单回路控制系统原理

1 单回路控制系统原理 一 过程控制的特点 与其它自动控制系统相比 过程控制的主要特点是 1 系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成 一个简单的过程控制系统是 由控制对象和过程检测控制仪表 包括测量元件 变送器 调节器和调节阀 两部 分组成 如图 1 液位控制系统 Q1 Q2 f t x t e t p t q t y t z t KC 调节器的静态放大系数 KV 调节阀的静态放大系数 K0 被控对象的静态放大系数 Km 变送器的静态放大系数 2 被控对象的设备是已知的 对象的型式很多 它们的动态特性是未知的或者是 不十分清楚的 但一般具有惯性大 滞后大 而且多数具有非线性特性 3 控制方案的多样性 有单变量控制系统 多变量控制系统 有线性系统 有非 线性系统 有模拟量控制系统 有数字量控制系统 等等 这是其它自动控制系 统所不能比拟的 4 控制过程属慢过程 多半属参量控制 即需对表征生产过程的温度 流量 压 力 液位 成分 PH 等进行控制 5 在过程控制系统中 其给定值是恒定的 定值控制 或是已知时间的函数 程 序控制 控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响 工业生产要实现生产过程自动化 首先必须熟悉生产过程 掌握对象特点 同 时要熟悉过程参数的主要测量方法 了解仪表性能 特点 根据生产工艺要求和反 馈控制理论的分析方法 合理正确地构建过程控制系统 并且通过改变调节仪表的 H 调节器 KC 调节阀 KV 被控对 象 K0 测量变送 Km 2 PID 特性参数 使系统运行在最佳状态 过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统 的结构所决定的 二 单回路控制系统原理 如图 1 所示单回路控制系统由对象 测量变送器 调节器 调节阀等环节组成 由于系统结构简单 投资少 易于调整 投运 又能满足一般生产过程的控制要求 所以应用十分广泛 单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计 控制方案的设计 和调节器整定参数值的确定 是系统设计中的两个重要内容 如果控制方案设计不 正确 仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的 反之 如果控制方 案设计很好 但是调节器参数整定不合适 也不能使系统运行在最佳状态 1 选择被控参数 对于一个生产过程来说 影响正常操作的因素是很多的 但是 并非对所有影 响因素都需要加以控制 选择被控参数的一般原则为 1 选择对产品的产量和质量 安全生产 经济运行和环境保护等具有决定性 作用的 可直接测量的工艺参数为被控参数 2 当不能用直接参数 如测量滞后过大 作为被控参数时 应选择一个与直 接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数 3 被控参数必须具有足够大的灵敏度 4 被控参数的选取 必须考虑工艺过程的合理性和所采用仪表的性能 2 选择控制参数 若生产工艺有几种控制参数可供选择 一般希望控制通道克服扰动的校正能力 要强 动态响应应比扰动通道快 控制通道 是指调节作用与被控参数之间的信号联系 即 P t 到 y t 扰动通道 是指扰动作用与被控参数之间的信号联系 即 f t 到 y t 扰动作用是由扰动通道对对象的被控参数产生影响的 使被控参数偏离给定值 引入控制作用的目的是为了克服扰动作用的影响 使被控参数恢复和保持在给定值 上 而控制作用是由控制通道对对象的被控参数施加影响 抵消扰动作用 选择控制参数的一般原则为 1 选择控制通道的静态放大系数 K0 要适当大一些 时间常数 T0 应适当小一 些 纯滞后时间 0 则越小越好 