12 第12章 简单控制系统.pptx

第1页：第十二章封面

第十二章封面

化工仪表及自动化第十二章简单控制系统

第2页：第十二章内容提要（一）

第十二章内容提要（一）

• 被控变量的选择
• 操纵变量的选择
• 控制器控制规律的选择及参数整定
• 控制规律的选择
• 控制器参数的工程整定

第3页：第十二章内容提要（二）

第十二章内容提要（二）

• 控制系统的投运及操作中的常见问题
• 控制系统的投运
• 控制系统操作中的常见问题

第4页：简单控制系统的组成

简单控制系统的组成

图12-1液位控制系统图

3简单控制系统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。

• 12-2温度控制系统

第5页：被测变量和仪表功能的字母代号

被测变量和仪表功能的字母代号

说明：原表按列提取，字母与被测变量、功能的对应关系按通用仪表字母代号标准整理；L、M、P 三个字母的后继功能原表未给出，以“—”表示。

第6页：简单控制系统的方块图

简单控制系统的方块图

本页为13 第十二章 简单控制系统章节封面，标注课程名称与本章主题、内容框架。

第7页：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。
• 被控变量的界定
• 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8页：被控变量的分类

被控变量的分类

• ）
• 直接指标控制；
• 间接指标控制

第9页：精馏过程示意图

精馏过程示意图

图12-4精馏过程示意图；图12-5苯-甲苯溶液的T-x图图

8

• 1—精馏塔；
• 2—蒸汽加热器
• 12-6苯-甲苯溶液的p-x图举例

第10页：选择温度作为被控变量

选择温度作为被控变量

• 控变量。
• 原因在精馏塔操作中，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。
• 所选变量有足够的灵敏度

第11页：选择被控变量的原则

选择被控变量的原则

• 10选择被控变量的原则①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。
• ②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。
• ③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12页：被控变量选择的其他原则

被控变量选择的其他原则

• 大的灵敏度。
• ⑤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。
• ⑥被控变量应是独立可控的

第13页：操纵变量的选择

操纵变量的选择

• 12在自动控制系统中，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操纵变量。
• 最常见的操纵变量是介质的流量。
• 操作变量系统的干扰通过工艺分析确定

第14页：精馏塔流程图举例

精馏塔流程图举例

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第15页：影响灵敏板温度的因素

影响灵敏板温度的因素

图12-8影响提馏段温度各种因素示意图

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。通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量

第16页：干扰通道与控制通道示意图

干扰通道与控制通道示意图

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第17页：操纵变量的选择原则

操纵变量的选择原则

• 16操纵变量的选择原则①操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。
• ②操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。
• ③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18页：控制规律的选择

控制规律的选择

目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律:比例控制规律P、比例积分控制规律PI和比例积分微分控制规律PID

第19页：比例控制规律的适用场合

比例控制规律的适用场合

• 后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。
• 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。
• 比例控制器调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。
• 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。
• 比例积分控制器容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统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。
• 比例积分微分控制器三种控制器性能比较表

第20页：临界比例度法

临界比例度法

• 1.临界比例度法19
• 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δ、积分时间TI和微分时间TD。
• 方法理论计算的方法和工程整定法。
• 几种常用的工程整定法先通过试验得到临界比例度δk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21页：临界比例度法参数计算公式表

临界比例度法参数计算公式表

说明：δk为临界比例度，Tk为临界振荡周期；本方法比较简单方便、容易掌握判断，但不适用于临界比例度很小或工艺上不允许产生等幅振荡的系统。

第22页：衰减曲线法参数计算表

衰减曲线法控制器参数计算表

说明：δs与δs′分别为4:1与10:1衰减时的比例度，TS为衰减振荡周期，T升为10:1衰减曲线上升时间；原表按列提取，参数按两种衰减比分别整理。

第23页：衰减曲线法的整定步骤

衰减曲线法的整定步骤

• 先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。
• 在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4∶1或10∶ 1衰减比为止。
• 通过比例度δs和衰减周期TS,得到控制器的参数整定值

第24页：干扰幅值的要求

干扰幅值的要求

• 23（1）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5％左右，也有例外的情况。
• （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δS、TS或δS′和T升值。
• （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。
• 注意！

第25页：经验凑试法的引入

经验凑试法的引入

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δ、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度δ、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。243.经验凑试法

