1、 第十二章第十二章 简单控制系统简单控制系统 内容提要内容提要n概述概述n被控变量的选择被控变量的选择n操纵变量的选择操纵变量的选择n控制器控制规律的选择及参数整定控制器控制规律的选择及参数整定n控制规律的选择控制规律的选择n控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定1内容提要内容提要n控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题n控制系统的投运控制系统的投运n控制系统操作中的常见问题控制系统操作中的常见问题2第一节第一节 概述概述3 通常是指由一个测量元件、变送器、一个通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。控制器、一个控制阀
2、和一个对象所构成的单闭环控制系统。图12-1 液位控制系统图12-2 温度控制系统字母字母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能A AC CD DE EF FI IK KL LM MP PQ QR RS ST TV VW WY YZ Z分析分析电导率电导率密度密度电压电压流量流量电流电流时间或时间程序时间或时间程序物位物位水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置位置差差比（分数）比（分数）积分、累积积分、累积安全安全报警报警控制（调节）控制（调节）检测元件检测元件指示指示自
3、动自动-手动操作器手动操作器积分、累积积分、累积记录或打印记录或打印开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继动器或计算器继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构驱动、执行或未分类的终端执行机构表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号4第一节第一节 概述概述5图12-3简单控制系统的方块图 简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。第二节第二节 被控变量的选择被控变量的选择6 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工
4、操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。第二节第二节 被控变量的选择被控变量的选择直接指标控制；直接指标控制；间接指标控制。间接指标控制。7第二节第二节 被控变量的选择被控变量的选择8图12-4精馏过程示意图1精馏塔；2蒸汽加热器图12-5 苯-甲苯溶液的T-x图图12-6 苯-甲苯溶液的p-x图举例举例第二节第二节 被控变量的选择被控变量的选择 在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够
5、的灵敏度。9第二节第二节 被控变量的选择被控变量的选择10 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，一般是工艺过程中较重要的变量。被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，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。第二节第二节 被控变量的选择被控变量的选择 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。被控变量应是独立可控的。11第三节第三节 操纵变量的选择操纵变量的选择12 在自动控制
6、系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为。最常见的操纵变量是介质的流量。操作变量操作变量系统的干扰系统的干扰通过工艺分析通过工艺分析确定确定第三节第三节 操纵变量的选择操纵变量的选择13图12-7精馏塔流程图如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。第三节第三节 操纵变量的选择操纵变量的选择进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。14图12-8影响提馏段温度各种因素示意图第三节第三节 操纵变量的选择操纵变量的选择15图12-9 干扰通道与控制通道示
7、意图由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。第三节第三节 操纵变量的选择操纵变量的选择16 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。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。第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定n 一、控制规律的选择一、控制规律的选择n目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律:比比例控制规律例控制规律P P、比例积分控制规律、比例积
8、分控制规律PIPI和比例积分微和比例积分微分控制规律分控制规律PIDPID。17第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定特点特点适用于适用于比例控比例控制器制器控制器的输出与偏差成比例,阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时,比例控制器克服干扰能力强,过渡过程时间短。纯比例控制器在过渡过程终了时存在余差。调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。比例积比例积分控制分控制器器积分作用使控制器输出与偏差的积分成比例,过渡过程结束时无余差。但使稳定性降低。调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。比例积比例积分微分分微分
