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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,*,*,*,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,*,*,*,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,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,教 学 内 容,第一节 自动化基础知识,第二节 简单控制系统,第三节 复杂控制系统介绍,第四节 典型控制系统方案介绍,1,第一节 自动化基础知识,本节主要知识点：,人工调节与自动控制,自动控制系统的任务及基本组成,自动控制系统的过渡过程及品质指标,影响控制系统的过渡过程的主要因素,本节知识问答：,自动控制系统的任务是什么？它由哪些基本环节组成？,什么叫被控对象、被控变量、测量值、设定值、偏差、扰动作用和控制作用？,2,一、人工调节和自动控制,眼,手,脑,水位测量与变送,执行器,控制器,设定,操作人员所做的工作如下：第一，用眼睛观察玻璃管 液 位 计的指示值；第二，将指示值与工艺中需要保持的液位值在大脑中比较并算出两者的差值；第三，当指示值偏高（低）时，用手去开大（关小）阀门。,测量仪表相当于,人的眼睛，控制器相,当于人的大脑，控制阀,相当于人的手脚。,一个自动控制系统就是,对人工调节过程的模拟。,3,例1：,液位控制系统实例,4,例2：,流量控制系统实例,5,例3：,温度控制系统实例,6,控制器,执行机构,被控对象,变送器,被控变量,扰动作用,控制作用,测量值,设定值,偏差,+,-,自动控制系统是由,变送器,、,控制器,、,执行机构,和,被控对象四个环节,组成的闭环负反馈控制系统。其基本功能是使被控变量与设定值一致。,1.组成,二、自动控制系统的组成及分类,7,1、被控对象,是指需要实现控制的工艺设备、机械或生产过程。,控制器,执行机构,被控对象,变送器,扰动作用,控制作用,测量值,设定值,偏差,+,-,被控变量,被控对象,2.名词解释,8,2、被控变量,是表征生产设备（过程）运行情况是否正常而需要加以控制的物理量。,控制器,执行机构,被控对象,变送器,扰动作用,控制作用,测量值,设定值,偏差,+,-,被控变量,被控变量,9,3、设定值,被控变量的预定（或希望）值。,设定值,控制器,执行机构,被控对象,变送器,扰动作用,控制作用,测量值,偏差,+,-,被控变量,设定值,10,4、控制作用,被自动化装置操纵，用以使被控变量保持设定值的物料量和能量。,设定值,控制器,执行机构,被控对象,变送器,扰动作用,控制作用,测量值,偏差,+,-,被控变量,控制作用,11,5、扰动作用,除控制作用外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素。,设定值,控制器,执行机构,被控对象,变送器,扰动作用,控制作用,测量值,偏差,+,-,被控变量,扰动作用,12,6、测量值,与被控变量对应的，变送器的输出值。通常为420,mA,范围内的直流电流或其它数字通讯协议。,设定值,控制器,执行机构,被控对象,变送器,扰动作用,控制作用,测量值,偏差,+,-,被控变量,测量值,13,7、偏差,测量值与设定值之差。它有大小、方向和变化速率三个基本要素。,设定值,控制器,执行机构,被控对象,变送器,扰动作用,控制作用,测量值,偏差,+,-,被控变量,偏差=测量值-设定值,偏差,14,3.自动控制系统的分类,按设定值的不同可将自动控制系统分为三大类。,（）定值控制系统定值控制系统就是设定值不变的控制系统。工艺生产中要求控制系统的被控变量保持在一个生产技术指标上不变，这个技术指标就是设定值。,（）随动控制系统 （也称为自动跟踪系统）这类系统的特点是设定值不断变化，并要求系统的输出也跟着变化。,（）程序控制系统 （顺序控制系统）这类系统的设定值也是变的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。设定值不断变化，并要求系统的输出也跟着变化,15,三、 过渡过程的品质指标,本节知识问答：,什么是控制系统的过渡过程？它有哪几种基本形式？,怎样衡量控制质量的好坏？衡量控制质量的品质指标有哪些？,1、控制系统的过渡过程,对于一个自动控制系统，扰动作用是经常存在的。假如一个自动控制系统原来处于某一相对平衡状态，由于扰动的作用，平衡被破坏，被控变量也就产生波动，经过控制器的控制作用，使系统达到一个新的平衡状态。,从扰动作用，发生时起到控制器的控制作用使系统达到新的平衡时为止，这段时间内被控变量的变化过程，称为控制系统的过渡过程。,亦即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,在阶跃扰动（或给定）的作用下，控制系统的过渡过程有如下,五种基本形式,。