2 选择扰动通道的静态放大系数 Kf 应尽可能小 时间常数 Tf 应大些 扰动 引入系统的位置离被控参数越远 即越靠近调节阀 控制质量越好 3 当控制通道由几个一阶惯性环节组成时 为了提高系统的性能 应尽量拉 开各个时间常数 4 应注意工艺上的合理性 3 系统中的测量及信号传递问题 在过程控制系统中 测量变送环节起着信息获取和传送作用 在具体分析测量 变送环节对控制质量的影响时 经常碰到测量 变送和信息传送中的滞后问题 因 为它会引起控制指标的下降 系统失调 甚至产生事故 测量变送中的滞后包括测 量滞后 纯滞后和信息传送滞后等 这些滞后均与测量元件本身的特性 元件安装 位置的选择和信息传送的方法有关 A 测量滞后 3 测量滞后是测量元件本身的特性所引起的动态误差 例如用热电偶或热电阻测 量温度时 由于其保护套管存在着热阻和热容 因而具有一定的时间常数 测温元 件的输出信号总是滞后于被控参数的变化 引起被控参数的测量值与真实值之间产 生动态误差 从而造成控制质量下降 为了克服测量滞后的不良影响 在系统可以采用以下措施 1 合理选择快速测量元件 2 正确使用微分环节 B 纯滞后 纯滞后往往是由测量元件的安装位置不当而引入的 在生产过程中 温度测量 和成分分析最容易引入纯滞后 微分作用对于纯滞后是无能为力的 为了克服纯滞后的影响 只有合理选择测 量元件的安装位置 尽量减小纯滞后 当过程参数测量引起的纯滞后较大时 单回 路控制系统很难满足生产工艺要求 应考虑其它控制方案 C 信息传送滞后 测量信息传送滞后 主要是指气动单元组合仪表的输出信号在管路中传送所造 成的滞后 为了克服信号传送滞后 可采用以下措施 1 用气 电和电 气转换器 将气压信号转换为电信号再传送 2 在气压信号管路上设置气动继动器或气动阀门定位器 以增大输出功率 减少传送滞后 4 控制规律的选择 调节器的控制规律有比例 P 积分 I 微分 D 这三种基本规律及其各 种组合 比例调节 P 依据偏差的大小来动作 其输出与输入偏差的大小成正比 比例调节及时 有力 但有余差 积分调节 Ti 依据偏差是否存在来动作 它的输出与偏差对时间的积分成 比例 只有当余差消失时 积分作用才会停止 积分的作用是消除余差 但积分作 用使最大动偏差增大 延长了调节时间 积分时间越小表明积分作用越强 积分作 用太强时会引起震荡 积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用 构成 PI 或 PID 控制 积分控制能消除系统的稳态误差 提高控制系统的控制精度 但积分控 制通常使系统的稳定性下降 Ti 太小系统将不稳定 Ti 偏小 震荡次数较多 Ti 太大对系统性能的影响减少 微分调节 T d 依据偏差变化速度来动作 它的输出与输入偏差变化的速度 成比例 其作用是阻止被调参数的一切变化 有超前调节的作用 对滞后大的对象 有很好的效果 它可以克服调节对象的惯性滞后 容量滞后 但不能克服调节对象 的纯滞后 常用控制系统 温度控制系统 时间常数一般较大 为几分钟到几十分钟 温度控制系统的纯 滞后一般也较大 为了改善温度控制系统的品质 测量元件应选用时间常数小的元 件 并尽可能的安装在测量纯滞后小的地方 调节器一般选用 PID 调节器 适当 引入微分作用 可以加快调节作用 改善因系统时间常数较大对控制系统造成的影 响 压力控制系统 气体压力对象基本上是单容的 时间常数与系统容积成正比 一般为几秒钟到几分钟 调节器常选用 PI 调节器 积分时间一般为几十秒到几分 钟 液体压力对象具有不可压缩性 时间常数很小 通常为几秒钟 同时对象的纯 4 滞后时间很小 调节过程中被控变量的振荡周期很短 调节器常选用 PI 调节器 流量控制系统 流量对象时间常数很小 一般为几秒 对象的纯滞后时间也很 小 调节过程中被控变量的振荡周期也很短 调节器常选用 PI 调节器 液位控制系统 一个设备或储罐的液位 