9、控制器控制器微分作用使控制器的输出与偏差变化速度成比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性,再加上积分作用可以消除余差。容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统 18第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定1.1.临界比例度法临界比例度法19n 二、控制器参数的工程整定二、控制器参数的工程整定 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TI和微分时间TD。理论计算的方法和工程整定法。先通过试验得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。第四
10、节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定20图12-10 临界振荡过程控制作用控制作用比例度比例度/%/%积分时间积分时间TI/min微分时间微分时间TD/min比例比例比例比例+积分积分比例比例+微分微分比例比例+积分积分+微分微分22k2.22.2k1.8k1.7k0.850.85T Tk k0.50.5T Tk k0.10.1T Tk k0.1250.125T Tk k表 12-2临界比例度法参数计算公式表 比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定21通过使系统产生衰减振荡
11、来整定控制器的参数值。图12-1141和101衰减振荡过程控制作用控制作用/%/%TI/minTD/min比例比例s s比例比例+积分积分1.21.2s s 0.50.5TS S比例比例+积分积分+微分微分0.80.8s s 0.30.3TS S0.10.1TS S控制作用控制作用/%/%TI/minTD/min比例比例s s 比例比例+积分积分1.21.2s s 2 2T升升比例比例+积分积分+微分微分0.80.8s s 1.21.2T升升0.40.4T升升表12-341衰减曲线法控制器参数计算表表12-4101衰减曲线法控制器参数计算表第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制
12、规律的原则及参数整定s22第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定23（1 1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的来定，一般为额定值的5 5左右，也有例外的情况。左右，也有例外的情况。（2 2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的则得不到正确的S、TS或或S和和T升升值。值。（3 3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容）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量的液位控制等，要在记录曲线上严
13、格得到4141衰减衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳曲线比较困难。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定，就可以近似地认为达到4141衰减过程了。衰减过程了。第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。24第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定25控制变量
14、控制变量特特 点点/%/%TI/minTD/min流量流量对象时间常数小，参数有波动，要大；TI要短；不用微分401000.3 1温度温度对象容量滞后较大，即参数受干扰候变化迟缓；应小；TI要长；一般需加微分20 603 100.5 3压力压力对象的容量滞后一般，不算大，一般不加微分30 700.4 3液位液位对象时间常数范围较大。要求不高时，可在一定范围内选取，一般不用微分20 80表12-5 各类控制系统中控制器参数经验数据表第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定26第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定27图12-1
15、2三种振荡曲线比较图12-13比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，产生的周期性激烈振荡。如果比例度过大或积分时间过大，过渡过程变化缓慢的情形。第四节第四节 控制器控制规律的原则及参数整定控制器控制规律的原则及参数整定28（2）先按表7-4中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。方法简单，适用于各种控制系统。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。第四节第四节 控制器控制规律的原则及参
16、数整定控制器控制规律的原则及参数整定 对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值。可能得出不同的参数值。在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。的参数必须重新整定。29第五节第五节 控制系统的投运及操作中的
17、常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题n 一、控制系统的投运一、控制系统的投运 对于工艺人员与仪表人员来说 对于仪表人员来说30第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题 投运前要在现场校验仪表一次,确认正常后可考虑投运。对于,除了要观察测量指示是否正常外,还特别要对控制器控制点进行复校。31第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题 控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系统成为负反馈闭环系统的重要一环。正作用？正作用？反作用？反作用？图12-14 控制器正、反作用开关示意图32第五节第五节 控制系统的投运及操作
