《单回路控制系统》PPT课件

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1、换热器的温度控制
根据工艺要求，需要控制的参数是冷流体被加热后的出口温度T1O， 此温度要求保持在某一设定数值。影响出口温度T1O的扰动因素主要有：冷 流体进口温度T1i 和流量F1、载热体入口温度T2i和流量F2等。常见控制方案 有下面两种：
载热体 F2,T2i
TC
T1O T20
冷 流 F1,T1i 体
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4.44..41..11选控择制原阀则的流量特性选择
系统稳定运行准则 使在生产负荷变动情况下，已整定的控制 器的参数值不需改变，而控制系统仍能保持预定的品质指标。 系统稳定运行维持方法 通过选择适当的控制阀特性来保证 【原因：对象特性通常随负荷(工作点)而变，除控制器外系统中 无其它可变部分】。 流量特性选择实质与原则 以控制阀特性的变化来补偿对象 特性的变化，使系统成为一个理想的控制系统，即保证系统特性 在整个操作范围内基本维持不变：
1)数学分析法 根据对象特性选取合适的控制阀流量特性
2)经验法(工程上多采用) 根据被控对象、控制参数，按照经验选取流量特性。按
经验法选择流量特性时： 需要考虑工艺配管情况; 考虑负荷变换的情况: 在负荷变化幅度大的场合，选等
百分比阀较合适；当所选控制阀经常工作在小开度时，也宜选 等百分比阀。
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数学分析法（举例）
Gm (S)
K m e S TmS 1
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4.3.2 选型注意事项
应尽量减少其时间常数与滞后时间。 选择快速反应的测量元件，以减小时间常数 选择合适的测量点，以减小纯滞后 使用微分单元，以克服容量滞后
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4.4 控制阀的选择
问题：干扰(设定值、负荷或其它因素变化)的存在会破坏系 统的正常运行状态，那么用什么办法来克服扰动的影响 【请根据系统框图回答】
离心泵流量控制
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2、离心泵的流量控制
离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对输送的流体流量 有定量的要求。此时被控量是离心泵的实际排出液体的流量，扰动因素主 要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。控制方案常见的有如 下三种：
F
F
C
C
F
C
(a) 直 接 节 流 方 案 (c) 控制转速方案
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控制阀的流量特性选择原则
G0(s)=GC(s)GV(s)GP(s)Gm(s)=const
通常使 G0(jwg)≈-0.5 若仅考虑静态特性，并考虑到控制器增益与检测变送环节增益 通常维持不变，则有
KV
1 KP
输出 对象:KP 合成:K0
控制阀:KV 输入
阀与对象的放大系数 25
4.4.1.2流量特性的选择方法
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4.2.2 操纵量的选择
操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素， 应该遵循快速、有效地克服干扰的原则去选择操纵量。
输入
输出
加热炉:燃料油成分、燃料油压力、燃料油雾化、燃料油流 量、烟筒抽力、原油温度、原油流量
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4.2.2 操纵量的选择
如何选？(从对象特性对控制质量的影响入手，完成下表）
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控制阀结构形式特点及适用场所
直通单 结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡 座阀 力大。适用于小口径Dg≤25mm 的场合。
直通双 受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适 座阀 用于大口径管道的场合。
阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有 角形阀 悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
kb0
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数学分析法（举例）
2 h0
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
kb0
①由于设定值扰动引起工作点移动 静态特性的补偿
KP h0
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数学分析法（举例）
2 h0
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
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主要内容
4.1 概述 4.2 被控量与操纵量的选择 4.3 检测及变送环节的考虑 4.4 控制阀的选择 4.5 控制器控制规律及作用方向的选择 4.6 控制器参数的工程整定 4.7 控制系统的投运 4.8 单回路控制系统设计实例
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1、换热器的温度控制
