单回路控制系统.ppt
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1、第四章 单回路控制系统,过程控制系统设计步骤,过程控制系统的设计是工程设计的一个重要环节,设计的正确与否,直接影响到工程能否投入正常运行。因此要求过程控制专业人员必须根据生产过程的特点、工艺对象的特性和生产操作的规律,只有正确运用过程控制理论,合理选用自动化技术工具,才能设计出技术先进、经济合理、符合生产要求的控制系统。设计要求:1、安全性 2、稳定性 3、经济性,过程控制系统设计的具体步骤为:(1)根据工艺要求和控制目标确定系统变量(2)建立数学模型(3)确定控制方案(4)选择硬件设备(5)选择控制算法,进行控制器设计(6)软件设计 系统设计完成后,进行设备安装、调试与整定,再投入运行。对于
2、过程控制系统而言,控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容。,过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象,对对象的某一个被控参数进行闭环负反馈控制。多回路控制系统内部包含两个以上的单回路系统,对过程两个以上的参数进行闭环负反馈控制,其控制目标保证被控过程的被控参数满足工艺要求。,在系统分析、设计和整定中,单回路系统设计是最基本的方法,适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。通常在选择控制方案时,只有在简单控制系统不能满足生产过程控制的要求时,才考虑采用两个回路以上组成的复杂控制系统。单回路控制系统适用于
3、被控对象滞后时间较小,负载和干扰不大,控制质量要求不很高的场合。,主要内容,4.1 概述4.2 被控量与操纵量的选择4.3 检测及变送环节的考虑4.4 控制阀的选择4.5 控制器控制规律及作用方向的选择4.6 控制器参数的工程整定4.7 控制系统的投运4.8 单回路控制系统设计实例,1、换热器的温度控制,热交换器是常见的一种传热设备,通过它可以将冷物料加热(或冷却)到预定的温度。图示为一个列管式换热器,其中载流体的热量首先传给套管的内壁,经管壁传导后再传给冷流体。传热过程中存在几个串联的热阻,故换热器是一个多容量对象,时间常数和滞后都比较大。,1、换热器的温度控制,根据工艺要求,需要控制的参数
4、是冷流体被加热后的出口温度T1O,此温度要求保持在某一设定数值。影响出口温度T1O的扰动因素主要有:冷流体进口温度T1i 和流量F1、载热体入口温度T2i和流量F2等。常见控制方案有下面两种:,方案一:控制载热体流量(b)方案二:控制冷流体分流量,冷流F1,T1i 体,载热体 F2,T2i,T1O,T20,TC,换热器温度控制,2、离心泵的流量控制,离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对输送的流体流量有定量的要求。此时被控量是离心泵的实际排出液体的流量,扰动因素主要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。,离心泵流量控制,2、离心泵的流量控制,离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对
5、输送的流体流量有定量的要求。此时被控量是离心泵的实际排出液体的流量,扰动因素主要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。控制方案常见的有如下三种:,(a)直接节流方案(b)控制旁路流量方案(c)控制转速方案 离心泵流量控制,4.1 概述,检测/变送,控制器,执行器,对象,实际值,期望值SP,图4-1 单回路控制系统,单回路(系统):反馈控制中的最基本系统特点:简单、有效、应用最成熟、最普遍 占90%以上,系统组成及分析,系统组成,锅炉汽包水位控制系统,被控变量:汽包液位过程(被控对象):锅炉汽包操纵变量:进水流量主要扰动:蒸汽量的变化,被控对象(被控过程)、测量变送、控制器、控制阀,4.2
6、 被控量和操纵量的选择,4.2.1 被控量的选择原则,控制系统的设计目标:即,要控制什么基于工艺要求,选择的结果直接影响生产(产量、质量、安全),选直接参数 即能直接反映生产过程产品产量和质量,以及安全运行的参数(如锅炉水位控制)。选间接参数 当选直接参数有困难时采用,间接指标与直接指标之间必须是一一对应的函数关系(如锌精矿沸腾炉的炉温控制,炉温是反映焙砂质量的一个间接指标)。,直接指标选择,1)表征其质量指标是一个变量,应选用这个受控变量。如汽包液位L2)表征其质量指标是两个变量,应根据自由度选择,被控变量选择原则,1、直接指标测量滞后小,选择直接指标为受控变量2、选择间接指标时应考虑工艺合