,16,被控变量,时间,（1）发散振荡过程,设定值,17,被控变量,时间,（2）等幅荡过程,设定值,18,被控变量,时间,（3）衰减振荡过程,设定值,19,被控变量,时间,（4）非周期发散 （5）非周期衰减,设定值,非周期发散,非周期衰减,20,被控变量,时间,阶跃给定作用下系统的过渡过程,设定值,21,被控变量,时间,阶跃扰动作用下系统的过渡过程,22,2. 控制系统的品质指标,自动控制系统控制质量的优劣，并没有一个绝对的标准。主要根据生产工艺的具体要求而定。通常都希望在受到扰动作用以后，被控变量偏离设定值的程度要小一些，波动要少一些，达到新的稳定状态所花费的时间要短一些。也就是从自动控制系统过渡过程的准确性、稳定性和快速性三个方面来平价它的控制质量。对于最普遍希望的衰减振荡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过度时间和振荡周期等几项。,23,评价自动控制系统控制质量好坏的指标主要有：衰减比,、最大偏差,A（,或超调量,）、,过渡过程时间,T、,余差,C,和振荡周期,T,S,（,或振荡频率）。,被控变量,时间,设定值,T,T,S,A,B,B,=,B,B,C,1.衰减比,：第一个波峰的幅值,B,与同方向的第二个波峰的幅值,B,之比。通常要求整定在4：110：1范围内。,2.最大偏差,A：,第一个波峰的幅值,B,与设定值,SP,之差。,A=|B-SP|,4.过渡时间,T,S,：,第一个波峰出现到同方向的第二个波峰出现时所需要的时间。,5.余差,C：,过渡过程结束后，被控变量与设定值之差。,3.过渡时间,T：,从扰动作用开始，被控变量从原来的稳态值变化到新的稳态值所需要的时间。,24,四、影响控制系统过渡过程的主要因素,知识问答：,什么叫被控对象的特性？用哪些参数描述,?,什么叫调节阀的特性？主要有哪几种,?,一个简单的自动控制系统由个环节组成，可以概括为由被控对象和自动化装置两个部分组成。影响控制系统过渡过程的主要因素来自这两个部分。下面分别介绍。,25,什么叫被控对象的特性呢？就是指对象受到扰动作用后，被控变量是如何变化的。换句话说，就是对象的输入发生变化时，其输出是如何变化的，变化的快慢如何，以及最终变化了多少等等。,被控变量,控制作用,扰动作用,被控对象,扰动通道,控制通道,（一）被控对象特性对控制质量的影响,26,1. 对象的负荷和自衡,当生产过程处于稳定状态时，单位时间内流入或流出对象的物料或能量，叫对象的负荷。负荷稳定对系统有利。,什么叫对象的自衡呢？就是生产过程平衡状态被破坏后，在没有外界的控制作用下，被控变量自行趋向一个稳定值的现象（性质）。,Q,入,时间,输出,Q,出,有自衡特性的对象,27,Q,出,Q,入,时间,输出,无自衡特性的对象,28,2. 对象的放大系数,对于有自衡能力的对象，输入量一定时，输出量最终也是一定的，且不同的输入量对应着不同的输出量。把自衡对象的前后两个状态的输出变化量与输入变化量之比，称为对象的放大系数。,K=（Y,2,-Y,1）,/（X,2,-X,1,）,K,大，控制起来比较灵敏，但稳定性差；,K,小，则不大灵敏，但较稳定。,x,t,y,t,y2-y1,x2-x1,X,Y,29,3. 对象的容量和容量系数,对象的容量就是指对象能够存放物料量或能量的能力。,对象的容量系数就是被控变量变化一个单位时，需要向对象加入或取出的物料量或能量。,S=（Q,2,-Q,1）,/（Y,2,-Y,1,）,式中：,S,容量系数。,Q,容量。,Y,被控变量。,S,越大，所引起的被控变量变化就比较慢而小，对象的灵敏度就较低；相反，对象的灵敏度就高。,30,4. 对象的滞后时间,对象的被控变量（输出变量）落后于控制作用或扰动作用（输入变量）的现象，叫做滞后。滞后一般分两种：即纯滞后和容量滞后。,当对象的输入作用变化后，输出变量不是立即变化，而是要经过一段时间后才开始变化的现象叫纯滞后。用符号,0,表示。,时间,时间,输入,输出,0,0,=s/v,31,当对象的输入作用变化后，输出变量开始变化的速度非常慢，然后才慢慢加快，最后又变慢，即成“,S,型“这种现象叫容量滞后。,用符号,c,表示。,容量滞后一般是由于物料量或能量在传递过程中有一定有阻力而引起的。,冷凝水,蒸汽,冷流体,热流体,温度计,夹套间壁,装料容器,时间,时间,输入,输出,c,32,5.对象的时间常数,当对象的输入作用变化后，输出量以最快速度达到新的稳态值所需要的时间，称对象的时间常数。,用符号,T,表示。,H,时间,液位,时间,液位,时间,温度,时间,温度,H,蒸汽,蒸汽,T,T,T,T,不同对象的反应曲线,33,通常用滞后时间,=,0,+,c,与时间常数,T,的比值来表示对象滞后的严重程度。,当,/T0.3,为一般滞后对象；,当,0.3,/T1,为大滞后对象。,被控对象的控制通道的滞后时间直接影响控制质量。滞后严重到一定程度，常规的,PID,控制系统就无能为力了。,34,6.控制通道静态特性对被控变量的影响,从理论推导和实践证明，在选择构成控制系统时，被控对象控制通道的静态特性放大倍数,K,0,希望大些。