代表了其流入量和流出量差的累积 调节器常选用 P 或 PI 调节器 调节器的参数整定 调节器参数的工程整定方法有响应曲线法 临界比例度法 衰减曲线法和现场 经验法 在现场我们使用的是现场经验法来进行调节器的参数整定 对于由比例调节器构成的过程控制系统 其整定参数只有一个比例度 此 时只需将比例度 由大逐渐调小 观察系统过渡过程曲线 直到认为其曲线达到 最佳为止 对于由比例积分调节器构成的过程控制系统 其整定参数有比例度 和积分 时间 Ti 此时 首先将 Ti 按纯比例作用整定调节器的比例度 使其得到较 好的过渡过程曲线 然后 把比例度放大约 1 2 倍 再引入积分作用并将积分时间 从大到小进行调整 使其得到较好的过渡过程曲线 最后 在这个积分时间下 再 改变比例度 观察其曲线变化情况 如曲线变化 就按此方向再整定比例度 如曲 线无变化 可将比例度再减小一点 改变积分时间 观察曲线是否变化 这样反复 多次 直到认为其曲线达到最佳为止 对于由比例积分微分调节器构成的过程控制系统 先使微分时间 Td 0 再按 上述比例积分调节器的整定方法 得到较满意的过渡过程曲线 然后引入微分作用 使微分时间由小到大进行调整 逐步凑试 直到得到最佳整定参数值 5 调节阀特性的选择 调节阀是过程控制系统中的一个重要组成环节 调节阀的选择主要是流量特性 的选择 流通能力的选择 结构形式的选择和开关形式的选择 应根据对象特性 负荷变化情况和生产工艺的要求出发 来确定所需要的调节阀 主要介绍气动调节阀 正确选用气动调节阀应考虑工艺操作条件 温度 压力 流量 介质特性等 和过程控制系统的质量要求 调节阀对通过的流体流量的控制是基于改变阀芯与阀座之间的流通截面大小 即改变其阻力大小来达到的 所以 从流体力学的观点来看 调节阀是一个局部阻 力可以变化的节流元件 A 调节阀的尺寸选择 调节阀的尺寸通常用公称直径 D 和阀座直径 d 来表示 D 和 d 是根据计算出 来的流通能力 C 来选择 流通能力 C 表示调节阀的容量 其定义为 调节阀全开 阀前 阀后压差为 0 1MPa 流体重度为 1g cm3 时 每小时通过阀门的流体流量 m3 数 C Q r p 1 p2 式中 r 流体重度 Q 流体的体积流量 p1 p2 调节阀前后压差 根据调节所需的物料量 Qmax Qmin 流体重度 r 及调节阀上的压降 p1 p2 可以求 5 得最大流量 最小流量时的 Cmax 和 Cmin 值 根据 Cmax 在所选用产品型式的 标准系列中 选取大于 Cmax 值 并最接近一级的 C 值 B 气开 气关的选择 气动调节阀分气开 气关两种 有控制气压信号 即有输出信号 时阀开 无 控制气压信号时阀关叫气开式 有控制气压信号 即有输出信号 时阀关 无控制 气压信号时阀开叫气关式 在具体选用调节阀气开 气关形式时 应考虑以下情况 1 考虑事故状态时人身和工艺设备的安全 2 在事故状态下减少生产原料或动力的消耗浪费 以及保证产品质量 3 考虑介质的性质 防止物料结晶 凝固和堵塞 C 调节阀流量特性的选择 调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系 从过程控制的角度来看 调节阀最重要的特性是它的流量特性 因为调节阀的特性 对整个过程控制系统的品质有很大的影响 不少控制系统工作不正常 往往是由于 调节阀的特性选择不合适 或者是阀芯在使用中受腐蚀 磨损使特性变坏引起的 调节阀的理想流量特性 就是在调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性 它取决于阀芯的形状 阀芯的形状有快开 直线 抛物线和等百分比四种 而在生 产过程中 经常用的有直线 等百分比和快开三种 抛物线流量特性一般可用等百 分比特性来代替 快开特性常用于程序控制及二位式控制中 因此调节阀流量特性 的选择实际是直线与等百分比流量特性的选择 