热交换器是常见的一种传热设备，通过它可以将冷物料加热(或冷 却)到预定的温度。图示为一个列管式换热器，其中载流体的热量首先传 给套管的内壁，经管壁传导后再传给冷流体。传热过程中存在几个串联的 热阻，故换热器是一个多容量对象，时间常数和滞后都比较大。
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在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计是最基本的方法，适用于 其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。
通常在选择控制方案时，只有在简单控制系统不能满足生产过程控制的 要求时，才考虑采用两个回路以上组成的复杂控制系统。
单回路控制系统适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制 质量要求不很高的场合。
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直接指标选择
1）表征其质量指标是一个变量，应选用这个受控变量。如 汽包液位L 2）表征其质量指标是两个变量，应根据自由度选择
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被控变量选择原则
1、直接指标测量滞后小，选择直接指标为受控变量 2、选择间接指标时应考虑 ①工艺合理性 ②测量滞后小，对直接指标有最大灵敏度 ③实施方便 3、直接指标信号微弱，可选用间接指标 4、考虑国内外仪表状况
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4.4.2 控制阀结构形式的选择
控制阀选用时需注意两点： 被控介质的工艺条件，如温度、压力、流量等。 被控介质的流量特性，如黏度、腐蚀性、毒性、是否含悬浮颗 粒、液态还是气态等。
a)单座控制阀
b)双座控制阀 c)角形控制阀
筒控制阀
1-阀杆；2-上阀盖；3-填料；4-阀芯；5-阀座；6-阀体
d)套
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4.3 检测及变送环节的考虑
4.3.1 检测及变送环节任务、作用及要求
任务: 对被控量进行正确测量，并将其转换为标准 信号。
要求: 能正确、及时地反映被控量的状况，提供操 作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据。
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4.3.2 检测变送环节特性
通常等效为带滞后的一阶惯性特性 【理想特性为比例环节】
kb0
①由于设定值扰动引起工作点移动
动态特性的补偿
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数学分析法（举例）
2 h0
H(s)
kb0
KP
Q1(s) 2A h0 s 1 TC s 1
kb0
②由于出液阀开度扰动引起工作点移动
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数学分析法:随动控制系统(设定值R为干扰)
y
R2
R1
Q
Q1 Q2 y
R2
R1
Q
y
R2
R1
Q
设定值R改变
对象KP恒定，即被控量
第四章 单回路控制系统
比较机构
+
e(t)
r(t)
_
控制装置
控制器
执行器 u(t)
扰动 f(t)
过程 q(t)
测量值y(t)
检测元件、变送器
广义对象
被控变量 c(t)
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过程控制系统设计步骤
过程控制系统的设计是工程设计的一个重 要环节，设计的正确与否，直接影响到工程能否投入 正常运行。因此要求过程控制专业人员必须根据生产 过程的特点、工艺对象的特性和生产操作的规律，只 有正确运用过程控制理论，合理选用自动化技术工具， 才能设计出技术先进、经济合理、符合生产要求的控 制系统。
蒸汽
汽包 省煤器
LT
LC
被控变量：汽包液位 过程（被控对象）：锅炉 汽包 操纵变量：进水流量 主要扰动：蒸汽量的变化
给水
锅炉汽包水位控制系统
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4.2 被控量和操纵量的选择
4.2.1 被控量的选择原则
控制系统的设计目标:
即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果 直接影响生产（产量、质量、安全）
选直接参数 即能直接反映生产过程产品产量和质量， 以及安全运行的参数(如锅炉水位控制) 。 选间接参数 当选直接参数有困难时采用，间接指标与 直接指标之间必须是一一对应的函数关系 (如锌精矿沸腾炉 的炉温控制，炉温是反映焙砂质量的一个间接指标)。
T
F2
C
F1
T1O
F’1, T1
(a) 方案一：控制载热体流量
(b) 方案二：控制冷流体分流量
换热器温度控制
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2、离心泵的流量控制
离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对输送的流体流量 有定量的要求。此时被控量是离心泵的实际排出液体的流量，扰动因素主 要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。
通道1 通道2
放大系数
时间常数
滞后时间
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操纵量的选择原则
控制通道对象放大系数适当地大些，时间常数适中，纯滞 后越小越好； 扰动通道对象的放大系数应尽可能小，时间常数应尽可能 大； 扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件，增大扰动 通道的容量滞后，可减少对被控量的影响； 操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发，还必需考 虑生产工艺的合理性、经济性。
