第11章 化工儀表簡單控制系統

第11章簡單控制系統簡單控制系統的結構與組成控制的目的、被控變量的選擇對象特性、控制變量的選擇測量滯后、測量信號處理負荷變化、調節(jié)閥選擇控制規(guī)律的選擇控制系統的投運與參數整定這一章主要回答三個問題1.控制什么？2.拿什么來控制？3.通過什么方式控制？第一個問題：控制什么？答：控工藝要求的指標具體分為兩種情況：1.工藝要求的指標可以直接在線測量

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

尋找一個于工藝指標有明顯的對于關系，且可以測量的另一個間接指標，通過控制間接指標來達到控制工藝指標的目的（間接指標控制）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，當壓力恒定的時候，組分與溫度存在單值對應關系；或者溫度恒定的時候，組分與壓力存在單值對應關系，根據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問題：拿什么控制？答：拿一個對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、精度等滿足工藝要求測量儀表本身要反應快應選擇有代表性位置進行安裝儀表安裝時所用的輔助裝置不應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、結構形式、正反作用、流量特性等滿足要求本身反應快（氣信號不要進行遠距離傳輸、必要時可以采用電氣轉換器、閥門定位器）閥門安裝位置應盡可能靠近被控設備（二者中間不能有很長的工藝管路，否則會人為增大廣義對象的純滯后）第三個問題：以什么方式控制？答：沒有標準答案（選擇合適的調節(jié)規(guī)律）最常用的調節(jié)規(guī)律：位式控制、P、PI、PD、PID（需要充分理解各種調節(jié)規(guī)律的特點和適用場合）后續(xù)問題：如何整定PID參數？答：臨界比例度法＋經驗衰減曲線法＋經驗經驗湊試法最好的方法就是“經驗”第一節(jié)概述四個基本環(huán)節(jié)：

測量變送環(huán)節(jié)控制器執(zhí)行器被控對象被控變量控制器執(zhí)行器被控對象測量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設定值＋－選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統投運參數整定概述控制器(LC或TC)執(zhí)行器（控制閥）被控對象（液位儲槽或換熱器）測量、變送環(huán)節(jié)（LT或TT）被控變量（液位或溫度）干擾偏差設定值＋－廣義對象簡單控制系統方塊圖載熱體冷流體換熱器溫度控制系統液位控制系統常見的兩種簡單控制系統：第二節(jié)被控變量的選擇明確控制目的使生產過程自動按照預定的目標進行，并使工藝參數保持在預先規(guī)定的數值上（或按預定規(guī)律變化）分析生產工藝“關鍵”變量：對產品的產量、質量以及生產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：直接指標控制和間接指標控制當質量指標信號缺少檢測手段、信號微弱、滯后很大時，可選取與直接質量指標有單值對應關系而反應又快的變量做為間接控制指標。選擇被控變量選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統投運參數整定概述精餾過程示意圖冷卻水TDp進料

Q入，X入，T入回流F塔底產品塔頂產品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三者之間的關系為：XD=f(TD，P)，兩個獨立變量。精餾塔系統的被控變量選擇

要有代表性。被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態(tài)，一般都是工藝過程中比較重要的變量。

應該獨立可控。簡單控制系統的被控變量應避免和其他控制系統的被控變量有關聯（耦合)關系。

滯后要小。采用直接指標作為被控變量最直接也最有效。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送環(huán)節(jié)滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。

靈敏度要高。被控變量應能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。

成本要低。選擇被控變量時，必須考慮工藝的合理性和國內儀表產品現狀。

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象原則上，在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個對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的干擾變量。

選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統投運參數整定概述

精餾過程示意圖冷卻水TDp進料

Q入，X入，T入回流F塔底產品塔頂產品QZ蒸汽TH進料流量Q入不可控進料成分X入

不可控進料溫度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系被控對象控制質量系統的過渡過程形式——超調量、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期對象特性系統的輸入輸出關系分為對象靜態(tài)性質和對象動態(tài)性質考察對象特性對控制質量的影響，用以選擇操縱變量對象特性對控制質量的影響放大系數絕對放大系數YXPOY/(YMAX-YMIN)X/(XMAX-XMIN)相對放大系數控制通道的穩(wěn)態(tài)特性由控制通道放大系數K0表征從控制有效性考慮，K0應適當的大一些

干擾通道的穩(wěn)態(tài)特性由干擾通道放大系數Kf表征希望Kf小一些，Kf越小干擾變量對被控變量的影響就越小操縱變量選擇的原則一：當多個輸入變量都影響被控變量時，從穩(wěn)態(tài)性質考慮，應該選擇其中放大系數大的可控變量作為操縱變量。

對象穩(wěn)態(tài)性質對控制質量的影響對象動態(tài)性質對控制質量的影響控制通道時間常數T0控制通道滯后時間τ0

T0小一點好，不能過大，否則會使控制變量的校正作用遲緩，超調量增大，過渡時間增長

在選擇操縱變量構成控制回路時，應盡量避免控制通道純滯后τ0的存在，無法避免時應使之盡可能小。A:無純滯后時的校正作用B:有純滯后時的校正作用C:不受控下的輸出曲線D:無純滯后時的輸出曲線E:有純滯后時的輸出曲線干擾通道時間常數TfTf越大越好，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于改善控制質量