调节阀流量特性的选择的原则 1 当对象的放大系数为线性时 应选择直线流量特性调节阀 否则就选择等 百分比流量特性调节阀 2 在负荷变化较大的场合 选择等百分比流量特性调节阀为宜 这是因为等 百分比流量特性调节阀的放大系数是随阀芯位移的变化而变化的 其流量变化率恒 定 所以 能适应负荷的变化情况 3 当调节阀经常工作在小开度时 宜选择等百分比流量特性调节阀 这是因 为直线流量特性调节阀在小开度情况下 流量变化率很大 不宜进行微调 D 调节阀的结构形式和材料的选择 调节阀的结构形式和材料可根据不同的工艺操作条件和使用要求 如温度 压 力 介质的物理 化学特性 来选用 常见几种调节阀的结构形式和特点 1 直通单座调节阀 阀体内只有一个阀芯和一个阀座 特点是泄露量小 不平 衡力大 适用于对泄露量严格要求 压差较小的场合 2 直通双座调节阀 阀体有二个阀芯和阀座 它与同口径的单座调节阀相比 流通能力约大 20 25 其优点是允许压差大 缺点是泄露量大 适用于阀两端压 差较大 泄露量要求不高的场合 不适用于高粘度和含纤维的场合 3 套桶型调节阀 又叫笼式阀 阀内有一个圆柱形套筒 根据流通能力的大 小 套筒的窗口可分为四个 二个或一个 利用套筒导向 阀芯可在套筒中上 下 移动 由于这种移动改变了节流孔的面积 从而实现流量调节 优点是具有不平衡 力小 稳定性好 噪声低 互换性和通用性强 拆装 维修方便等特点 得到广泛 的应用 缺点是不适用于高温 高粘度 含颗粒和结晶的介质控制 4 偏心旋转调节阀 球面阀芯的中心线与转轴中心偏移 转轴带动阀芯偏心旋 转 使阀芯向前下方进入阀座 其优点是具有体积小 重量轻 使用可靠 维修方 6 便 通用性强 流体阻力小等优点 适用于粘度较大的场合 具有较好的使用性能 5 角形阀 阀体为直角形 其流路简单 阻力小 适用于高压差 高粘度 含 悬浮物和颗粒状物料流量的控制 一般使用于底进侧出 此时调节阀稳定性好 但 在高压场合下 为了延长阀芯使用寿命 可采用侧进底出 但这时使用在小开度时 容易发生震荡 6 调节器正 反作用方式的选择 调节器正 反作用方式的选择同被控对象的特性以及调节阀的气开 气关形式 有关 被控对象的特性按其作用方向也分为正 反两种 当调节介质增加 或减少 时 被控参数亦增加 或减少 此时称被控对象为正作用 反之 称被控对象为 反作用 调节阀按其作用方向也有气开 气关两种类型 一个过程控制系统要能正常工作 则组成该系统的各个环节的极性 用静态放 大系数表示 相乘必须为一个正号 由于变送器的静态放大系数 Km 通常为正极性 故只需将调节器 KC 调节阀 KV 和调节对象 K0 的静态放大系数相乘为正号即可 各环节极性的规定 正作用调节器 其静态放大系数 KC 取负 反作用调节器 其静态放大系数 KC 取正 气开式调节阀 其静态放大系数 KV 取正 气关式调节阀 其静态放大系数 KV 取负 正作用被控对象 其静态放大系数 K0 取正 反作用被控对象 其静态放大系 数 K0 取负 选择调节器正 反作用的次序为 先根据生产工艺安全原则确定调节阀的开 关形式 然后按照被控对象的特性 决定其正 反作用 最后按组成该系统的三个 环节的静态放大系数相乘必须为一个正号的原则 决定调节器正 反作用 例 有一个水箱 其流入量为 Q1 流出量为 Q2 在生产过程中 工艺要求其 液位稳定在某一数值物料不能溢出水箱 试决定调节阀的气开 气关形式和调节器 的正 反作用 如图一 1 确定调节阀的气开 气关形式 根据工艺要求其液位稳定在某一数值物料不 能溢出水箱的要求 当供气中断 无控制信号 时 要求调节阀全关 这样可以避 免液体介质损失 故调节阀为气开式 即 KV 取正 2 确定被控对象的正 反作用 当调节介质 Q1 增大时 其被控参数 H 也增大 故被控对象为正作用 即 K0 取正 3 确定调节器的正 反作用 为保证 KV K0KC 的乘积为正号 则 KC 应为正 即 调节器选反作用