18、中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题举例加热炉出口温度控制系统图12-15 加热炉出口温度控制 为了在控制阀气源突然断气时,炉温不继续升高,采用了气开阀(停气时关闭),是“正”方向。炉温是随燃料的增多而升高的,以炉子也是“正”方向作用的。变送器是随炉温升高,输出增大,也是“正”方向。所以控制器必须为“反方向”,才能当炉温升高时,使阀门关小,炉温下降。33第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题举例液位控制系统图12-16 液位控制 控制阀采用了气开阀,在一旦停止供气时,阀门自动关闭,以免物料全部流走,故控制阀是“正”方向。当控制阀打开时,液位是下降
19、的,所以对象的作用方向是“反”的。变送器为“正”方向。这时控制器的作用方向必须为“正”才行。34第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题图12-17 控制阀安装示意图1上游阀；2下游阀；3旁路阀；4控制阀35第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题 开车时的两种操作步骤：开车时的两种操作步骤：36第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题n 先将截止阀1和截止阀2关闭,手动操作旁路阀3,使工况逐渐趋于稳定;用手动定值器或其他手动操作器调整控制阀上的气压P,使它等于某一中间数值或已有的
20、经验数值;先开上游阀1,再逐渐开下游阀2,同时逐渐关闭旁路阀3,以尽量减少波动(亦可先开下游阀2);观察仪表指示值,改变手动输出,使被控变量接近给定值。37第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题n 远距离人工控制控制阀叫手动遥控远距离人工控制控制阀叫手动遥控,可以有三种不同的可以有三种不同的情况情况:控制阀本身是遥控阀,利用定值器或其他手动操作器遥控;控制器本身有切换装置或带有副线板,切至“手动”位置,利用定值器或手操轮遥控;控制器不切换,放在“自动”位置,利用定值器改变给定值而进行遥控。但此时宜将比例度置于中间数值,不加积分和微分作用。38第五节第五节
21、 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题 通过手动遥控控制阀,使工况趋于稳定以后,控制器就可以由手动切换到自动,实现自动操作。39第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题 不管采用哪种方法进行整定,所得到的自动控制系统,在正常工况下,由于经常受到各种扰动,被控变量不可能总是稳定在一个数值上长期不变。如果出现记录曲线是一条直线或一个圆,就要检查一下测量记录仪表有否故障,灵敏度是否足够等。40第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题n 一、控制系统操作中的常见问题一、控制系统操作中的常见问题图12
22、-18 精馏塔控制系统之间的干扰41第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题图12-19 压力和流量控制系统之间的干扰图12-20 负荷分配系统42第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题 43第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题记录曲线突变。记录曲线突然大幅度变化。记录曲线出现不规则变化。记录曲线出现等幅振荡。记录曲线不变化,呈直线状(或圆状)。44第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题图12-21 不规则变化的记录曲线图12-22 记
23、录曲线的等幅振荡45第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题46第五节第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题控制系统的投运及操作中的常见问题 出现问题时，除了要考虑前面所讲的测量系统可能出现的故障以外,特别要注意被控对象特性的变化以及控制阀特性变化的可能性,要结合仪表和工艺两个方面去找原因。针对适应对象特性的变化,一般可以通过重新整定控制器参数,以获得较好的控制质量。47例题分析例题分析1.试总结归纳一下控制器参数整定的方法、特点与使用场合。工程上常用的整定方法的特点与使用场合列表如下:整定方法特 点使 用 场 合临界比例度法方法简单、容易掌握、容易判断
24、临界振荡;产生临界振荡时,对生产影响较大广泛用于一般自动控制系统,对不允许产生等幅振荡的系统,特别是临界比例度较小的系统不适用经验法方法简单、方便可靠;实质上是“看曲线、调参数”,因此取决于现场调试经验;对PID三作用控制器整定时可能花时间较长应用广泛,特别适用于记录曲线不规则,外界干扰很频繁的系统衰减曲线法对生产的影响较小,可按一定衰减比直接整定;在记录曲线不规则的情况下,难于判断衰减比可用于不允许产生等幅振荡的对象,对于外界干扰频繁、记录曲线不规则的控制系统不适用48例题分析例题分析2.图12-23是锅炉的压力和液位控制系统的示意图,试确定系统中控制阀的气开、气关型式及控制器的正反作用。图
25、12-23 锅炉控制在液位控制系统中,如果从安全角度出发,主要是要保证锅炉水位不能太低,则控制阀应选择气关型,以便当气源中断时,能保证继续供水,防止锅炉烧坏。如果要保证蒸汽的质量,汽中不能带液,那么就要选择气开阀,以便气源中断时,不再供水,以免水位太高。49例题分析例题分析 本题我们假定是属于前者的情况，控制阀应选择气关型，为“-”方向；当供水流量增加时，液位是升高的，故对象为“+”方向；测量变送器一般都是“+”方向，故在这种情况下，液位控制器LC应为正作用方向。在蒸汽压力控制系统中，为了保证气源中断时，能停止燃料供给，以防止烧坏锅炉，故控制阀应选择气开型，为“+”方向；当燃料量增加时，蒸汽压力是增加的，故对象为“+”方向；测量变送器为“+”方向，故压力控制器PC应为反作用方向。50
