化工仪表及其自动化控制第七章简单控制系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化工仪表以自动化,*,第,7,章 简单控制系统,简单控制系统的结构与组成,控制的目的、被控变量的选择,对象特性、控制变量的选择,测量滞后、测量信号处理,负荷变化、调节阀选择,控制规律的选择,控制系统的投运与参数整定,这一章主要回答三个问题,1.,控制什么？,2.,拿什么来控制？,3.,通过什么方式控制？,第一节 概述,四个基本环节,：,测量变送环节,控制器,执行器,被控对象,被控变量,控制器,执行器,被控对象,测量变送环节,干扰,偏差,设定值,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,控制器,(LC,或,TC),执行器,（控制阀）,被控对象,（液位储槽或换热器）,测量、变送环节,（,LT,或,TT,）,被控变量,（液位或温度）,干扰,偏差,设定值,广义对象,简单控制系统方块图,载热体,冷流体,换热器,温度控制系统,液位控制系统,常见的两种简单控制系统：,第二节 被控变量的选择,明确,控制目的,使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持在预先规定的数值上（或按预定规律变化）,分析,生产工艺,“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量,确定,被控变量,两种控制类型：,直接指标控制,和,间接指标控制,当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标。,选择被控变量,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,精馏过程示意图,冷却水,T,D,p,进料,Q,入,，,X,入,，,T,入,回流,F,塔底产品,塔顶产品,Q,Z,蒸汽,T,H,苯二甲苯的,T-x,图,T,D,X,D,%,苯二甲苯的,P-x,图,P,MPa,X,D,%,塔顶易挥发组分纯度,X,D,、,塔顶温度,T,D,、,塔顶压力,P,三者之间的关系为：,X,D,=f(T,D,，,P),，,两个独立变量。,精馏塔系统的被控变量选择,要有代表性,。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，一般都是工艺过程中比较重要的变量。,应该独立可控,。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合,),关系。,滞后要小,。采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，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。,灵敏度要高,。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。,成本要低,。选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。,被控变量选择的一般原则,操纵变量与干扰变量,第三节 操纵,变量的选择,Q,入,T,入,X,入,Q,Z,F,T,H,被控变量,T,D,影响塔顶温度的各种输入示意图,被控对象,原则上，,在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量,影响显著,而且,可控性良好,的输入作为,控制变量,后，其它所有未被选中的输入则成了为系统的,干扰变量,。,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,精馏过程示意图,冷却水,T,D,p,进料,Q,入,，,X,入,，,T,入,回流,F,塔底产品,塔顶产品,Q,Z,蒸汽,T,H,进料流量,Q,入,不可控,进料成分,X,入,不可控,进料温度,T,入,不可控,回流流量,F,可控,回流温度,T,H,不可控,加热蒸汽流量,Q,Z,可控,冷凝器冷却温度,不可控,塔压,P,不可控,精馏塔系统的操纵变量选择,控制通道,干扰通道,干扰变量,控制变量,被控变量,干扰作用与控制作用之间的关系,被控对象,控制质量,系统的过渡过程形式,超调量、衰减比、,余差、过渡时间、振荡周期,对象特性,系统的输入输出关系,分为对象静态性质和对象动态性质,考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操,纵变量,对象特性对控制质量的影响,放大系数,绝对放大系数,Y,X,Y/(Y,MAX,-Y,MIN,),X/(X,MAX,-X,MIN,),相对放大系数,控制通道的稳态特性由控制通道放大系数,K,0,表征,从,控制有效性,考虑，,K,0,应适当的大一些,干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数,K,f,表征,希望,K,f,小一些，,K,f,越小干扰变量对被控变量的影响就越小,操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。,对象稳态性质对控制质量的影响,对象动态性质对控制质量的影响,控制通道时间常数,T,0,控制通道滞后时间,0,T,0,小一点好，不能过大，,否则会使控制变量的校正作用迟缓，超调量增大，过渡时间增长,在选择,操纵,变量构成控制回路时，应尽量避免控制通道纯滞后,0,的存在，无法避免时应使之尽可能小。,A:,无纯滞后时的校正作用,B:,有纯滞后时的校正作用,C:,不受控下的输出曲线,D:,无纯滞后时的输出曲线,E:,有纯滞后时的输出曲线,干扰通道时间常数,T,f,T,f,越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于改善控制质量,干扰通道纯滞后,f,的影响,无纯滞后,有纯滞后,干扰通道滞后时间,f,干扰通道的纯滞后,f,不会影响控制质量,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,。为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小,(,但不宜过小，否则易引起振荡,),、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。,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。一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。,根据稳态性质选择操纵变量,薄板冷却器,热物料,冷物料,TT,FT,LC,液氨,液氨,PT,气氨,气氨,液氨储罐,氨直冷式薄板冷却系统示意图,被控变量,：物料出口温度,待选的操纵变量：,热物料温度,热物料的流量,液氨的流量,气氨的回气压力,热物料流量,F,对冷物料出口温度,T,的放大系数为：,气氨回气压力,P,对冷却器物料出口温度,T,的放大系数为：,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,第四节 控制器,控制规律的选择,常用的几种控制规律,位式控制,适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。,比例控制,优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。,缺点：在过渡过程终了时存在余差,适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。,比例微分控制,优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善担制质量。,缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。,比例积分微分控制,比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。,比例积分控制,优点：系统在过渡过程结束时无余差,缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。,适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。