化工仪表及自动化第七章 简单控制系统

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。
简单控制系统的设计原则
被控变量的选择原则
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。
图7-3 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。
简单控制系统的设计原则
被控变量的选择(自动控制保持恒定值或按一定规律变化）
“关键”变量：对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用。
方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参 数。
控制器的参数整定方法
理论计算参数整定法——已知广义对象的数学模型，然后根据
系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应
的PID参数。
现场工程整定法——条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。
1）经验法
2）衰减曲线法
3）临界比例度法 4）响应曲线法
控制器参数的工程整定
方法一：临界比例度法
•该方法是先将控制器设置为纯比例作用且比例度δ放在较大位置，将系统 投入闭环控制，然后逐步减小比例度δ并施加干扰作用，直至控制系统出现 等幅振荡的过渡过程，如图7-9所示。这时的比例度就叫做临界比例度δk， 振荡周期就叫做临界振荡周期Tk。根据δk和Tk从表7-2中查找控制器应该采
控制器“正”、“反”作用选择分析： 安全要求：防止物料全部流光
•分析控制系统的控制过程
蒸汽
➢根据安全原则，供气中断时给水阀应全开，所 以应选气关阀，即“反”作用。
➢控制器正、反作用 根据负反馈闭环系统分析 控制器应选正作用
➢控制过程分析
汽包
LT
LC
省煤器
给水
L yZ e L 阀开度 uP
小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑， 在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好， 控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。
简单控制系统的设计原则
对象动态特性对控制质量的影响（一）
设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间 为τo
时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有 利于克服干扰的影响 时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使 被控变量的超调量加大，过渡时间增长 纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用 推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不 但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程 振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。
(2)控制器的正、反作用的选择 根据负反馈闭环系统分析，选用反作用控制器
➢控制过程分析
L yZ e L 阀开度 uP
反作用控 制器
液位控制系统
例2：如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺要 求釜内温度不得过高，试确定控制器的正、反 作用，并分析控制过程。
解：(1)确定控制阀的气开、气关特性
因为：工艺要求釜内温度不得过高，也就是说， 供气中断时热源关断，所以应选气开阀，即“正” 作用。
④ 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。
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。
简单控制系统的设计原则
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 通过工艺分析 确定
系统的干扰
举例
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。
图7-7 精馏塔流程图
图7-8 影响提馏段温度各种 因素示意图
影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有： 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
用的参数值。 临界振荡整定计算公式
பைடு நூலகம்
控制器参数 控制规律 P
PI
PID
δ(%) 2δK 2.2δK 1.6δK
TI (min)
Tk/1.2 0.5Tk
TD (min) 0.25TI 图7-18 临界振荡过程
临界比例度法目前使用的比较多，它简单易用，适用面较 广。但要注意的是： (1)对于工艺上不允许有等幅振荡的，不能使用;
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。
对象特性对选择操纵变量的影响
对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)
由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道
控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道
干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道
干扰变量由干扰通道施加 在对象上，起着破坏作用， 使被控变量偏离给定值；
图7-9 干扰通道与控制通道示 意图
操纵变量由控制通道施加 到对象上，使被控变量回复 到给定值，起着校正作用。
典型的微分方程
T
dh dt
h
K
qi
典型的阶跃响应曲线
qi
a
h(t)
t
0.632h() h()
T
qi Ah q0
该对象的输入量为qi 被控变量为液位h
K――放大系数，在阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳定值 时，输出变化量与输入变化量之比，也称静态增益。K越 大，表示输入量对输出量的影响越大。
3. 当对象滞后较大，如温度、ＰＨ值等控制系统则需引入微分 作用。一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又 要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。
•控制器的正、反作用确定
控制器“正”、“反”作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制 阀的气开、气关情况来决定。 确定原则：保证控制系统为负反馈闭环系统。
简单控制系统的设计原则
测量变送问题----纯滞后
酸槽
中 和 槽 AC
LC l1
l2 电极
τ= l1 l2 v1 v2
l、1 l2 为主管道，分管道的长度
v v1
为主管道，分管道流体的流速
2
测量元件的安装位置
简单控制系统的设计原则
测量变送问题----测量元件的时间常数
被控变量选择好之后，被控变量如何测量仍然有诸多因素需要考虑，以便 更灵敏﹑更快速﹑更及时和更经济地测得被控变量．
(2)确定控制器的正、反作用
蒸汽加热反应釜
根据负反馈闭环系统分析，选用反作用控制器
(3)控制过程分析
T yZ e T 阀门开度 uP
反作用控 制器
简单控制系统的投运
控制系统投运-----通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地 转到自动工作状态。
准备工作： 1. 详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。 2. 吃透控制系统的设计意图。 3. 在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的
L yZ e L 阀开度 uP
反作用控 制器
液位控制系统
例1：如图所示的液位控制系统，假设工艺要求 供气中断时液体不得外溢，请选择阀的气开、气 关特性，并选择控制器的正、反作用。
解：(1)控制阀气开、气关特性的选择
因为：工艺要求供气中断时液体不得外溢， 根据安全原则，所以：选用气开阀，即“正” 作用。
T――时间常数，在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态变 化量的63.2％所需要的时间，时间常数T是反映响应变化 快慢或响应滞后的重要参数。用T表示的响应滞后称阻容 滞后（容量滞后）。 T大，反应慢，难以控制；T小，反应块。
简单控制系统的设计原则
对象静态特性对控制质量的影响
设：控制通道放大倍数为ＫＯ 扰动通道放大倍数为Ｋf ＫＯ的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度 Ｋf的大小表征了扰动对被控变量的影响程度
锅炉汽包水位控制系统
或 L yZ e uP 阀开度 L
控制器“正”、“反”作用选择控制过程分析：
如图所示的液位控制系统，如果阀的气开、 气关特性发生改变，控制器的正、反作用也 应该发生改变。
假设阀门选用气关阀，即“反”作用。
L Zy e L 阀开度 uP
正作用控 制器
假设阀门选用气开阀，即“正”作用。
时间常数
测量滞后
简单控制系统的设计原则
测量变送问题----传递滞后
克服传递滞后采取以下措施： ⑴ 尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过
300m，管径应大于６mm。或在气路60m距离间加气动继动 器，提高气信号传输功率，减小传输时间。 ⑵ 采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。
扰动变量（输入量） 操纵变量（输入量）
被控变量（输出量）
简单控制系统的设计原则
操纵变量的选择原则
⑴ 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的 放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时 间。
⑵ 系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数 和尽可能小的放大系数。
⑶ 考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的 质量，就不宜选为操纵变量。
功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。 4. 设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。 5. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）
的要求将控制器切入自动。
控制器参数的工程整定