簡單控制系統(tǒng)設計

1、簡單控制系統(tǒng)設計一、控制系統(tǒng)設計概述一、控制系統(tǒng)設計概述1、基本要求控制系統(tǒng)設計人員有全面的自動化知識，同時熟悉工藝裝置對象。自動化與工藝人員相互交流，確定控制方案。切忌盲目追求系統(tǒng)先進性和儀表裝置先進性。設計要遵守有關(guān)的標準、行規(guī)。2、基本內(nèi)容（1）確定控制方案 這是整個設計工作的核心，包括：被控變量的選擇和確認、操縱變量的選擇與確認、檢測點的選擇、繪制帶控制點的工藝流程圖，寫出初步控制方案設計說明等文檔。2、基本內(nèi)容（2）儀表和裝置選型 根據(jù)已經(jīng)確定的控制方案進行選型，考慮因素：產(chǎn)品質(zhì)量、價格、可靠性、精度、供貨方便程度、技術(shù)支持、維護等。（3）相關(guān)工程內(nèi)容設計 包括控制室設計、供電和供氣

2、系統(tǒng)設計、儀表配管和配線設計及連鎖保護系統(tǒng)設計等，提供相關(guān)圖表。3、基本步驟（1）初步設計：目的是上報審批，并為訂貨作準備。（2）施工圖設計：項目和方案批準后，為工程施工提供有關(guān)內(nèi)容詳細的設計資料。（3）設計文件和責任簽字：包括設計、校核、審核、審定、各相關(guān)負責人簽字等。（4）參與施工與試車。（5）設計回訪。二、被控變量的選擇二、被控變量的選擇 被控變量選擇是控制系統(tǒng)設計中關(guān)鍵問題。應該以工藝人員為主（因為對控制要求是從工藝要求提出的），并與自控人員討論。 為了實現(xiàn)預期的工藝目標，往往有多個工藝變量或參數(shù)可以選擇，此時應遵循以下原則： （1）盡量選擇能直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量（2）所

3、選被控變量能滿足生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、安全和高效的要求。（3）必須考慮自動化儀表及裝置的現(xiàn)狀。（1）三、操縱變量的選擇三、操縱變量的選擇 選定被控變量后，要進一步確定控制系統(tǒng)的操縱變量（調(diào)節(jié)變量）。實際上，被控變量與操縱變量是要求一起綜合考慮的。操縱變量選擇應該遵循一些原則：（1）操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量（2）操縱變量應該是系統(tǒng)中所有被控對象的輸入變量中對被控變量影響最大的一個，控制通道的放大倍數(shù)K要盡量大，時間常數(shù)T適當小，滯后時間盡量小。 （3）不宜選擇代表生產(chǎn)負荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動。 如對于換熱器，通常選擇蒸汽流量作為操縱變量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流體的流量

4、，理論上可以使得出口溫度穩(wěn)定，但冷流體流量是生產(chǎn)負荷，一般不宜進行控制。（3）四、控制器及控制規(guī)律選擇四、控制器及控制規(guī)律選擇 控制系統(tǒng)中，儀表選型確定后：l 對象特性是固定的，不好改變。l 測量及變送器的特性比較簡單，一般也不 好改變。l 執(zhí)行器加上閥門定位器可有一定程度的調(diào) 整，但靈活性不大。 能夠改變的參數(shù)就是控制器，系統(tǒng)設置控制器目的，是通過它改變整個控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，達到控制的目的。 控制器的控制規(guī)律對控制質(zhì)量影響很大。根據(jù)不同過程特性和要求，選擇相應的控制規(guī)律，以獲得較高的控制質(zhì)量。 確定控制器的作用方向，以滿足系統(tǒng)要求，也是系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容。四、控制器及控制規(guī)律選擇四、控制器