,控制器正、反作用的选择,保证整个控制系统形成负反馈。,在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。,所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。,何谓“正”、“反”作用？,控制器正 反作用选择的基本原则,控制器正 反作用选择的步骤,1,、判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定；,2,、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全；,3,、确定广义对象的正反作用方向，一般,测量变送环节为正作用方向,，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；,4,、确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。,被控变量,控制器,执行器,被控对象,测量变送环节,干扰,偏差,设定值,广义对象,燃料气,TC,加热炉出口温度控制,控制器正 反作用选择的实例,液位控制,选择被控变量,选择操纵变量,处理测量信号,选择调节阀,选择控制规律,系统投运,参数整定,概述,第五节,控制系统的投运与参数整定,控制系统的投运,（,1,）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故障时能及时确定故障原因；,（,2,）根据经验或估算比例度,、,积分时间,T,I,和微分时间,T,D,的数值，或将控制器放在纯比例作用，比例度放在较大位置；,（,3,）确认控制阀的气开、气关作用；确认控制器的正、反作用；,（,4,）手动操作执行器，待工况稳定后，将控制器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。,初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定比例度,、,积分时间,T,I,和微分时间,T,D,三个参数。,控制器参数的工程整定,就是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,T,I,和微分时间,T,D,，,使控制质量能满足工艺生产的要求。,对于简单控制系统来说，一般希望过渡过程呈,4:1,至,10:1,的衰减振荡过程。,什么是“参数整定”？,y,t,4:1,y,t,10:1,参数整定方法：理论计算、工程整定（又叫经验整定方法，分为临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）,1,、临界比例度法,先将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡，这时的比例度称为,临界比例度,K,，,周期称为,临界振荡周期,Tk,。,然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。,Tk,t,t,f,y,临界振荡过程,临界比例度法参数计算公式,控制作用,比例度,%,积分时间,(min),微分时间,(min),比例,2,K,比例积分,2.2,K,0.85Tk,比例微分,1.8,K,0.85Tk,比例积分微分,1.7,K,0.5Tk,0.125Tk,注意：,当不存在临界比例度、临界比例度过小、不允许等幅振荡时，该方法不适用。,2,、衰减曲线法,将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现,4,：,1,衰减比为止，这时的比例度称为,衰减比例度,S,，,周期称为,衰减周期,Ts,。,然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。,控制作用,比例度,%,积分时间,(min),微分时间,(min),比例,S,比例积分,1.2,S,0.5Ts,比例积分微分,0.8,S,0.3Ts,0.1Ts,4:1,衰减法参数计算公式表,f,y,t,Ts,t,4:1,控制作用,比例度,%,积分时间,(min),微分时间,(min),比例,S,比例积分,1.2,S,2T,升,比例积分微分,0.8,S,1.2T,升,0.4 T,升,10:1,衰减法参数计算公式表,y,t,T,升,f,t,10:1,采用衰减曲线法必须注意以下几点：,(1),加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的,5,左右,;,(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,、,T,升,。,(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,4,：,1,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,4,：,1,衰减过程了。,3,、经验凑试法,被控对象,对象特性,比例度,积分时间,(min),微分时间,(min),流量,对象时间常数小，参数有波动，,要大，,T,I,要短，不用微分,40,100,0.3,1,0.5,0.3,温度,对象容量滞后大，参数变化迟缓，,应小，,T,I,要长，一般需加微分,20,60,3,10,压力,对象容量滞后不大，一般不用微分,30,70,0.4,3,液位,对象时间常数范围较大，,应在一定范围内选取，一般不用微分,20,80,0.4,3,“,看曲线，调参数,”,比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，都会产生周期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期较长；比例度过小引起的振荡，周期较短；微分时间过大引起的振荡周期最短,三种振荡曲线比较图,比例度、积分时间过大比较图,被控变量,被控变量,比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢，一般来说，比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则地、较大幅度地偏离给定值，形状像波浪般起伏变化，如图曲线,a,所示。如果曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复到给定值，这说明积分时间过大，如图曲线,b,所示。,第一个问题：控制什么？,答：控工艺要求的指标,具体分为两种情况：,1.,工艺要求的指标可以直接在线测量,直接控制这个指标就可以了（直接指标控制）,2.,工艺要求的指标,不,可以直接在线测量,寻找一个于工艺指标有明显的对于关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）,例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据,P173,中的分析，最终可以确定：,固定压力，,通过控制温度来间接控制组分,是合理的,第二个问题：拿什么控制？,答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。,K,大一些，,T,小一些，,最好为,0,测量仪表的选用和安装：,量程、材质、精度等满足工艺要求,测量仪表本身要反应快,应选择有代表性位置进行安装,仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后,(,至少要满足要求,),执行器的选用和安装：,口径（流通能力）、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求,本身反应快（气信号不要进行远距离传输、必要时可以采用电气转换器、阀门定位器）,阀门安装位置应尽可能靠近被控设备（二者中间不能有很长的工艺管路，否则会人为增大广义对象的纯滞后）,第三个问题：以什么方式控制？,答：没有标准答案,（,选择合适的调节规律）,最常用的调节规律：,位式控制、,P,、,PI,、,PD,、,PID,（,需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）,后续问题：如何整定,PID,参数？,答：临界比例度法经验,衰减曲线法经验,经验凑试法,最好的方法就是,“,经验,”,