,K,0,大表明操纵变量对被控变量有足够大的灵敏度，使控制作用更为有效。被控对象的放大倍数,K,0,，,可以通过整定控制器的放大倍数,K,C,来补偿。被控对象、控制阀和控制器的方块图是串联的，见下图。根据方框图规则，串联环节的放大倍数是相乘关系。控制阀的放大倍数一般是不可调整的，控制器放大倍数,K,C,有可调范围。如果被控对象的放大倍,K,0,过小，需要改变控制器的放大倍数,K,C,的数值太大，超出了其可调范围，控制器便失去了补偿能力。故被控对象的,K,0,要适当大些，使控制器的放大倍数,K,C,有可调的余地。,控制器,Kc,控制阀,Kv,被控对象,K0,35,7.扰动通道静态特性对被控变量的影响,至于被控对象扰动通道的放大倍数,K,f,应愈小愈好。这表示扰动对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量不大，故确定控制系统时，要考虑被控对象扰动通道的静态特性。,8,.控制通道动态特性对被控变量的影响,控制器的较正作用，是通过控制通道加于被控对象去影响被控变量的。因而要求被控对象控制通道的时间常数,T,C,适当小，使之反应灵敏，控制及时，获得良好的控制质量。但时间常数,T,C,也不能过小，否则容易引起振荡；同时也不能过大，而使操纵变量校正作用迟缓，超调量大，回复时间加长。,36,8.控制通道动态特性对被控变量的影响,控制通道的物料输送和能量传递都要一定时间。这样造成的纯滞后,0,就会影响控制质量。见下图，为纯滞后对控制质量影响的示意图。,t,y,0,C,B,A,D,纯滞后对控制质量的影响,E,37,8.控制通道动态特性对被控变量的影响,控制通道无纯滞后时，当控制器在,t,0,时间接受正信号而产生校正作用,A,，,从,t,0,以后被控变量沿曲线,D,变化；当控制通道有纯滞后,0,时，控制器虽在,t,0,时间后发出了校正作用，由于纯滞后存在，施加给被控变量的校正作用推迟,0,时间，即在,0,时间后校正作用沿曲线,B,发生变化，被控变量沿曲线,E,变化。比较,E,、,D,曲线，可见纯滞后使超调量增加；反之，当控制器接受负偏差时所产生的校正作用，由于存在纯滞后，使被控变量继续下降，可能造成过渡过程的振荡加剧，以致回复时间拉长。所以，在选择操纵变量构成控制系统时，要设法使控制通道时间常数适当小些，纯滞后尽量小。,38,9.对象特性和负荷变化方面的问题,自动控制器的工程参数值主要取决于广义对象特性，所以当对象特性和负荷发生变化后，原先整定的工程参数就不相适应，是引起过渡过程曲线品质下降的主要原因。严重时甚至使自动控制系统失调。,化工生产中常见的对象是各类换热器、精馏塔、流体输送设备和化学反应器等。换热器使用日久后管壁产生结垢，从而增大热阻降低传热系数；化学反应器所用催化剂在使用过程中也会不断老化或意外中毒等，使对象的时间常数和滞后增大，这些都是常见的内在因素。此外，对象操作条件的改变；原料组分的波动以及负荷的变化等外界因素也可能使对象特性发生变化。随着对象特性的变化 ，只要将控制器的控制参数相应调整即可恢复控制系统原有的品质指标。,39,直通单座阀,直通双座阀,蝶阀,角型阀,V,型阀,三通阀,气动簿膜控制阀,电气阀门定位器,关于控制阀,气动活塞执行机构,带阀门定位器的气动活塞执行机构,(二) 控制阀的特性对控制质量的影响,40,1.控制阀的流量特性,它表示控制阀的开度与流过它的流量之间的关系。具体地说，流量特性就是调节阀的相对开度与流过阀的相对流量之间的函数关系。,Q,Q,max,L,L,max,f,Q/Q,max,_,相对流量，调节阀某一开度下的流量,Q,与全开时的流量,Q,max,之比。,L/L,max,_,相对开度，调节阀某一开度下的阀芯位移,L,与全开时的位移,L,max,之比。,41,1.控制阀的流量特性,它表示控制阀的开度与流过它的流量之间的关系。具体地说，流量特性就是调节阀的相对开度与流过阀的相对流量之间的函数关系。,相对开度（%）,相对流量（%）,1直线,2对数,3快开,4抛物线,1,2,3,4,理想流量特性,42,在实际生产中，控制阀前后压差总是变化，这时的流量特性称为工作流量特性。因为控制阀总是与工艺设备、管道等串联或并联使用，控制阀前后压差因阻力损失变化而变化，致使理想流量特性畸变成工作流量特性。,S=0.1,S=0.5,S=1,直线流量特性畸变过程,P,G,Pmin,P,工作流量特性,43,S=0.1,S=0.5,S=1,对数型流量特性畸变过程,P,G,Pmin,P,工作流量特性,44,当控制阀全开，阀两端压差为1,kgf/cm,2,流体重度为1,gf/cm,3,时，每小时流经调节阀的流量值，以,m,3,/h,或,t/h,计。,2.,控制阀的流通能力,流通能力,C,值取决于控制阀的接管截面积,A,和阻力系数,。,阻力系数主要是由阀体的结构所决定。因此，对于相同口径不同结构的控制阀，它们的流通能力也不一样。对同一个控制阀，流体的流动方向不同（实际上即阻力系数变化），也会引起,C,值的不同。生产厂所提供的流通能力,C,为正常流向时的数值。