5、及控制規(guī)律選擇1 1、控制規(guī)律選擇、控制規(guī)律選擇 控制規(guī)律主要根據(jù)過程特性和要求來選：（1）位式控制 常見的位式控制有雙位和三位兩種。一般適用于滯后較小，負荷變化不大也不劇烈，控制質(zhì)量要求不高，允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動的場合。如恒溫箱、電阻爐等的溫度控制等。（2 2）比例控制）比例控制 是最基本的控制規(guī)律，當負荷變化時，克服擾動能力強，控制作用及時，過渡過程時間短，但過渡過程結(jié)束時存在余差，且負荷變化越大余差也越大。 比例控制作用于控制通道滯后較小、時間常數(shù)不太大、擾動幅度較小、負荷變化不大、控制質(zhì)量要求不高、允許有余差的場合。如儲灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。（3

6、3）比例積分控制）比例積分控制 引入積分作用能夠消除余差，因此比例積分控制是使用最多、應用最廣泛的控制規(guī)律，但是，加入積分作用后要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必須加大比例度（削弱比例作用），導致控制質(zhì)量有所下降，如最大偏差和振蕩周期相應增大，過渡時間加長。 對于控制通道滯后小、負荷變化不太大、工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制，采用該規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量。（4 4）比例微分）比例微分 引入微分，會有超前作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質(zhì)量，適用于過程滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動作用頻繁的系統(tǒng)，應盡可能避免使用微分作用。（5 5）比例積分微

7、分）比例積分微分 微分作用對于克服容量滯后有顯著效果，對克服純滯后是無能為力的。在比例作用的基礎上增加微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如再加上積分作用消除余差，又有 ，TI ， TD三個參數(shù)可調(diào)，因此可以使得系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量，它適合容量滯后大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求高的場合，如反應器、聚合釜的溫度控制?？刂埔?guī)律選擇原則控制規(guī)律選擇原則（1）當廣義過程控制通道的時間常數(shù)大，或多容量引起的容量滯后大時，采用微分作用有良好效果，積分作用可消除余差，因此可選PID或PI控制規(guī)律，如溫度過程，此時若選用PI控制規(guī)律則因積分作用滯后，控制質(zhì)量差。（2）當廣義過程控制通道存在純滯后，若用微分作用來改善控

8、制質(zhì)量是無效的。也就是說，微分作用對克服純滯后是無能為力的。 （3）當廣義過程控制通道的時間常數(shù)較小，系統(tǒng)負荷變化也較小時，為了消除余差，可以采用PI控制規(guī)律，如流量過程?？刂埔?guī)律選擇原則控制規(guī)律選擇原則（4）當廣義過程控制通道的時間常數(shù)較小，而負荷變化很大時，采用微分和積分作用都容易引起振蕩。如果控制通道時間常數(shù)很小，可以采用反微分作用來提高控制質(zhì)量。（5）當廣義過程控制通道的時間常數(shù)或時滯很大，而負荷變化又很大時，簡單控制系統(tǒng)無法滿足要求，可以設計復雜控制系統(tǒng)來提高控制質(zhì)量。控制規(guī)律選擇原則控制規(guī)律選擇原則2 2、控制作用方向選擇、控制作用方向選擇（1）方框的正反作用方向方框的正作用方向方

9、框的正作用方向，是指該方框的輸入信號增加，輸出信號增加；輸入信號減小，輸出信號減小。方框的負作用方向方框的負作用方向，是指該方框的輸入信號增加，輸出信號減小；輸入信號減小，輸出信號增加。 在控制系統(tǒng)方框圖中，每一個方框都有作用方向問題。如作用方向為正，標注“”；如作用方向為負，標注“”。 對于測量儀表方框，由于測量值Y總是隨被控變量的增加而增加，被控變量減小而減小。所以該方框總是正作用方向，可標為“”。 對被控對象模塊，則可能為正作用方向，也可能為反作用方向。 對于執(zhí)行器，由于執(zhí)行器中有改變作用方向的裝置，因此它可能為正作用，也可能為反作用。它的選擇取決于系統(tǒng)安全性。2 2、控制作用方向選擇、

