化工仪表及自动化之简单控制系统

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,化工仪表及自动化,第七章 简单控制系统,内容提,要,要,简单控,制,制系统,的,的机构,与,与组成,简单控,制,制系统,的,的设计,被控变,量,量的选,择,择,操纵变,量,量的选,择,择,测量元,件,件特性,的,的影响,控制器,控,控制规,律,律的选,择,择,控制器,参,参数的,工,工程整,定,定,临界比,例,例度法,衰减曲,线,线法,经验凑,试,试法,1,第一节,简,简单,控,控制系,统,统的机,构,构与组,成,成,2,简单控,制,制系统通常是,指,指由一,个,个测量,元,元件、,变,变送器,、,、一个,控,控制器,、,、一个,控,控制阀,和,和一个,对,对象所,构,构成的,单,单闭环,控,控制系,统,统。,图7-1 液,位,位控制,系,系统,图7-2 温,度,度控制,系,系统,在本课,件,件以后,的,的控制,系,系统图,中,中，也,将,将不再,画,画出测,量,量、变,送,送环节,，,，但要,注,注意在,实,实际的,系,系统中,总,总是存,在,在这一,环,环节，,只,只是在,画,画图时,被,被省略,罢,罢了。,说明,第一节,简,简单,控,控制系,统,统的机,构,构与组,成,成,3,图7-3简,单,单控制,系,系统的,方,方块图,从图中,可,可知,简单控,制,制系统,由,由四个,基,基本环,节,节组成,，,，即被,控,控对象,、,、测量,变,变送装,置,置、控,制,制器和,执,执行器,。,。,在该系,统,统中有,着,着一条,从,从系统,的,的输出,端,端引向,输,输入端,的,的反馈,路,路线，,也,也就是,说,说该系,统,统中的,控,控制器,是,是根据,被,被控变,量,量的测,量,量值与,给,给定值,的,的偏差,来,来进行,控,控制的,。,。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,一、被,控,控变量,的,的选择,4,生产过,程,程中希,望,望借助,自,自动控,制,制保持,恒,恒定值,（,（或按,一,一定规,律,律变化,）,）的变,量,量称为,被,被控变,量,量。,被控变,量,量的界,定,定,它们对,产,产品的,产,产量、,质,质量以,及,及安全,具,具有决,定,定性的,作,作用，,而,而人工,操,操作又,难,难以满,足,足要求,的,的；,人工操,作,作虽然,可,可以满,足,足要求,，,，但是,，,，这种,操,操作是,既,既紧张,而,而又频,繁,繁的。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,被控变,量,量的分,类,类（按,照,照与生,产,产过程,的,的关系,）,）,直接指,标,标控制,；,；,间接指,标,标控制,。,。,5,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,6,图7-4精,馏,馏过程,示,示意图,1精,馏,馏塔；2蒸,汽,汽加热,器,器,图7-5苯,-,-甲苯,溶,溶液的T-x图,图7-6 苯,-,-甲苯,溶,溶液的p-x图,举例,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,从工艺,合,合理性,考,考虑，,常,常常选,择,择温度,作,作为被,控,控变量,。,。,原因,在精馏,塔,塔操作,中,中，压,力,力往往,需,需要固,定,定。只,有,有将塔,操,操作在,规,规定的,压,压力下,，,，才易,于,于保证,塔,塔的分,离,离纯度,，,，保证,塔,塔的效,率,率和经,济,济性。,在塔压,固,固定的,情,情况下,，,，精馏,塔,塔各层,塔,塔板上,的,的压力,基,基本上,是,是不变,的,的，这,样,样各层,塔,塔板上,的,的温度,与,与组分,之,之间就,有,有一定,的,的单值,对,对应关,系,系。,所选变,量,量有足,够,够的灵,敏,敏度。,7,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,8,选择被,控,控变量,的,的原则,（1）,被,被控变,量,量应能,代,代表一,定,定的工,艺,艺操作,指,指标或,能,能反映,工,工艺操,作,作状态,，,，一般,是,是工艺,过,过程中,较,较重要,的,的变量,。,。,（2）,被,被控变,量,量在工,艺,艺操作,过,过程中,经,经常要,受,受到一,些,些干扰,影,影响而,变,变化。,为,为维持,其,其恒定,，,，需要,较,较频繁,的,的调节,。,。,（3）,尽,尽量采,用,用直接,指,指标作,为,为被控,变,变量。,当,当无法,获,获得直,接,接指标,信,信号，,或,或其测,量,量和变,送,送信号,滞,滞后很,大,大时，,可,可选择,与,与直接,指,指标有,单,单值对,应,应关系,的,的间接,指,指标作,为,为被控,变,变量。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,（4）,被,被控变,量,量应能,被,被测量,出,出来，,并,并具有,足,足够大,的,的灵敏,度,度。,（5）,选,选择被,控,控变量,时,时，必,须,须考虑,工,工艺合,理,理性和,国,国内仪,表,表产品,现,现状。,（6）,被,被控变,量,量应是,独,独立可,控,控的。,9,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,二、操,纵,纵变量,的,的选择,10,1.操纵变,量,量,在自动,控,控制系,统,统中，,把,把用来,克,克服干,扰,扰对被,控,控变量,的,的影响,，,，实现,控,控制作,用,用的变,量,量称为,操,操纵变,量,量。,最常见,的,的操纵,变,变量是,介,介质的,流,流量。,操作变量,系统的干扰,通过工艺分析,确定,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,11,举例,图7-7精,馏,馏塔流,程,程图,如果根,据,据工艺,要,要求，,选,选择提,馏,馏段某,块,块塔板,（,（一般,为,为灵敏,板,板）的,温,温度作,为,为被控,变,变量。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,图7-8影,响,响提馏,段,段温度,的,的各种,因,因素示,意,意图,影响提,馏,馏段灵,敏,敏板温,度,度T灵的因素,主,主要有,：,：,进料的,流,流量（Q入）、成,分,分（x入）、温,度,度（T入）、回,流,流的流,量,量（Q回）、回,流,流液温,度,度（T回）、加,热,热蒸汽,流,流量（Q蒸）、冷,凝,凝器冷,却,却温度,及,及塔压,等,等等。