一般在反向使用时，不仅流量特性畸变，而且流通能力也会变化。,45,3.控制阀的流量特性对控制质量的影响,控制阀的特性也和对象一样，一般用放大系数、时间常数,K,V,和滞后时间,V,来表示。它们对控制质量的影响也和对象类似，不过对控制阀来说，特性是可以在设计系统时加以选择的，因而在一定限度内可避免放大系数和滞后的不良影响。,控制器参数,被控变量,Kv,K,0,K,总,=,K,v,K,0,不变,调节阀,被控对象,特性补偿原理示意图,46,3. 控制阀的流量特性对控制质量的影响,控制阀的特性也和对象一样，一般用放大系数、时间常数,K,V,和滞后时间,V,来表示。它们对控制质量的影响也和对象类似，不过对控制阀来说，特性是可以在设计系统时加以选择的，因而在一定限度内可避免放大系数和滞后的不良影响。,特性补偿原理示意图,阀门特性,对象特性,广义对象特性,47,3. 控制阀的流量特性对控制质量的影响,从工艺配管情况考虑在实际使用中，控制阀总是与管道、设备等连接在一起的。如前分析，控制阀在串联管道时的工作流量特性与值的大小有关，即与工艺配管情况有关。因此，在选择其特性时，必须考虑工艺配管情况。具体做法是先根据系统的特点选择所需要的工作流量特性，在按照下表考虑工艺配管情况确定相应的理想流量特性。,工艺配管情况与流量特性,配管情况,S=0.6,1,S=0.3,0.5,阀的工作特性,直线,等百分比,直线,等百分比,阀的理想特性,直线,等百分比,等百分比,等百分比,48,4. 控制阀在使用维护方面的问题说明,经正确选型和安装后的控制阀，在使用过程中出现的问题也不少。如有腐蚀性的介质或汽蚀作用会使阀芯阀座侵蚀变形，特性变坏，这样便会造成系统的不稳定。其它如控制阀杆滞涩，气压信号管路漏气、阀门堵塞、阀芯脱落等现象也是常见的故障。此外，被调介质管路使用日久后管壁结垢，流体阻力增大，从而降在控制阀上的压降太小，而使控制系统失灵，这时只能通过大修时清扫管路才能消除。,49,测量元件和变送器的特性与控制对象一样，也是用,放大系数,K,m,、,时间常数,T,m,和,滞后时间,m,来表示。它们对控制质量的影响也和对象一样。若是它们测量的被控参数不准或不及时，控制系统就会按照一个不正确的信号动作，不但给操作人员造成错觉，误认为工况正常，甚至严重时还会造成事故。,绝大多数变送器的输入与输出信号间成线性关系，其时间常数和滞后时间都很小，只有放大系数,K,m,是可以调节的。,(三) 测量元件、变送器的特性对控制质量的影响,50,测量元件、变送器在使用中的问题说明,测量元件使用日久后损坏失灵，使示值突然达到最大或最小；工作介质中的结晶或粉尘堵塞孔板和引压管，引压管中不是单相介质，如液中带气、气中带液，而未及时排放等等。都能造成测量信号失灵，这些现象都是容易判断和处理的。但有些故障只有在开车后一段时间才表现出来，如测量元件使用一段时间后被粘性物料或结晶物包住，使被测信号滞后或失灵。遇此情况有的可以处理，有的要等到设备检修时才能处理。,51,(四) 控制器的控制规律对质量的影响,本节知识问答：,什么叫控制器的特性（控制规律）？,什么是比例、积分和微分控制规律,?,、Ti,和,Td,的改变对过渡过程有什么影响？,52,t,y,t,y,t,y,t,y,t,y,小于临界值，发散振荡, =,临界值，等幅振荡,太小，振荡加剧，稳定性差,适当,太大，稳定性好，非周期衰减，最大偏差及余差大。,1.,比例度对过渡过程的影响,53,t,y,t,y,t,y,t,y,Ti,太小,振荡加剧，削弱稳定性,Ti,适当,4：110：1衰减,Ti,太大,积分作用不明显，余差消除很慢。,Ti,纯比例作用，产生余差,2. 积分时间对过渡过程的影响,54,3. 微分时间对过渡过程的影响,Td,太大，易引起系统振荡,Td,太小，则微分作用不明显，不但动偏差大，而且波动周期长,Td0,纯比例作用，产生余差,Td,适当，动偏差小，余差也较小，但系统的稳定性较差4：110：1衰减,55,4.各种控制规律比较,56,5从运行曲线看,、,T,I,和,T,D,对控制品质的影响,（1）凡是,过大（或,T,I,过长）都会使过渡过程时间过长，被调变量变化缓慢，不能较快地达到稳定状态。这两者的区别是,过大时，曲线飘动较大变化不规则；,T,I,过长时曲线带有振荡分量并缓慢接近设定值。,t,y,太大,t,y,T,I,太大,57,（2）凡是,过小（,T,I,过小或,T,D,过大）都会引起振荡，其区别是,T,I,过短时振荡周期最长，,太小时振荡周期次之，而,T,D,过大时振荡周期最短。,t,y,太小,t,y,T,I,太小,t,y,T,D,太大,58,t,pv,持续振荡,超调量小,t,pv,无振荡,收敛慢,t,pv,收敛快,超调量大,t,pv,长周期振荡,收敛慢,最佳,PID,大,Ti ,小,小,Ti ,小,大,Ti ,大,小,Ti ,大,比例度,积分时间,Ti,小,大,大,小,59,（3）,PI,控制系统中,与,T,I,的影响：,当,不变时，,T,I,由小改变时对过渡过程的影响,y,f,t,t,=40%,T,I,=,T,I,=16,分,T,I,=5,分,T,I,=1,分,60,当,T,I,不变时，,由大小改变时对过渡过程的影响,y,f,t,t,T,I,=3,分,250,90,15,50,61,（4）,PID,三作用系统中，,和,T,I,不变，,T,D,作用的影响,：,y,f,t,t, = 30,T,I,=3,分,T,D,=0,分,T,D,=1,分,T,D,=3,分,62,五、过渡过程质量的改善,1.