7、理性测量滞后小,对直接指标有最大灵敏度实施方便3、直接指标信号微弱,可选用间接指标4、考虑国内外仪表状况,4.2.2 操纵量的选择,操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素,应该遵循快速、有效地克服干扰的原则去选择操纵量。,输入,输出,加热炉:燃料油成分、燃料油压力、燃料油雾化、燃料油流量、烟筒抽力、原油温度、原油流量,4.2.2 操纵量的选择,如何选?(从对象特性对控制质量的影响入手,完成下表),操纵量的选择原则,控制通道对象放大系数适当地大些,时间常数适中,纯滞后越小越好;扰动通道对象的放大系数应尽可能小,时间常数应尽可能大;扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件,增大扰动
8、通道的容量滞后,可减少对被控量的影响;操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发,还必需考虑生产工艺的合理性、经济性。,4.3 检测及变送环节的考虑,4.3.1 检测及变送环节任务、作用及要求任务:对被控量进行正确测量,并将其转换为标准信号。要求:能正确、及时地反映被控量的状况,提供操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据。,4.3.2 检测变送环节特性通常等效为带滞后的一阶惯性特性【理想特性为比例环节】,4.3.2 选型注意事项 应尽量减少其时间常数与滞后时间。,选择快速反应的测量元件,以减小时间常数选择合适的测量点,以减小纯滞后使用微分单元,以克服容量滞后,4.4 控制阀的选择,问题:干
9、扰(设定值、负荷或其它因素变化)的存在会破坏系统的正常运行状态,那么用什么办法来克服扰动的影响【请根据系统框图回答】,SP,控制阀GV(s),检测与变送器Gm(s),PV,对象GP(s),控制器GC(s),单回路控制系统,扰动,控制阀选择内容,流量特性(实际上就是选线性还是对数特性,因为抛物线特性阀通常用的很少,而蝶阀当导通角为0-70o时近似为对数特性);结构形式;开闭形式;口径计算。,ZXP(ZJHP)型新系列气动薄膜直通单座阀,ZAZN型电动双座阀,控制阀的流量特性选择,选择原则系统稳定运行准则 使在生产负荷变动情况下,已整定的控制器的参数值不需改变,而控制系统仍能保持预定的品质指标。系
10、统稳定运行维持方法 通过选择适当的控制阀特性来保证【原因:对象特性通常随负荷(工作点)而变,除控制器外系统中无其它可变部分】。流量特性选择实质与原则 以控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化,使系统成为一个理想的控制系统,即保证系统特性在整个操作范围内基本维持不变:,控制阀的流量特性选择原则,G0(s)=GC(s)GV(s)GP(s)Gm(s)=const 通常使 G0(jwg)-0.5 若仅考虑静态特性,并考虑到控制器增益与检测变送环节增益通常维持不变,则有,阀与对象的放大系数,4.4.1.2流量特性的选择方法,1)数学分析法根据对象特性选取合适的控制阀流量特性2)经验法(工程上多采用)根据被
11、控对象、控制参数,按照经验选取流量特性。按经验法选择流量特性时:需要考虑工艺配管情况;考虑负荷变换的情况:在负荷变化幅度大的场合,选等百分比阀较合适;当所选控制阀经常工作在小开度时,也宜选等百分比阀。,数学分析法(举例),数学分析法(举例),数学分析法(举例),由于设定值扰动引起工作点移动,静态特性的补偿,数学分析法(举例),由于设定值扰动引起工作点移动,动态特性的补偿,数学分析法(举例),由于出液阀开度扰动引起工作点移动,对数/抛物线/蝶阀,R2R1,R2R1,R2R1,Q1 Q2,数学分析法:随动控制系统(设定值R为干扰),对象KP恒定,即被控量与控制阀输出流量Q成正比,则阀流量特性应选线
12、性;KP变化,且随Q增大反而减少,则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性;KP变化,且随Q增大反而增大,则应选快开流量特性;,Q,y,Q,y,Q,y,l,Q,l,Q,l,Q,设定值R改变,快开,直线,R,R,R,Q1Q2Q3,数学分析法:定值控制系统(负荷为干扰),对象KP恒定,即被控量与控制阀输出流量Q成正比,则阀流量特性应选线性;KP变化,且随Q增大反而减少,则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性;KP变化,且随Q增大反而增大,则应选快开流量特性;,y,Q,y,l,Q,l,Q,l,Q,负荷线,负荷线,y,负荷线,负荷改变,对数/抛物线/蝶阀,快开,直线,数学分析法选控制阀流量特性注意事项,
