第7章+简单控制系统+课件.ppt

化工仪表及自动化,第七章 简单控制系统,2,简单控制系统的机构与组成简单控制系统的设计被控变量的选择操纵变量的选择测量元件特性的影响控制器控制规律的选择控制器参数的工程整定临界比例度法衰减曲线法经验凑试法,内容提要,3,7.1 简单控制系统的机构与组成,简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。,图7-1 液位控制系统,图7-2 温度控制系统,在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略罢了。,说明,4,图7-3简单控制系统的方块图,从图中可知,简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。,5,7.2 简单控制系统的设计,7.2.1被控变量的选择,生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。,被控变量的界定,它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。,6,被控变量的分类（按照与生产过程的关系）,直接指标控制；间接指标控制。,7,图7-4精馏过程示意图,1精馏塔；2蒸汽加热器,图7-5苯-甲苯溶液的T-x图,图7-6 苯-甲苯溶液的p-x图,举例,8,从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。,在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。,原因,9,选择被控变量的原则:,（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。,（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。,（3）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。,10,（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。,（5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。,（6）被控变量应是独立可控的。,11,7.2.2 操纵变量的选择,(1)操纵变量,在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。,最常见的操纵变量是介质的流量。,12,举例,图7-7精馏塔流程图,如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。,13,图7-8影响提馏段温度的各种因素示意图,影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有：进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。,通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。,14,(2)对象特性对选择操纵变量的影响,图7-9干扰通道与控制通道的关系,干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；,操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。,15,（A）对象静态特性的影响,一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通道的放大系数Kf小些。,（B）对象动态特性的影响,控制通道时间常数的影响,控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。,16,控制通道纯滞后0的影响,控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后0对控制质量是有影响的。图7-10所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。,图7-10 纯滞后0对控制质量的影响,在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯滞后时间0尽量小。,17,干扰通道时间常数的影响,干扰通道的时间常数Tf越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。,干扰通道纯滞后f的影响,如果干扰通道存在纯滞后f，控制作用也推迟了时间f，使整个过渡过程曲线推迟了时间f，要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的，如图7-11所示。,图7-11干扰通道纯滞后f的影响,18,(3)操纵变量的选择原则,操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。,操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。,在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。,19,7.2.3测量元件特性的影响,测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。,(1)测量元件的时间常数,图7-12测量元件时间常数的影响,测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。,慢,有偏差,失真,20,测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数的110时，对系统的控制质量影响不大。测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量与控制。,结论,21,(2)测量元件的纯滞后,当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。,图7-13pH值控制系统示意图,有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。,延迟时间0,这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化，因而降低了控制质量。,22,(3)信号的传送滞后,信号的传送滞后，应尽量减小。,23,合理选择测量点()选择惰性小的测量元件()加装电气转换装置()引入微分作用(),减少滞后的方法：,24,7.2.4控制器控制规律的选择,(1)控制器控制规律的确定,图7-14简单控制系统简化方块图,（A）比例控制器,比例控制器是具有比例控制规律的控制器。,对于单元组合仪表,适用于,控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。,25,控制器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。,特点,26,（B）比例积分控制器,比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。,比例放大系数KP（或比例度）和积分时间TI。,控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。