控制器参数的整定,要获得一个好的控制质量，首先取决于控制方案本身是否合理，操作人员可以做的只是如何将控制器的参数操作在合适的值，这就要通过控制器的参数整定来解决。所谓控制器参数的整定，就是求取最好的过渡过程中控制器的比例度,、,积分时间 ,i、,微分时间 ,d,的具体数值的工作。,本节知识问答：,控制器参数整定的一般规则有哪些？,工程整定控制器参数的方法有哪几种？,63,2控制器参数整定原则,控制器的参数整定，一般遵循以下原则：,(1) 要具有一定的稳定裕度，以便在对象特性有所改变时，控制器的参数仍能适应。对于定值控制系统常取衰减比,N,为1/4；对于随动系统常取衰减比,N,为1/10。,(2) 在满足稳定裕度的前提下，使其它品质指标尽可能好些。,(3) 选择,、T,I,、T,D,通常遵循如下规则：,64,、,应大于临界值一倍以上,、,T,I,应取振荡周期的（0.51）倍,、取,T,D,=（0.250.5）T,I,2,、,K0,大时，,应大些,、引入积分后，,应比单纯比例时增大10%20%,、引入微分后，,应比单纯比例时减小10%20%,3,、,衰减比,N,振荡倾向,、,T,I,衰减比,N,振荡倾向,、,T,D,衰减比,N （,但太大时，衰减比,N）,1,65,3控制器参数整定的工程整定,（1）临界比例度法,：在纯比例作用下，找出达到等幅振荡的临界比例度,K,及临界周期,T,K,，,然后按“临界比例度法参数整定表”所示内容确定控制参数。,控制规律,控制器参数,%,T,I,T,D,P,2,K,PI,2.2,K,0.85,T,K,PID,1.7,K,0.50,T,K,0.125,T,K,临界比例度法参数整定表,66,（2）衰减曲线,：在纯比例作用下，找出达到规定衰减比,N,下的比例度,S,及周期,T,S,或上升时间,T,R,，然后按“衰减曲线法参数整定表”所示内容确定控制器参数。,控制规律,控制器参数（,N=4：1）,%,T,I,T,D,P,S,PI,1.2,S,0.5,T,S,PID,0.8,S,0.3,T,S,0.1,T,S,衰减曲线法参数整定表,67,控制规律,控制器参数（,N=10：1）,%,T,I,T,D,P,S,PI,1.2,S,2,T,R,PID,0.8,S,1.2,T,R,0.4,T,R,衰减曲线法参数整定表,68,（3）经验法,：经验法即根据,、,T,I,和,T,D,对过渡过程的定性关系进行凑试，从控制品质曲线逐步找到最佳整定参数，各种控制系统控制器参数的大致范围见“经验法参数整定表”。,经验线法参数整定表,被控变量,特点, %,T,I,T,D,流量,对象时间常数小，,应较大，,T,I,较小，一般不用微分。,40100,0.11,温度,对象容量多，过渡滞后大，需用微分。,2060,310,0.58,压力,对象过渡滞后一般不大，不大用微分。,3070,0.43,液位,在容许有余差时，不必用积分，一般不用微分。,2080,69,第二节 简单控制系统,本节主要知识点：,简单自动控制系统的组成及特点,简单控制系统的投运及故障分析,本节知识问答：,什么叫简单控制系统,?其特点是什么？,流量、温度、压力、液位控制系统有何特点？,70,一、简单控制系统的组成和特点,1. 组成,凡是用,一个,测量元件或变送器、,一个,控制器和,一个,控制阀，对,一个,被控变量进行控制的系统，都叫做简单控制系统,。,控制器,调节阀,被控对象,变送器,x,z,e,p,q,y,f,1,f,n,简单控制系统方块图,71,2. 特点,只有一个被控变量,y,和一个设定值,x，,亦即是单参数的定值控制系统。,控制系统采用的控制器是连续作用的。为适应不同对象的需要，控制器本身的参数（比例度,、,积分时间,Ti,和微分时间,Td）,均可以根据需要而改变。,控制系统是按偏差原理进行的，只有当设定值,x,与被控变量经变送器变换成测量值,z，,并出现偏差,e,时，控制器才有输出,p，,作用在调节阀上，系统才开始产生新的控制作用,q，,克服扰动,f,1,，f,2,对被控对象的影响。,72,二、 简单控制系统的投运工作步骤如下,：,1. 准备工作。投运前必须熟悉工艺过程、了解对象特性、弄通控制方案及各个环节的具体情况。例如，测量元件和调节阀规格、安装情况及走向，对象特性曲线试验等等。,2. 检查管线、电线线路。,导线、导管是自动控制系统的信号通道，为保证信息的正确传递，必须作好以下几项工作：, 气源和导压管线的查错、查漏、查堵。, 电源和信号线的查错（包括标号、极性和外接电阻等）；查短路和绝缘电阻；查端子接触情况。,73,3. 检查仪表及执行机构。,投运前仪表及执行机构的现场检查，一般采用系统校验。