离心泵流量控制
(b) 控 制 旁 路 流 量 方 案
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4.1 概述
期望值
SP
控制器 执行器 对象 检测/变送
图4-1 单回路控制系统
实际值
单回路（系统）:反馈控制中的最基本系统
特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍 占90%以上
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系统组成及分析 系统组成
被控对象（被控过程）、测量变送、 控制器、控制阀
与控制阀输出流量Q成正 比，则阀流量特性应选线 性；
KP变化，且随Q增大反而
减少，则应选对数(或抛 物线/或蝶阀)流量特性；
KP变化，且随Q增大反而
增大，则应选快开流量特 性；
Q 直线
l
Q
对数/抛物 线/蝶阀
l
Q 快开
l
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数学分析法:定值控制系统(负荷为干扰)
y 负荷线 R
Q
Q1Q2Q3
y 负荷线 R
Q1
Q2
A
பைடு நூலகம்
dh dt
Q1
Q2
A
d h dt
Q2 kb
h
Q2 h
h
Q2 b
b
Q20
Q20
Q2 h
h
Q2 b
b
Q10 Q20 kb0 h0
kb0 h k 2 h0
h0 b
Q1(s)
Q2
(s)
A
dH (s) dt
Q2 (s)
kb0 2 h0
H(s) k
h0 B(s)
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数学分析法（举例）
2 h0
设计要求： 1、安全性 2、稳定性 3、经济性
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过程控制系统设计的具体步骤为： （1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量 （2）建立数学模型 （3）确定控制方案 （4）选择硬件设备 （5）选择控制算法，进行控制器设计 （6）软件设计
系统设计完成后，进行设备安装、调 试与整定，再投入运行。
对于过程控制系统而言，控制方案 的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容。
应根据主要干扰的变化来选择阀门特性； 当对象特性可用图形表示时，用图解法选；而当特性可用 解析式表示时用解析法选【注意对象特性必须是增量化前的 方程】； 要求高时，应从动态角度考虑与分析； 控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性恒定， 为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满足此要求。 如节流装置测流量，配开方器，用线性控制阀；如不加开方 器，从静态考虑要选快开特性，实际选线性。
控制器
SP
GC(s)
PV
控制阀
GV(s)
检测与变送器
Gm(s)
扰动
对象
GP(s)
单回路控制系统
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流量特性(实际上就是控选制线阀性还选是择对内数特容性，因为抛物线特性
阀通常用的很少，而蝶阀当导通角为0-70o时近似为对数特性) ； 结构形式； 开闭形式； 口径计算。
ZXP(ZJHP)型新系列 气动薄膜直通单座阀 ZAZN型电动双座阀
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过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。 单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对 对象的某一个被控参数进行闭环负反馈控制。 多回路控制系统内部包含两个以上的单回路系统，对过程两个以上的参数进 行闭环负反馈控制，其控制目标保证被控过程的被控参数满足工艺要求。
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经验法:按控制对象选择流量特性
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经验法:按被控变量选择控制阀的理想特性
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经验法:按配管情况选择流量特性
配管状态 实际特性 理想特性
S=1.0~0.6 直线 对数 直线 对数
S=0.6~0.3 直线 对数 对数 对数
S<0.3
不 适 宜 控 制
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4.4.1.3 控制阀流量特性选择注意事项
y 负荷线 R
对象KP恒定，即被控量
与控制阀输出流量Q成正 比，则阀流量特性应选线 性；
KP变化，且随Q增大反而
减少，则应选对数(或抛 物线/或蝶阀)流量特性；
KP变化，且随Q增大反而
增大，则应选快开流量特 性；
Q 直线
l
Q
对数/抛物 线/蝶阀
l
Q 快开
l
负荷改变
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数学分析法选控制阀流量特性注意事项
不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量特性可能是 不一样，甚至是相反的，所以应根据引起工作点移动的主要 干扰来选取控制阀流量特性； 采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性，考虑 到快开特性特点，一般用于双位控制或程序控制而不适合于 连续自动调节，此时可用线性阀代替； 生产实践中，通常阀前后压差是变化的，故选择时还需考 虑配管条件等对流量特性的影响。