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間τf

干擾通道的純滯后τf不會影響控制質量

操縱變量的選擇原則

操縱變量應是可控的，即工藝上允許調節(jié)的變量。操縱變量一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。為此，應通過合理選擇操縱變量，使控制通道的放大倍數適當大、時間常數適當小(但不宜過小，否則易引起振蕩)、純滯后時間盡量小。為使其他干擾對被控變量的影響盡可能小，應使干擾通道的放大系數盡可能小、時間常數盡可能大。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的經濟性。一般說來不宜選擇生產負荷作為控制變量，因為生產負荷直接關系到產品的產量，是不宜經常波動的。根據穩(wěn)態(tài)性質選擇操縱變量

薄板冷卻器熱物料冷物料TTFTLC液氨液氨PT氣氨氣氨液氨儲罐氨直冷式薄板冷卻系統示意圖被控變量：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對冷物料出口溫度T的放大系數為：

氣氨回氣壓力P對冷卻器物料出口溫度T的放大系數為：

PO根據動態(tài)性質選擇控制變量乳化物干燥系統示意圖乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)工藝要求在保證產品含水率合格的前提下，保證最大產量。

被控變量產品含水率－>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乳化物干燥系統被控對象對象方塊圖乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)乳化物干燥系統示意圖=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

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偏差設定值＋－干擾方案2：旁路空氣流量fQ為控制變量設定值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偏差設定值＋－fWP乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產品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選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統投運參數整定概述第四節(jié)控制器控制規(guī)律的選擇常用的幾種控制規(guī)律

位式控制適用于對控制質量要求不高，被控對象是單容量的、且容量較大、滯后較小、負荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動范圍較寬的場合。

比例控制

優(yōu)點：比例控制克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。缺點：在過渡過程終了時存在余差適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝允許被控變量存在余差的場合。

比例微分控制優(yōu)點：利用微分超前的作用，在被控對象具有較大滯后的場合下，將會有效地改善擔制質量。缺點：有可能會使系統產生振蕩，嚴重時使系統失控而發(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。適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制要求高的場合。

比例積分控制優(yōu)點：系統在過渡過程結束時無余差缺點：系統的超調量、振蕩周期都會相應增大，過渡時間也會相應增加。適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、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控制系統形成負反饋。在控制系統中，控制器、被控對象、測量元件及執(zhí)行器都有各自的作用方向，一般被控對象、測量元件及執(zhí)行器的作用方向是固定的，因此為了使系統構成負反饋，應對控制器的正反作用進行調整。

所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當輸入增加時，輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當環(huán)節(jié)的輸人增加時，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、判斷被控對象的正反作用方向，由工藝機理確定；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：控制信號中斷時，應保證設備和操作人員的安全；3、確定廣義對象的正反作用方向，一般測量變送環(huán)節(jié)為正作用方向，根據被控對象和執(zhí)行器的作用方向，確定廣義對象的正反作用方向；4、確定控制器的正反作用方向，廣義對象正作用方向，則控制器應選擇為反作用，反之亦然。被控變量控制器執(zhí)行器被控對象測量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設定值＋－廣義對象燃料氣TC加熱爐出口溫度控制控制器正反作用選擇的實例液位控制選擇被控變量選擇操縱變量處理測量信號選擇調節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統投運參數整定概述第五節(jié)控制系統的投運與參數整定控制系統的投運（1）熟悉被控對象和整個控制系統，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，及故障時能及時確定故障原因；（2）根據經驗或估算比例度δ、積分時間TI和微分時間TD的數值，或將控制器放在純比例作用，比例度放在較大位置；（3）確認控制閥的氣開、氣關作用；確認控制器的正、反作用；（4）手動操作執(zhí)行器，待工況穩(wěn)定后，將控制器由手動狀態(tài)切換到自動狀態(tài)，控制系統由開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制。初步投運過程基本結束。但控制系統的過渡過程不一定滿足要求，需要進一步整定比例度δ、積分時間TI和微分時間TD三個參數?？刂破鲄档墓こ陶ň褪前凑找讯ǖ目刂品桨?，求取使控制質量最好的控制器參數值。即確定最合適的控制器比例度δ、積分時間TI和微分時間TD，使控制質量能滿足工藝生產的要求。對于簡單控制系統來說，一般希望過渡過程呈4:1至10:1的衰減振蕩過程。什么是“參數整定”？yt4:1yt10:1參數整定方法：理論計算、工程整定（又叫經驗整定方法，分為臨界比例度法、衰減曲線法、經驗湊試法）

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，直至系統產生等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度δK，周期稱為臨界振蕩周期Tk。然后按表中的經驗公式計算出控制器的各參數整定數值。Tkttfy臨界振蕩過程臨界比例度法參數計算公式控制作用比例度%積分時間(min)微分時間(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：當不存在臨界比例度、臨界比例度過小、不允許等幅振蕩時，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，直至系統出現4：1衰減比為止，這時的比例度稱為衰減比例度δS，周期稱為衰減周期Ts。然后按表中的經驗公式計算出控制器的各參數整定數值。控制作用比例度%積分時間(min)微分時間(min)比例δS

比例＋積分1.2δS

0.5Ts比例＋積分＋微分0.8δS

0.3Ts0.1Ts4:1衰減法參數計算公式表

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

比例＋積分1.2δS

2T升

比例＋積分＋微分0.8δS