性較為接近，前者可以用后者來代替，而快開特性又主要用于位式控制和順序控制，因而所謂調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇，一般常局限于直線特性與等百分比特性的選擇。個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)方式的選擇主要是從生產(chǎn)安全角度出發(fā)來考慮的。當(dāng)調(diào)節(jié)閥上信

11、號(hào)或氣源中斷時(shí)，應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害人員。因此在調(diào)節(jié)閥選型時(shí)要由工藝專業(yè)來從安全出發(fā)提出閥門故障時(shí)閥所處的位置，即氣開、氣關(guān)或保持。調(diào)節(jié)閥上一個(gè)很重要的附件就是閥門定位器，它的作用就是把閥桿的位置與調(diào)節(jié)器所要求的位置相比較，如不符要求，它就改變閥門定位器的輸出，即調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的空氣壓力，直到最終獲得正確的閥桿位置為止。閥門定位器具體能實(shí)現(xiàn)的功能如下： 能借助它實(shí)現(xiàn)分程控制； 通過定位器能改變調(diào)節(jié)閥工作時(shí)氣開、氣關(guān)的作用方式； 在高壓降的條件下，它能提供足夠的功率； 能克服閥桿的摩擦力，提高調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)速度； 較為準(zhǔn)確地確定調(diào)節(jié)閥的開度，一定程度上能提高調(diào)節(jié)的精度； 通過更換定位器上的反饋凸

12、輪片，在一定范圍內(nèi)能改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。閥門定位器從功能上說一般由比較、放大及反饋等部分組成。它是接收調(diào)節(jié)器輸出的 4 20mA 直流電流信號(hào)到線圈中，與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)共同作用，在杠桿上產(chǎn)生電磁力矩，使杠桿偏轉(zhuǎn)，改變擋板與噴嘴的距離而使放大器的背壓發(fā)生變化，即放大器的輸出信號(hào)作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭上的力就發(fā)生變化。當(dāng)電磁力矩與反饋力矩平衡時(shí)，閥桿就穩(wěn)定在一個(gè)位置上，實(shí)現(xiàn)輸入的電流信號(hào)與閥桿位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系。二、復(fù)雜控制系統(tǒng)1. 串級(jí)控制系統(tǒng)它的特點(diǎn)是兩個(gè)調(diào)節(jié)器相串聯(lián)，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，適用于時(shí)間常數(shù)及純滯后較大的對(duì)象，如加熱爐的溫度控制等。圖 3-2-1為串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖，

13、該系統(tǒng)有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1為主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器2為副調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，系統(tǒng)有兩個(gè)測(cè)量變送單元，一個(gè)測(cè)量主被控變量，另一個(gè)測(cè)量副被控變量。串級(jí)控制系統(tǒng)的目的主要在于控制主被控變最穩(wěn)定。圖 3-2-1 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上來看仍然相當(dāng)于一個(gè)定值控制系統(tǒng)，但由于它在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)隨動(dòng)的副回路，因此具有如下兩個(gè)特點(diǎn)。a .對(duì)于克服副回路的干擾有較強(qiáng)的能力b. 對(duì)于克服主回路的干擾也有好處個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用采用串級(jí)控制系統(tǒng)以后，副回路克服干擾的能力比單回路簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)提高較多，特別當(dāng)副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)較大時(shí)，對(duì)于進(jìn)入主回路的干擾，雖然副

14、回路不能直接克服它，但由于副回路減小了時(shí)間常數(shù)改善了對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，加快了調(diào)節(jié)過程，因而也能減少動(dòng)態(tài)偏差。副調(diào)節(jié)器通常選用比例微分作用。串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：在一些控制要求高，對(duì)象時(shí)間常數(shù)大，干擾幅度大，干擾頻繁的場(chǎng)合可以設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)來改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意如下原則。a.副回路應(yīng)力求包括主要的干擾，即變化頻繁、幅度較大的干擾，如有條件還應(yīng)盡可能包括其他次要的干擾，這樣能充分發(fā)揮副回路的作用，把影響主被控變量的干擾作用抑制到最低程度。b.應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不能太接近要有合適的搭配，一般希望主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)為副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的 34倍，這樣可以避免主、副回路互相影響，產(chǎn)生 “共振 ”現(xiàn)

15、象，也便于調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。c.在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的工作性質(zhì)不一樣，主調(diào)節(jié)器起定值控制的作用，而副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制的作用；主被控變量一般不允許有余差，而副被控變量往往允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。因而主調(diào)節(jié)器可選用比例積分調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器可以選用比例調(diào)節(jié)器。只是在流量控制作副回路時(shí)，如不加積分作用會(huì)產(chǎn)生很大余差，一般副調(diào)節(jié)器也選用比例積分調(diào)節(jié)器。在工廠運(yùn)行時(shí)往往把串級(jí)回路打開，因此在實(shí)際工作中往往副調(diào)節(jié)器也采用比例加積分作用。2. 比值控制系統(tǒng)它可以控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的物料流量保持一定的比值關(guān)系。在反應(yīng)釜進(jìn)料時(shí)經(jīng)常用到。對(duì)于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)它由兩個(gè)流量閉合回路及比值計(jì)數(shù)器構(gòu)成，它可以克服各自