10、控制作用方向選擇圖83 正作用液位槽系統(tǒng)及方框圖Qi增加，h增加，對象為正作用圖83 正作用液位槽系統(tǒng)及方框圖圖84 反作用液位槽系統(tǒng)及方框圖Qo增加，h減小，對象為反作用圖84 因此，控制系統(tǒng)中，只有控制器的正、反作用可以改變，以保證整個控制系統(tǒng)是負反饋控制系統(tǒng)。（2）控制器方框的正反作用選擇 控制器方框的正、反作用選擇依據(jù)是使整個控制系統(tǒng)為負反饋，圖83所示的控制系統(tǒng)的方框圖如圖85所示。因此，控制系統(tǒng)中，只圖85 控制系統(tǒng)方框圖根據(jù)前面的討論，可以標出各方框的作用方向。圖85 假設執(zhí)行器也是正作用，此時，來確定控制器的作用方向。 如果h受到擾動而增加，則有： 另一方面，h增加了，要使h減

11、小，需要Qi減小，而Qi減小要求U減小。因此，控制規(guī)律方框應該是正作用。假設執(zhí)行器也是正作用(3)(3)正作用控制器與反作用控制器正作用控制器與反作用控制器 由于控制器是由比較點和控制規(guī)律方框兩部分組成，所以它的作用方向也由兩個部分綜合。比較點中測量信號前有一個“”，將這個符號與控制規(guī)律方框的作用方向相乘，就是控制器整機的作用方向。如上例子中，控制器就是反作用控制器。 如果兩部分相乘為正，就是正作用控制器。五、執(zhí)行器的選擇五、執(zhí)行器的選擇1、控制閥結(jié)構(gòu)類型及材質(zhì)的選擇。 根據(jù)操縱介質(zhì)的工藝條件（溫度、壓力、流量等）及其特性（粘度、腐蝕性、毒性、介質(zhì)狀態(tài)形式等）和控制系統(tǒng)的不同要求來選用。表81

12、 不同結(jié)構(gòu)形式控制閥特點及適用場合表81 不同結(jié)構(gòu)形式控制閥特點及適用場合2 2、控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇、控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇 考慮到閥的氣源信號中斷或者控制系統(tǒng)某環(huán)節(jié)失靈時，閥處于全開的位置安全還是處于全關(guān)的位置安全，具體由工藝確定。以下幾條原則可以考慮：（1）從生產(chǎn)安全出發(fā) 如生產(chǎn)蒸汽的鍋爐水位控制系統(tǒng)中的給水閥，為保證發(fā)生故障時不把鍋爐燒壞，應采用氣關(guān)閥門。（2）從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā) 當發(fā)生控制閥處于無能源狀態(tài)而回復到初始位置時，不應該降低產(chǎn)品的質(zhì)量。如精餾塔回流量控制閥采用氣關(guān)式，一旦發(fā)生故障，控制閥處于全開狀態(tài)，防止不合格產(chǎn)品蒸出，從而保證塔頂產(chǎn)品質(zhì)量。（2）從保證產(chǎn)品質(zhì)量出

13、發(fā)（3）從降低原料、成品、動力損耗來考慮 如控制精餾塔進料的控制閥就常采用氣開式，一旦控制閥失去能源就處于氣關(guān)狀態(tài)，不再給塔進料，以免造成浪費。（3）從降低原料、成品（4）從介質(zhì)特點考慮 精餾塔釜加熱蒸汽控制閥一般選用氣開式，以保證控制閥在失去能源時處于關(guān)閉狀態(tài)，從而避免能源浪費。但如果釜液是易凝、易結(jié)晶、易聚合的物料時，控制閥應選用氣關(guān)式以防控制閥失去能源時閥門關(guān)閉，停止蒸汽進入而導致釜內(nèi)液體的結(jié)晶和凝聚。（4）從介質(zhì)特點考慮3 3、控制閥流量特性選擇、控制閥流量特性選擇 控制閥的流量特性直接影響到系統(tǒng)的控制質(zhì)量和穩(wěn)定性，需要進行選擇。選擇控制閥的流量特性時，既要依據(jù)過程特性，還要結(jié)合系統(tǒng)配管情況。 控制閥的工作特性應根據(jù)過程特性來選擇，其目的是使廣義過程為線性。 若變送器的特性為線性，