13、不同扰动引起的对象变化,要求补偿用的流量特性可能是不一样,甚至是相反的,所以应根据引起工作点移动的主要干扰来选取控制阀流量特性;采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性,考虑到快开特性特点,一般用于双位控制或程序控制而不适合于连续自动调节,此时可用线性阀代替;生产实践中,通常阀前后压差是变化的,故选择时还需考虑配管条件等对流量特性的影响。,经验法:按控制对象选择流量特性,经验法:按被控变量选择控制阀的理想特性,经验法:按配管情况选择流量特性,4.4.1.3 控制阀流量特性选择注意事项,应根据主要干扰的变化来选择阀门特性;当对象特性可用图形表示时,用图解法选;而当特性可用解析式表示时用解析法
14、选【注意对象特性必须是增量化前的方程】;要求高时,应从动态角度考虑与分析;控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性恒定,为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满足此要求。如节流装置测流量,配开方器,用线性控制阀;如不加开方器,从静态考虑要选快开特性,实际选线性。,4.4.2 控制阀结构形式的选择,控制阀选用时需注意两点:被控介质的工艺条件,如温度、压力、流量等。被控介质的流量特性,如黏度、腐蚀性、毒性、是否含悬浮颗粒、液态还是气态等。,a)单座控制阀 b)双座控制阀 c)角形控制阀 d)套筒控制阀1-阀杆;2-上阀盖;3-填料;4-阀芯;5-阀座;6-阀体图4-4 部分控制阀结构,控制
15、阀结构形式特点及适用场所,4.4.3 控制阀开闭(作用)形式的选择,控制阀的开(信号增大时阀开大)闭(信号压力增大阀关小)形式选择主要基于以下几点考虑:安全角度:出现意外,保证人员、设备安全;质量角度:出现意外事故,考虑产品质量;消耗角度:原料、成品及动力;介质特点:特殊介质,考虑结晶、蒸发等因素控制阀作用方式的选择要和控制器作用方式的选择匹配以满足控制通道作用方向的要求。,正正,反反,p0,p0,正反,反正,p0,p0,气关阀 气开阀,控制阀开闭选择之安全原则,控制阀开闭形式的选择主要从生产安全角度考虑,一般在控制阀气/电源中断时,应切断进入被控设备的原料或热源,停止向设备外输出产品:进料/
16、出料阀(控制原料/热源)气开;回流阀(如精馏罐回流)气关串级控制时如阀的开闭形式可任选,为使主控与串级切换方便,选KV与主对象放大系数符号相同的的(气开时KV为正,气关为负)。例如:加热炉的燃料油控制应采用气开阀,放热反应罐冷却水控制应采用气关阀。,例:加热炉温度控制系统的控制阀应采用何种开闭(正反)形式?,4.4.4 控制阀口径计算,调节阀的口径选择是由调节阀流量系数C(或称流通能力C)决定的。调节阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件(即给定的介质流量与物性参数及阀前后的压差等)进行Cmax值的计算,然后按调节阀生产厂家的产品目录,选出相应的调节阀口径,使得通过调节阀的流量满足工艺要求的
17、最大流量且留有一定的裕度,但裕度不宜过大。【流通能力定义】在给定的行程下,当阀两端压差为100kPa,流体密度为1g/cm3时,流经调节阀的流体流量(以m3/h表示)。,控制阀口径计算计算方法,在新装置的设计时,通常按流通能力C值确定阀门口径,常用方法有两种:根据实际最大流量Qmax,算出相应的流通能力Cmax,然后从产品系列中选取稍大于Cmax的C值及相应的阀门口径,选取时应留必要的余地。最后对实际最大流量Qmax及实际最小流量Qmin时的阀门开度进行验算:在Qmax时应不大于90%,在Qmin时不小于10%。按常用流量算出相应的流通能力Cvc。选用阀门C值应使Cvc/C在0.250.8之间
18、,即按常用流量乘以41.25倍。一般Cvc/C=0.5为相宜,当工作特性为对数型时可更小些。,控制阀口径计算计算步骤,根据工艺专业委托的条件,初选阀的型式、流向及流量特性,并决定流量系数C值的计算方法。确定计算C值的各项参数值,如阀前、后压力,最大、常用、最小流量,阀前后压差,密度以及其他辅助修正系数。判别工况是阻塞流还是非阻塞流,如为阻塞流工况,且流量较大,则应进行噪声预估计算,如为非阻塞流,一般可不进行噪声预估计算。选定合适的C值计算公式,计算最大流量下阀的Cmax值,并圆整之。按圆整的Cmax值在所选阀型的标准系列中,找与C Cmax/0.85靠近的额定C值,其对应的阀径即为所选调节阀的
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- 回路 控制系统
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