,适用于,可调整参数,27,由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。,特点,28,（C）比例积分微分控制器,比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。,理想的三作用控制器，存在,比例放大系数KP（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD。,可调整参数,29,微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。,容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。,特点,适用于,30,目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间TD置于，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间TI置于无穷大，便成了比例控制器。,注意！,31,(2)控制器正、反作用的确定,控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。,作用的方向,输入变化后，输出的变化方向。,正作用方向,反作用方向,当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。,当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。,32,测量元件及变送器,作用方向一般是“正”的。,执行器,作用方向取决于是气开阀还是气关阀。,被控对象,作用方向随具体对象的不同而各不相同。,控制器,当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。,33,34,举例,一个简单的加热炉出口温度控制系统。,对象,加热炉,操作变量,燃料气流量,被控变量,被加热的原料油出口温度,图7-15加热炉出口温度控制,35,当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，故对象是“正”作用方向。如果从工艺安全条件出发选定执行器是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执行器便是“正”作用方向。为了保证由对象、执行器与控制器所组成的系统是负反馈的，控制器就应该选为“反”作用。,36,图7-16液位控制,一个简单的液位控制系统,执行器是“正”方向。对象是“反”方向。控制器为“正”方向。,图7-17控制器正、反作用开关示意图,控制器的正、反作用可以通过改变控制器上的正、反作用开关自行选择。一台正作用的控制器，只要将其测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的控制器。,37,7.3 控制器参数的工程整定,7.3.1临界比例度法,控制器参数的整定,按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度、积分时间TI和微分时间TD。,方法,理论计算的方法和工程整定法。,几种常用的工程整定法,先通过试验得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。,38,图7-18 临界振荡过程,表 7-1临界比例度法参数计算公式表,比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。对于临界比例度很小的系统不适用。对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。,特点,39,临界整定应用多，纯P运转减参数；等幅振荡出现时，K值TK值为临界；按照公式乘系数，PID序不能错；静观运行勤调整，细心寻求最佳值。,临界比例度法整定口诀：,40,7.3.2衰减曲线法,通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。,图7-1941和101衰减振荡过程,表7-241衰减曲线法控制器参数计算表,表7-3101衰减曲线法控制器参数计算表,41,在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现41或10 1衰减比为止。通过比例度s 和衰减周期TS,得到控制器的参数整定值。,42,（1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的5左右，也有例外的情况。（2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的S、TS或S和T升值。（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到41衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到41衰减过程了。,注意！,43,衰减整定好处多，操作安全又迅速；纯P降低比例度，找到衰减4：1；按照公式来计算，PID序加参数；观察运行细调整，直到找出最佳值。,衰减曲线法整定口诀：,44,7.3.3经验凑试法,根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。,45,表7-4 控制器参数的经验数据表,46,整定的步骤,（1）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。,看曲线，调参数。,关键,47,图7-20三种振荡曲线比较图,图7-21比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较图,a积分时间过小b比例度过小c微分时间过大,如果比例度过大或积分时间过大，过渡过程变化缓慢的情形。,48,控制阀故障引起的震荡,控制阀在极限位置,定位器使用不当,控制阀的摩擦、间隙引起,49,（2）先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。,方法简单，适用于各种控制系统。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。,特点,50,对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值。在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。,注意！,51,参数经验整定法，先P次I、D后加；看曲线调参数，振荡频繁加大；曲线偏离周期长，减小积分消偏差；温度滞后加微分，其它系统少用它；理想曲线两个波，调节品质为最佳。,经验法整定口诀：,52,三种整定方法的比较：,53,7.4 控制系统的投运及操作中的常见问题,7.4.1 控制系统的投运（1）准备工作熟悉：工艺设备、控制方案、控制回路检查：仪表、线路确定：控制器作用方向,54,（2）投运测量元件变送器投运控制阀投运控制器投运,控制阀的投运,控制阀安装示意图,55,步骤如下：,先将截止阀l和2关闭，手动操作旁路阀3，使工况逐渐趋于稳定；用手动定值器或其他手动操作器调整控制阀上的气压P，使它等于某一中间数值或已有的经验数值；先开上游阀l，再逐渐开下游阀2，同时逐渐关闭旁路阀3(也可开下游阀2)；观察仪表指示值，改变手动输出，使被控变量接近给定值。