即在调节阀的切断阀关死的情况下，进行控制系统的闭环试投，详细观察各个环节是否合乎要求（如测量仪表示值、量程、精度；,控制器正、反作用,、控制点偏差、,PID,参数；调节阀正反向行程变差等等）。如发现某环节有不符合技术要求的，抽出单独检查校验。在系统校验中，测量信号根据需要采用各种信号源。,4. 测量仪表的投运及控制器的手动遥控。控制系统闭环试投后，可将测量仪表投入运行，用控制阀的旁通阀手动控制使工艺稳定，被控变量稳定在设定值。然后进行旁通阀控制阀的手动遥控切换。,74,三、控制系统中常见问题及处理方法,自动控制系统投运后，经过长期运行，还会出现各种问题。在实际操作中，应具体问题具体分析，下面从控制方面举几种情况作为分析问题的启发。,.被控对象特性变化；,.测量系统的问题；,.控制阀使用中的问题；,.控制器故障；,.工艺操作的问题。,75,本节主要内容：,串级控制系统的任务及基本组成,均匀控制系统的思想,比值控制系统的方案,多冲量控制系统的方案,本节知识问答：,1.,什么是串级控制系统？,串级控制系统的特点是什么？,2. 均匀控制系统的特点是什么？有那些方案？,3.,比值控制系统有哪几种方案？分别适用于什么场合？,第三节 复杂控制系统介绍,76,一、 串级控制系统,例：把加热炉出口温度作 为 炉膛 温 度 控 制 器 的炉膛温度控制设定值，与炉膛 温 度 比 较 后 的 偏 差， 作 为 炉膛温度控制器的输入。炉膛温度控制器据此发出控制信号，去操作比例阀门，改变控制变量（燃料流量），以控制出口介质温度的稳定。,77,1. 组成,用两个控制器串联，控制一个被调变量的控制系统，叫做串级控制系统。其组成如下图所示。整个系统包括主、副两个调节回路。主调节回路的输出作为副控制器的给定，副控制器的输出送往调节阀。,主控制器,副控制器,调节阀,对象1,对象2,变送器1,变送器2,扰动2,扰动1,设定值,串级控制系统方框图,78,2. 特点,从总体上扯看，串级控制系统仍然是定值控制系统，但比单回路控制增加了一个随动的副回路，因而具有如下几个特点：,(1) 可迅速地克服进入副回路的扰动。由于副回路的快速作用，对于进入副回路的扰动具有很强的克服能力，对主参数来说起到了粗调作用。副控制器的放大倍数越高（比例度越小），克服扰动的能力就越强，串级控制的优越性就越显著。,(2) 提高了控制系统的工作频率。由于副回路的存在，减小了对象的滞后，因此，主控制器的放大倍数可以比同等条件下的单回路系统整定得更大一些（即主控制器的比例度可以小一些），所以系统的工作频率将会有所提高。,79,(3) 可兼顾两个变量。由于副回路的存在，可以有意将主控制器的比例度选得宽些，于是它的输出变化小，该输出又是副控制器的给定，故副变量的变化也将比较平稳，这就兼顾了主、副两个变量都维持在一定范围，以满足某种工艺的要求，这就是后面要谈的均匀控制。,(4) 可消除调节阀等非线性的影响。由于调节阀和一部分对象被包括在副回路之内，而副回路本身又是接近于1：1的比例环节，所以它们的非线性都将被副回路所克服。,(5) 具有一定的自适应能力。串级控制，就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路却是一个随动控制系统，主控制器根据工艺及负荷要求，不断纠正副控制器的设定值，从这个意义来看，它具有一事实上的自适应能力。,80,3. 应用,串级控制系统，使用中应注意的几个问题：,(1) 主、副变量的选择,主变量应选择最能反应生产过程质量、最能反映调节要求（准确、快速）而且便于测量的变量。这个问题和单回路系统一样，只是因为有了副回路、主变量可以反应慢一些。,副变量的选择则是串级控制特有的问题。主要应考虑以下三点：,工艺上的合理性。从方框图看，操作变量,Q,先影响,Y2，,再由,Y2,去影响,Y1。,因此，副变量的选择必须具有这样的串联对应关系。如果,Q,对,Y2,和,Y1,是并联关系，显然是行不通的。,81,使主要扰动包括在副回路之内。因为迅速克服进入副回路的扰动，是串级控制的最大优点。,要使对象能适当地分割，在滞后和时间常数上要适当匹配。一般,T,主,/,T,副,=310，若副回路时间常数太小，即,T,主,/,T,副,10。不仅使副回路包含的扰动因素太少，副回路克服扰动能力太低，同时还会使系统的稳定性受到破坏。,若副回路时间常数大，与主回路接近，即,T,主,/,T,副,3。这样虽然使副回路包含的扰动因素多了，但由于副回路滞后加大，时间常数增加，反应不灵敏，因而失去了串级控制的越性。更应指出的是，主、副对象时间常数接近，动态联系十分密切，易形成主、副回路的共振效应，其危害十分严重。,82,(2) 主、副控制器正、反作用的选择,应先选择副控制器的正、反作用。副控制器正、反作用要根据阀门的气开、气关情况来选择。,主控制器是通过副回路起作用的，所以其正、反作用应按副回路的正确作用来选择，而与调节阀情况无关。,(3) 主、副控制规律的选择,由于主控制器是定值控制，要达到最终质量标准，主变量要求无余差，所以通常使用,P、I、D,控制规律。