第26页：各类控制系统参数经验数据表

各类控制系统中控制器参数经验数据表

第27页：经验凑试法的步骤

经验凑试法的步骤

1）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。关键看曲线，调参数

第28页：三种振荡曲线比较

三种振荡曲线比较

图12-12三种振荡曲线比较图

27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。

• 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。

第29页：积分时间与微分时间的确定

积分时间与微分时间的确定

• 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＝(1/3～1/4)TI，然后对δ进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。
• 特点
• 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30页：经验凑试法的特点

经验凑试法的特点

• 同的人采用经验凑试法整定，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。
• 注意！

第31页：投运前的准备工作

投运前的准备工作

运1.准备工作•对于工艺人员与仪表人员来说……•对于仪表人员来说……要重视！

第32页：投运前的仪表检查

投运前的仪表检查

2.仪表检查投运前要在现场校验仪表一次,确认正常后可考虑投运。对于控制记录仪表,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

第33页：控制器正反作用的检查

控制器正反作用的检查

图12-14控制器正、反作用开关示意图

• 3.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式控制好控制器的正、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？
• 反作用？

第34页：加热炉出口温度控制举例

加热炉出口温度控制举例

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

第五节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

第35页：液位控制系统举例

液位控制系统举例

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

第五节控制系统的投运及操作中的常见问题举例液位控制系统

第36页：控制阀的投运

控制阀的投运

图12-17控制阀安装示意图

4.控制阀的投运

• 1—上游阀；
• 2—下游阀；
• 3—旁路阀；
• 4—控制阀

第37页：旁路操作过渡到手动遥控

旁路操作过渡到手动遥控

• 作旁路阀,然后过渡到控制阀手动遥控;
• 另一种是一开始就用手动遥控。
• 开车时的两种操作步骤：

第38页：由旁路转手动遥控的步骤

由旁路转手动遥控的步骤

• 作转为控制阀手动遥控时,步骤如下:①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;
• ②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经验数值;
• ③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);
• ④观察仪表指示值,改变手动输出,使被控变量接近给定值

第39页：手动遥控的三种情况

手动遥控的三种情况

• 制阀叫手动遥控,可以有三种不同的情况:①控制阀本身是遥控阀,利用定值器或其他手动操作器遥控;
• ②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;
• ③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

第40页：手动和自动的切换

手动和自动的切换

5.控制器的手动和自动的切换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。要求：平稳、迅速，实现无扰动切换

第41页：控制器参数的整定

控制器参数的整定

6.控制器参数的整定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

第42页：控制系统间的相互干扰

控制系统间的相互干扰

图12-18精馏塔控制系统之间的干扰精馏塔两个温度控制系统之间相互干扰

中的常见问题1.控制系统间的相互干扰及克服办法

第43页：压力与流量控制系统的干扰

压力与流量控制系统的干扰

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

第44页：相互干扰的解决

相互干扰的解决

• 制器参数整定,将两个控制系统的动态联系削弱,使其能正常工作。
• 采取这种措施后,保证了主要被控变量的稳定，而次要变量的控制质量会有所降低。
• 从自动化角度出发,尚可设计较为复杂一些的去关联控制系统,通过引入一些特殊的去关联环节来消除相互间的影响。
• 从工艺上消除关联也是一个极为有效的措施

第45页：测量系统的故障及判别方法

测量系统的故障及判别方法

• 2.测量系统的故障及判别方法发现工艺参数的记录曲线出现异常情况时,首先要分析情况,判别其原因,这是正常操作的前提之一。
• 判别的方法：(1)记录曲线的分析比较①记录曲线突变。
• ②记录曲线突然大幅度变化。
• ③记录曲线出现不规则变化。
• ④记录曲线出现等幅振荡。
• ⑤记录曲线不变化,呈直线状(或圆状)

第46页：记录曲线异常举例

记录曲线异常举例

图12-21不规则变化的记录曲线图

• 12-22记录曲线的等幅振荡

第47页：仪表比较判别方法

仪表比较判别方法

2)控制室仪表与现场同位仪表比较(3)两台仪表之间的比较

第48页：运行中的常见问题

运行中的常见问题

3.控制系统运行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

第49页：例题1 参数整定方法总结

例题1 参数整定方法总结

• 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。
• 解:工程上常用的整定方法的特点与使用场合列表如下:使用场合特点整定方法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方法简单、容易掌握、容易判断临界振荡;
• 产生临界振荡时,对生产影响较大临界比例度法应用广泛,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经验法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,难于判断衰减比衰减曲线法

第50页：例题2 锅炉控制系统分析

例题2 锅炉控制系统分析

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

2.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

• 12-23锅炉控制解：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。

第51页：例题2解答

例题2解答

• 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

第52页：本章结束页

本章结束页

本页为本章结束页，标示本章内容讲完。