,通过工,艺,艺分析,，,，选择,蒸,蒸汽流,量,量作为,操,操纵变,量,量。,12,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,13,2.对象特,性,性对选,择,择操纵,变,变量的,影,影响,图7-9干,扰,扰通道,与,与控制,通,通道的,关,关系,干扰变,量,量由干扰,通,通道施,加,加在对,象,象上，,起,起着破,坏,坏作用,，,，使被,控,控变量,偏,偏离给,定,定值；,操纵变,量,量由控制,通,通道施,加,加到对,象,象上，,使,使被控,变,变量回,复,复到给,定,定值，,起,起着校,正,正作用,。,。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,（1）对象,静,静态特,性,性的影,响,响,一般希,望,望控制,通,通道的,放,放大系,数,数KO要大些,，,，对象,干,干扰通,道,道的放,大,大系数Kf小些。,（2）对象,动,动态特,性,性的影,响,响,控,制,制通道,时,时间常,数,数的影,响,响,控制通,道,道的时,间,间常数,不,不能过,大,大，否,则,则会使,操,操纵变,量,量的校,正,正作用,迟,迟缓、,超,超调量,大,大、过,渡,渡时间,长,长。要,求,求对象,控,控制通,道,道的时,间,间常数T小一些,，,，从而,获,获得良,好,好的控,制,制质量,。,。,14,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,15,控,制,制通道,纯,纯滞后0的影响,控制通,道,道的物,料,料输送,或,或能量,传,传递都,需,需要一,定,定的时,间,间。这,样,样造成,的,的纯滞,后,后O对控制,质,质量是,有,有影响,的,的。图7-10所示,为,为纯滞,后,后对控,制,制质量,影,影响的,示,示意图,。,。,图7-10,纯,纯滞后0对控制,质,质量的,影,影响,在选择,操,操纵变,量,量构成,控,控制系,统,统时，,应,应使对,象,象控制,通,通道的,纯,纯滞后,时,时间0尽量小,。,。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,16,干,扰,扰通道,时,时间常,数,数的影,响,响,干扰通,道,道的时,间,间常数Tf越大，,表,表示干,扰,扰对被,控,控变量,的,的影响,越,越缓慢,，,，越有,利,利于控,制,制。,干,扰,扰通道,纯,纯滞后f的影响,如果干,扰,扰通道,存,存在纯,滞,滞后f，控制,作,作用也,推,推迟了,时,时间f，使整,个,个过渡,过,过程曲,线,线推迟,了,了时间f，要控,制,制通道,不,不存在,纯,纯滞后,，,，通常,是,是不会,影,影响控,制,制质量,的,的，如,图,图7-11所,示,示。,图7-11,干,干扰通,道,道纯滞,后,后f的影响,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,17,3.操纵变,量,量的选,择,择原则,操纵变,量,量应是,可,可控的,，,，即工,艺,艺上允,许,许调节,的,的变量,。,。,操纵变,量,量一般,应,应比其,他,他干扰,对,对被控,变,变量的,影,影响更,加,加灵敏,。,。,在选择,操,操纵变,量,量时，,除,除了从,自,自动化,角,角度考,虑,虑外，,还,还要考,虑,虑工艺,的,的合理,性,性与生,产,产的经,济,济性。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,三、测,量,量元件,特,特性的,影,影响,18,测量、,变,变送装,置,置是控,制,制系统,中,中获取,信,信息的,装,装置，,也,也是系,统,统进行,控,控制的,依,依据。,要,要求它,能,能正确,地,地、及,时,时地反,映,映被控,变,变量的,状,状况。,1.测量元,件,件的时,间,间常数,图7-12,测,测量元,件,件时间,常,常数的,影,影响,测量元,件,件，特,别,别是测,温,温元件,，,，由于,存,存在热,阻,阻和热,容,容，它,本,本身具,有,有一定,的,的时间,常,常数，,易,易造成,测,测量滞,后,后。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,19,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,T,m,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,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,20,2.测量元,件,件的纯,滞,滞后,当测量,存,存在纯,滞,滞后时,，,，会严,重,重地影,响,响控制,质,质量。,图7-13pH值控制,系,系统示,意,意图,有时，,测,测量的,纯,纯滞后,是,是由于,测,测量元,件,件安装,位,位置引,起,起的。,延迟时,间,间0,这一纯,滞,滞后使,测,测量信,号,号不能,及,及时反,映,映中和,槽,槽内溶,液,液pH值的变,化,化，因,而,而降低,了,了控制,质,质量。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,21,3.信号的,传,传送滞,后,后,信号传送滞后,测量信号传送滞后,控制信号传送滞后,由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。,由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。,信号的,传,传送滞,后,后，应,尽,尽量减,小,小。,第二节,简,简单,控,控制系,统,统的设,计,计,四、控,制,制器控,制,制规律,的,的选择,22,1.控制器,控,控制规,律,律的确,定,定,图7-14,简,简单控,制,制系统,简,简化方,块,块图,（1）,比,比例控,制,制器,比例控,制,制器是,具,具有比,例,例控制,规,规律的,控,控制器,。,。,对于单,元,元组合,仪,仪表,适用于,控制通,道,道滞后,较,较小、,负,负荷变,化,化不大,、,、工艺,上,上没有,提,提出无,差,差要