16、的外界干擾，使主、副流量都比較平穩(wěn)。當(dāng)主參數(shù)受到干擾變化時(shí)副參數(shù)是要跟蹤變化的，但當(dāng)副參數(shù)受到干擾變化時(shí)，主參數(shù)是不變的。3. 分程控制由一個(gè)調(diào)節(jié)器去控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥，并且是按輸出信號(hào)的不同區(qū)間操縱不同閥門。各個(gè)閥的信號(hào)范圍可由閥門定位器來實(shí)現(xiàn)。目的在于擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比及解決調(diào)節(jié)器與閥門定位器以及調(diào)節(jié)閥的工作配合問題。4. 均勻控制它可以控制兩個(gè)有關(guān)的變量，例如精餾塔塔釜的液位和塔底出料流量，使它們都呈緩慢的變化，以緩和供求的矛盾并使后續(xù)設(shè)備的操作較為平穩(wěn)。均勻控制是指控制目的而言，而不是指控制系統(tǒng)的結(jié)果而言。均勻控制一般采用單回路控制或串級(jí)控制，與一般意義上的單回路控制不同的是均

17、勻控制作用“弱 ”，是允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的。5. 前饋控制系統(tǒng)按照干擾量的變化來補(bǔ)償其對(duì)被控量的影響，從而達(dá)到被控量完全不受干擾量影響的控制方式，這種按干擾進(jìn)行控制的開環(huán)控制方式稱為前饋控制。反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)被控過程受到擾動(dòng)后，必須等到被控量出現(xiàn)偏差時(shí)，控制器才開始動(dòng)作以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用量的影響。而前饋控制方法則無需等到擾動(dòng)量引起被控量出現(xiàn)偏差時(shí)才去控制，而是直接利用測(cè)量到的擾動(dòng)量去補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。因此這種方法只能用在擾動(dòng)量是可測(cè)的場(chǎng)合，不太常用。6. 自動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的測(cè)量值可以根據(jù)工藝的要求自動(dòng)選擇一個(gè)最高值、最低值或者可靠值，也可以根據(jù)工藝的

18、工況來自動(dòng)選擇預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成。7. 隨動(dòng)系統(tǒng)被調(diào)量隨給定量的變化而變化。三、鍋爐設(shè)備的控制1、鍋爐的控制要求鍋爐的控制是指用戶對(duì)鍋爐的產(chǎn)汽量和產(chǎn)汽壓力的要求，也包括對(duì)鍋爐自身安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。因此，必須對(duì)鍋爐進(jìn)行相應(yīng)的控制，并通過控制達(dá)到：鍋爐產(chǎn)汽量必須適應(yīng)用汽設(shè)備用汽量變化的需要；鍋爐的產(chǎn)汽壓力必須滿足用汽設(shè)備的要求；過熱蒸汽溫度需保持在一定范圍內(nèi)；汽包水位必須保持在一定范圍內(nèi)；燃燒系統(tǒng)必須維持經(jīng)濟(jì)、安全地運(yùn)行。2、汽包水位的控制鍋爐汽包水位的控制是安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的保證。水位過低，由于鍋爐的蒸發(fā)量大，汽包容積相對(duì)較小，水的汽化速度很快，如控制不及時(shí)，不能給汽包

19、及時(shí)補(bǔ)水，汽包內(nèi)的水很快就會(huì)蒸發(fā)光而導(dǎo)致干鍋，有引起鍋爐爆炸的危險(xiǎn)。對(duì)于大型鍋爐，這種危險(xiǎn)性尤為突出，水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使蒸汽帶液，這會(huì)使過熱器結(jié)垢而導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)也會(huì)使過熱蒸汽溫度急劇下降。如該蒸汽是作為汽輪機(jī)動(dòng)力就會(huì)損壞汽輪機(jī)的葉片，影響后者的安全運(yùn)行。因此，汽包的水位必須加以嚴(yán)格的控制。<1 ）單沖量水位控制系統(tǒng)這是汽包水位控制中最簡(jiǎn)單、最基本的一種控制方式，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，容易實(shí)現(xiàn)。然而這種控制方案也存在著如下缺陷。個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用a當(dāng)負(fù)荷變化產(chǎn)生假液位時(shí)，液位調(diào)節(jié)器將會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。例如，蒸汽負(fù)荷突然增大時(shí)，假液位使水位上升，此時(shí)水位調(diào)節(jié)器不但不能開大調(diào)節(jié)閥，增加給水量，相反地，它根據(jù)假液位來的信息會(huì)關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減少給水量。等到