,副控制器是随动控制，允许在一定范围内变动，要求调节快，所以用比例控制规律就行了。,83,4、投运,串级控制系统的投运和简单控制系统一样，要求投运过程保证做到无扰动切换。其投运方法有两种：先副后主和先主后副。一般多采用前者，由于采用的仪表不同，投运的具体方法也不同，但大致方法是一样的。, 先把各开关或旋钮置于正确位置 （正反作用的确定与简单控制系统一样）。主、副控制器均置于 “手动”，主控制器 “内外”设定开关置于 “内”，副 控制器则置于 “外”。控制可置于预定位置。, 用副控制器的手操旋钮或手轮手动遥控，在主变量接近设定值，副变量也较平稳时，用手操控制器的输出，来控制副控制器的外设定值，使其等于副变量的值。当偏差为零时，即可把副控制器的切换开关切向 “自动”，完成副控制器的手动向自动的无扰动切换。, 当副回路稳定，副变量等于它的设定值，控制主控制器的内设定旋钮或手轮，当手操作的值与主变量相等时，也就是表上的设定值与测量值相等时，即可将主控制器切向 “自动”。至此，完成了串级控制。串级控制是为更好地保证主变量的控制质量而设计的。快而有力的副回路是 “粗调”，作为主导的主回路是进行最后的 “细调”，两者结合就产生了很好的控制效果。这就是最常用和最重要的复杂控制系统串级控制系统的投运操作。,84,二、均匀控制系统,. 均匀控制系统的概念,“均匀”的含义是指系统的功能而不是指系统的结构。,如图所示，是连续精馏的多塔分离过程。甲塔的出料为乙塔的进料。甲塔的液位上升，则液位控制就要开大出料阀门 ，这将引起乙塔进料的增大，于是乙塔的流量控制系统又要关小阀门 。可见，两塔的供求关系是矛盾的。,85,为了使生 产 能 正 常 进 行，就 必 须 解 决 它 们 物,料 的 供 求 矛盾，,操作上要前后兼顾，使液位和流量均,匀变化，为此组成的系统叫均匀控制系统。,在具体实施时，,要根据工艺生产的实际需要，哪一个参数要求高就多照顾,一些，而不存在绝对平均的意思。,均匀控制是指一种控制目的。从其控制质量要求来看，有如下特点。, 两个参数在控制过程中都应当是变化的，不是恒定的。, 两个参数在控制过程中的变化应当是缓慢的。, 两个参数的变化应在各自允许的范围之内。所以，均匀控制与一般的定值控制不同，不能用对定值控制的要求来衡量它,86,. 均匀控制系统方案,（）单回路均匀控制系统,（2）串级均匀控制系统,87,三、比值控制系统,1. 比值控制系统的概念,凡使两个以上参数保持规定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。通常是指流量之间的比值控制，被控对象就是两个流量管道。一般以生产中主要物料的流量为主动信号，以另一物料的流量为从动信号；或者以不可控物料流量为主动信号，以可控物料流量为从动信号。,88,. 比值控制系统方案,（）开环比值控制,这种方案的优点是结构简单，只用一台比例作用控制器就可以实现。但 ,无抗扰动能力，因此，只适用于 ,很稳定的场合。,89,（）单闭环比值控制系统,这种方案实施方便，两物料量的比值较为精确，但主动流量不可 控，使 总 物料量不 固定，对某些直接参与化学反应的过程含有不利的影响。,90,丁烯洗涤塔的单闭环比值控制。该装置的任务是用水洗去丁烯馏分中的乙腈，为保证质量并节约用水，设置了比值控制。含有微量乙腈的丁烯馏分流量为生产负荷，是主动流量，洗涤用水是从动流量。它上面设闭环控制，所以水量控制平稳，又随丁烯馏分的变化而变化，保持比值关系。,例：,91,（）变比值控制系统,变比值控制系统又叫串级比值控制系统，一般比值控制为副回路，而比值由另一个控制器来设定，所以形成串级的形式。如图所示，比值的变化由温度控制器依据催化剂温度的变化而向副控制器输出设定值，使原来的比值随新的要 求 变 化。 这 种 变 比 值 控 制 系 统 精 度 较 高， 应 用广泛。,92,四、多冲量控制系统,多冲量是多参数的意思。这只是一种习惯叫法，不是物理学中定义的 “冲量”。为了说明多冲量控制的概念及特点，下面分析蒸汽锅炉汽包水位的控制系统。,1.单冲量控制系统,一旦负荷急剧变化，虚假液体出现，控制器就会误以为液位升高而关小供水阀门，结果，使急需供水的汽包反而减少供水，影响了生产甚至造成危险。,93,2.双冲量控制系统。,当负荷突然变化时，蒸汽的流量信号通过加液器，使它的作用与水位信号作用相反，假水位出现时，液位信号 要关小给水阀，而蒸汽信号要开大水阀，从而克服了 “虚假液位”的影响。,94,3. 三冲量控制系统,在双冲量控制系统的基础上再增加一个冷水流量的冲量，使它与液位信号作用一致，这样形成了三冲量控制系统，就比较完善了。,95,第四节 典型控制系统方案介绍,本节主要内容：,流体传输设备的控制,传热设备的控制,精馏设备的控制,反应器的控制,本节知识问答：,1. 熟悉工艺流程图中常用的图形及符号。,2.各种控制方案的异同？,3.各种控制方案的优缺点？