,56,（3）可能出现的问题：,对象特性变化、测量系统故障、控制阀故障,(a)控制系统间的相互干扰及克服办法,由于化工过程常常是用管道将一系列单元设备连接而成的，流经设备和管道的物料又常是连续的。所以，随着生产过程的强化和反应速度的加快，必将使过程中参数之间的联系更加密切，相互之间的影响和依赖关系也就越大。在工艺操作中常会看到，当改变某一参数(例如压力或流量等)后，很快会影响另外几个参数都发生变化。参数之间这种关联程度越强，控制系统间的相互干扰也就越严重。当几个控制系统间相互干扰时，通常需要采取措施加以处理，否则不能正常运行。,57,精馏塔控制系统之间的干扰,由于精馏塔在操作过程中是一个整体，通过控制回流量来控制塔顶温度时，必然会影响塔底温度。同样，通过控制加热蒸汽量来控制塔底温度时，必然会影响塔顶温度，,58,由于塔顶系统的操纵变量是回流量，影响塔顶温度较快，而塔底系统的操纵变量是加热蒸汽，要通过再拂器换热过程才能影响塔底温度。所以塔底温度控制系统的动作本来就比塔顶温度控制系统侣，如果再通过参数整定，将塔底温度控制器的比例度加大一些，这样就可以进一步削弱两个温度控制系统之间的动态联系，从面使两套系统比较正常的工作。另外，从自动化角度出发，尚可设计较为复杂一些的去关联控制系统，通过引入一些特殊的去关联环节来消除相互间的影响。,59,60,(b)测量系统的故障及判别方法,录曲线突变-可能是仪表发生故障记录曲线突然大幅度变化-仪表或有关装置可能有故障记录曲线出现不规则变化-控制阀存在干摩擦或死区,仪表记录笔卡住，控制阀定位器用得不当记录曲线不变化，呈直线状-仪表可能有故障,记录曲线的分析比较,61,对控制室仪表指示有怀疑时，可以观察现场同位置(或相近位置)安装的各种直观仪表(弹簧管压力表，玻璃管温度计等)的指示，看两者指示值是否相近(不一定要完全相)，如果差别很大，则仪表有故障。,控制室仪表与现场同位仪表比较,两台仪表之间的比较,对一些重要的工艺参数，往往都是用两台仪表同时进行检测显示，以确保测量准确，又便于对比检查。如果两台仪表的指示值不是同时变化，且相差较大，则仪表有故障。,62,造成测量系统故障的原因很多，必须仔细分析，认真检查。例如开车时测量正常，但开车一段时间后发现测量不准确，或被控变量指示值变化不大，反应不灵敏，则必须检查测量元件是否被结晶或粘性物包住；孔板和引压管是否被结晶或粉末局部堵塞；仪表本身灵敏度是否变化等。另外，若引压管中不是单相介质，如液中带气或气中带液，而末及时排放，会造成测量信号失真。当由于长期高温或受局部损坏，致使热电偶或热电阻断开，记录曲线就会突变，指针会移向最大值或最小值，这是比较容易判断和处理的。,63,（c）控制系统运行中的常见问题,控制系统在正常投运以后，经过长期的运行，可能会出现各种问题。要注意被控对象特性的变化以及控制阀特性变化的可能性，要从仪表和工艺两个方面去找原因。首先要考虑对象的特性在运行中有无发生变化。例如所用催化剂是否老化或中章?换热对象的管壁有无结垢而增大热阻降低传热系数?设备内是否由于工艺波动等原因使结晶不断析出或聚合物不断产生。对象特性改变，控制器参数也必须改变。工艺操作的不正常，生产负荷的大幅度变化，不仅会影响对象的特性，面且会使控制阀的特性发生变化。控制阀本身在使用时的特性变化也会影响控制系统的工作。如有的阀，由于受介质腐蚀，使阀芯、阀座形状发生变化，阀的流通面积变大，特性变坏，也易造成系统不能稳定的工作。严重时应关闭截止阀，人工操作旁路阀，更换控制阀。其他如气压信号管路漏气，阀门堵塞等也是常见故障，可按维修规程处理。,64,例1：某列管式蒸汽加热器，工艺要求出口物料温度稳定、无余差、超调量小。试设计一简单控制系统，要求：a)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量及干扰各是什么？b)画出该控制系统的方案图及方块图；c)试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控制过程及信号的变化情况。d)假定介质温度不允许过高，否则易分解。试确定控制阀的气开、气关形式及控制器的正、反作用。,65,（1）被控对象：物料出口管段，被控变量：物料出口温度，操纵变量：蒸汽的流量，主要干扰：物料的流量及温度、蒸汽压力波动等；（2）方块图如下：,f,x,方案图,66,（3）当冷物料的流量突然增大时，会使物料的出口温度T下降，这时由于温度控制器TC是反作用的，故当测量值Z下降时，控制器的输出信号P上升，即控制阀膜头上的压力上升，由于阀是气开式的，故阀的开度增加，通过阀的蒸汽流量也相应增加，于是会使物料的出口温度上升，起到因物料的流量增加而使温度下降相反的作用，故为负反馈作用，所以该系统由于控制作用的结果，能自动克服干扰对被控变量的影响，使被控变量维持在恒定的数值上。（4）由于被加热物料过热易分解，为避免过热，当控制阀上气源中断时，应使阀处于关闭状态，所以控制阀选气开形式。由于加热蒸汽的流量增加时，被加热物料的出口温度是增加的，故该系统中对象是属于“+”作用方向的，阀是气开式，也属于“+”作用方向。为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用的，即反作用方向的。,67,例2：如图为一液体贮槽，需要对液位加以自动控制。为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分析控制阀的气开、气关形式及控制器的正反作用。（1）选择流入量Qi为操纵变量；（2）选择流出量Q0为操纵变量；,68,解：分两种情况：（1）当选择流入量Qi为操纵变量时，控制阀安装在流入管线上，这时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以控制阀选气开形式，为“+”作用方向。这时，操纵变量即流入量Qi增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于控制阀与对象都是“+”作用方向，为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用的，即反作用方向的。（2）当选择流出量Q0为操纵变量时，控制阀安装在流出管线上，这时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以控制阀选气关形式，为“-”作用方向。这时，操纵变量即流出量Q0增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“-”作用方向。由于控制阀与对象都是“-”作用方向，为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用的，即反作用方向的。,69,例3如图是锅炉的压力和液位控制系统的示意图，试确定系统中控制阀的气开、气关型式及控制器的正反作用。,锅炉控制,70,解：在液位控制系统中，如果从安全角度出发，主要是要保证锅炉水位不能太低，则控制阀应选择气关型，以便当气源中断时，能保证继续供水，防止锅炉烧坏。如果要保证蒸汽的质量，汽中不能带液，那么就要选择气开阀，以便气源中断时，不再供水，以免水位太高。本题我们假定是属于前者的情况控制阀应选择气关型，为“一”方向；当供水流量增加时，液位是升高的，故对象为“十”方向，测量变送器一般都是“十,故在这种情况下，也位控制器LC为正作用方向。在蒸汽压力控制系统中，为了保证气源中断时，能停止燃料供给，以防止烧坏锅炉，故控制阀应选择气开阀，为“十”方向，当燃料量增加时，蒸汽压力是增加的，故对象为“十”方向；测量变送器为“十”方向，故压力控制器PC应为反作用方向。,71,P166:2P167：6 11 13 14 15,本章作业：,