,96,工艺控制流程图中各种图形和文字符号的说明,各种检测点通用表示法,热电偶,热电阻,节流装置,取压点,测温点,检测点,补充,97,安装形式,就地安装,机组盘与就地集中安装,控制室安装,变送器,流程中的仪表管线,补充,98,气动薄膜,执行机构,电 磁,执行机构,电 动,执行机构,气动活塞,执行机构,执行机构,直通阀,三通阀,角 阀,蝶 阀,阀,补充,99,工艺控制流程图中各种图形和文字符号的说明,字母,第一位字母,后继字母,被测变量,修饰词,功能,A,分析、喷嘴火焰,报警,B,C,电导率,控制（调节）,D,差,E,F,流量,G,H,手动,I,电流,指示,补充,100,字母,第一位字母,后继字母,被测变量,修饰词,功能,J,K,L,物位,指示灯,M,N,O,P,压力或真空,试验点,Q,R,放射性,记录或打印,补充,101,字母,第一位字母,后继字母,被测变量,修饰词,功能,S,T,温度,传送,U,V,阀,W,X,Y,Z,补充,102,1、泵的控制方案,离心泵的流量控制的目的是要将泵的排除流量，恒定在某一给定的数值上。控制方案大体有三种。,FC,L,方案一、控制泵的出口阀的开度,一、流体传输设备的控制,这种方案简单，使用广泛，但通过改变管路阻力，让泵供给的部分压头消耗在阀门上，故能量消耗大，效率低，不经济。,103,方案二、控制泵的出口旁路,FC,这种方案简单，但由于阀门前后压差较大，不易采用直通单座阀。另外，对于旁路那部分液体来说，由泵所供的能量完全消耗在控制阀上，因此总的效率较低。,104,方案三、控制泵的转速,FC,这种方案不必在液体输送管路上装设控制阀，不存在阀门阻力损耗，效率较高，但这种调速装置比较复杂，因此可在功率较大的情况下使用。,105,2、压缩机的控制方案,FC,方案一、控制压缩机旁路,压缩机,蒸汽,106,FC,方案二、控制压缩机的转速,蒸汽,压缩机,107,TC,列管式热交换器温度控制系统,蒸汽,冷凝液,被加热介质,至下工序,温度被控对象的特点是：,滞后较大，时间常数也很大。温度变化慢。,二、温度控制对象的特点,108,1. 蒸汽换热器常用的温度控制方案（一）,TC,列管式热交换器温度控制系统,蒸汽,冷凝液,被加热介质,至下工序,方案一：,在加热器出口，通过温度变送器,TT,将测量参数送到温度控制器,TC，,由,TC,送出调节信号控制蒸汽流量的大小，使得物料出口温度达到工艺指标。,109,2. 蒸汽换热器常用的温度控制方案（二）,TC,列管式热交换器温度控制系统,蒸汽,冷凝液,被加热介质,至下工序,方案二：是蒸汽一定，用三通阀将物料分开，只将一部分通过加热器，然后冷热物混合，温度变送器,TT,将测得混合后的物料温度送至控制器,TC，,由,TC,来控制三通阀冷热物料的分流，这样可把一部分流体的传热过程转换为混合过程，使原来对象的滞后时间,减小，从而改善控制质量。,110,3. 加热炉的出口温度控制控制方案,加热炉出口温度的单回路控制,蒸汽,被加热介质,燃料油,FC,TC,111,底部产品,顶部产品,冷却剂,回流罐,精馏塔,加热剂,精馏塔的物料流程,回流,进料,再沸器,冷凝器,三、精馏塔的控制方案,精馏过程是把混合物分离使其达到规定纯度的传质过程。精馏塔是精馏过程的 关 键 设备。在精馏的操作中，被控变量多，可选用的操纵变量也多，被控对象的通道多，内在机理复杂，变量又互相关联，而要求一般又较高。,112,冷却剂,回流罐,精馏塔,方案一 精馏段温控的控制,再沸器,冷凝器,TC,LC,LC,FC,FC,PC,采用此方案时，再沸器的回流量应维持一定，而且足够大，以使塔底产品在最大负荷仍能保持良好的质量。在操作时，必须注意对调节器参数的整定，应使回流量 平稳为好，它可防止局部塔板发生液泛或降低效率。一般认为，控制器只需加比例积分控制规律，不必加微分作用，在参数整定时也要防止出现振荡。,113,冷却剂,回流罐,精馏塔,方案二 提馏段温控的控制,再沸器,冷凝器,TC,LC,LC,FC,FC,PC,这种方案主要用于以塔底为主要产品，对塔釜的成分要求比馏出液高时。此外，对塔顶和塔底产品质量要求相近，在液相进料时，也往往采用此方案。因为液相进料流量 的变化先影响到釜液成分，故用提馏段控制较及时，同时用蒸汽量作为操纵变量比用回流量控制迅速。,F,114,四、反应器的自动控制方案,. 改变进料浓度的控制方案,以氧化炉温度为被控变量，温度控制作为主环，氨和空气的比值控制系统为副环，构成串级控制系统。控制阀装在氨管道上，可使总气体流量稳定。而且当空气中断时，可把氨气切断，保证安全。,115,2. 改变进料温度的控制方案,以反应釜温度为被控变量，以加热剂为控制手段。用改变进料温度的方法使反应器温度稳定。,116,3. 分程控制方案,117,. 分段控制方案,丙烯腈生产中丙烯进行氨氧化的沸腾床反应器，为使反应器中的温度分布能够接近最适宜情况，可用四个独立的简单控制系统分段控制。,118,. 串级控制方案,如果冷却水压力波动不大，则可以夹套水温为副环构成温度-温度串级控制方案，,如果冷却水压力经常波动为主要扰动，以反应釜温度为主环，冷却水流量为副环构成温度-流量串级控制方案。,119,
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