第6章 简单控制系统(化工仪表及自动化 林德杰)

曲线的超调量大，且趋向非周期过程，减少δ；若曲线振荡频繁，
增大δ。 2)固定δ，按照表6-4所列参数设置好TI后，投入积分作用，观察 系统的响应曲线，如曲线的波动较大，减少TI，若曲线偏离给定 值后长时间不回来，增加TI，直至获得较好的过渡过程曲线。 3)固定δ和TI，按照表6-4所列参数设置好TD后，投入微分作用， 观察系统的响应曲线，如曲线超调量大而衰减慢，增大TD，若曲
6.3.1 被控变量的选择
6.3.2 操纵变量的选择 6.3.3 放大系数、时间参数和滞后时间对控制质量的影响
6.3.1 被控变量的选择
1)尽量选择直接参数作为被控变量，此时的控制过程更加清晰。
2)选择间接参数时要保证其与直接参数有单值的函数关系。 3)被控变量能够独立可控。 4)选择的被控变量应该能够被方便地测量出，并且有足够的灵 敏度。 5)还应考虑工艺生产的合理性和国内外仪表的供应情况。
图6-17
4∶1衰减曲线
图6-18
10∶1衰减曲线
表6-4 4∶1衰减曲线法参数整定计算公式
表6-5
10∶1衰减曲线法参数整定计算公式
6.6.3 经验法
具体步骤如下：
1)先将控制器的TI置于最大(TI=∞)，TD置于最小(TD=0)，按照经验 设定δ后(见表6-4)，将系统投入运行，观察系统的响应曲线，如
图6-21 温度控制系统及其框图 a)控制系统流程图 b)控制系统组成框图
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6.8.3 精馏塔控制系统的分析与设计
1.精馏塔的工艺指标及扰动分析
2.精馏塔的控制方案
1.精馏塔的工艺指标及扰动分析
(1)工艺指标
(2)扰动分析
图6-22
精馏塔的物料流程图
2.精馏塔的控制方案
存在三种可能：
1)工艺上对塔顶产品的成分有严格的控制要求，而塔底产品成分 只要保持在一定范围内就可以了。
在使用衰减振荡法整定控制器参数时需注意以下两点： 1)对于大多数控制系统，4∶1衰减过程被认为是最优的衰减过程，
如4∶1衰减过程不能满足衰减的速度，可以采用10∶1衰减过程。
2)对于反应较快的系统，如流量、管道压力及小容量的液位控制 等，要记录4∶1的衰减曲线比较困难，一般以被控变量来回波动 两次到达稳定作为4∶1衰减过程。
(2)过程检测控制仪表的选用 (3)控制器参数整定
6.8.2 喷雾式干燥设备控制系统的分析与设计
1.生产工艺概况
2.控制方案的设计 3.控制器参数整定
2.控制方案的设计
(1)被控参数的选择
(2)控制参数的选择 (3)检测控制仪表的选择
(1)被控参数的选择
图6-20
乳化物干燥过程工艺流程图
(3)检测控制仪表的选择
节阀在小开度时，阀门的放大系数小，控制缓和平稳，调节阀在 大开度时，阀门的放大系数大，控制及时有效。 2)被控过程往往是一个非线性过程，选用等百分比调节阀，可以 使系统总的放大系数保持不变或近似不变，能提高系统的控制质 量。 选择原则如下：
1)考虑故障状态时的人身及设备安全问题：当控制系统发生故障
时，调节阀的状态能确保人身和工艺设备的安全。 2)考虑生产装置中物质的性质：当某些生产装置中的物质是易结
1)先将控制器的TI置于最大(TI=∞)，TD置于最小(TD=0)，调节δ至 适当位置，待系统稳定后，将系统投入运行。 2)将δ逐步减少(比例放大系数KP逐渐增加)，直至系统产生如图617所示的4∶1衰减曲线(对于10∶1衰减曲线法则需要产生如图6-1 8所示的10∶1衰减曲线)，记录此时的比例度δs和衰减振荡周期Ts (对于10∶1衰减曲线法则需要记录曲线达到第一个波峰时的响应
第6章 简单控制系统
6.1 简单控制系统的基本结构
6.2 简单控制系统设计的主要内容 6.3 简单控制系统的方案设计 6.4 元件特性对控制系统的影响 6.5 控制器的设计 6.6 控制器参数的工程整定 6.7 单回路控制系统的投运
6.8 简单控制系统的分析与设计
6.1 简单控制系统的基本结构
图6-1
格。 4)根据被控变量的特性及系统的反应速度等要求选择合适测量变
送单元。
5)研究被控对象、调节阀及检测元件的特性对控制质量的影响， 选择合理的控制规律。 6)确定控制器的正、反作用形式，以确保控制系统为负反馈系统。 7)对控制器参数进行整定，以使控制系统能满足工艺指标的需求。
6.3 简单控制系统的方案设计
2)工艺上对塔底产品的成分有严格的控制要求，而塔顶产品成分
只要保持在一定范围内就可以了。 3)工艺上对塔顶和塔底产品分别需要满足一定品质指标。
三种具有代表性的控制方案：
(1)塔顶产品成分的控制方案 (2)塔底产品成分的控制方案
(3)塔底塔顶产品成分同时控制的方案
图6-23
塔顶产品成分控制方案
图6-24
6.4.1 测量元件时间常数对控制系统的影响
图6-13
测量元件时间常数对测量的影响
6.4.2 测量元件输出信号传递滞后对控制系统的影响
1)尽量缩短信号传递的长度。
2)采取气/电和电/气转换器，将气压信号变为电信号传递。
表6-1 气动传输管道的特性参数
6.4.3 执行元件对控制系统的影响
1)等百分比特性阀门在其工作范围内，其放大系数是变化的，调
线振荡得厉害，减少TD。
在使用经验法整定控制器参数时需注意以下几点：
1)一定要遵循“先P后I最后D”的步骤将控制器参数投入运行。 2)对于同一个控制系统，不同的人可能会得到不同的控制器参数。
3)待曲线稳定后，才能进行控制器参数的调整。
6.7 单回路控制系统的投运
1.准备工作
2.系统投运
6.8 简单控制系统的分析与设计
2)对于临界比例度很小的系统不使用，因为比例度小，意味着调
节阀不是全开就是全关，被控变量容易超出允许的范围。 3)在某些情况下，即使将比例度调至最小，系统仍然不能出现等 幅振荡，此时就可将最小的比例度认为是临界比例度。
图6-16
临界振荡过程
例6-1 采用临界比例度法整定某控制系统时，通过观察得到临
2.时间常数对控制过程的影响
图6-10
不同时间常数下，系统的响应曲线
3.滞后时间对控制过程的影响
图6-11
纯滞后对控制品质 的影响示意图
图6-12
干扰通道纯滞后对控制品质 的影响示意图
6.4 元件特性对控制系统的影响
6.4.1 测量元件时间常数对控制系统的影响
6.4.2 测量元件输出信号传递滞后对控制系统的影响 6.4.3 执行元件对控制系统的影响
图6-4 锅炉液位控制系统
图6-5 甲醇精馏塔成分 控制系统示意图
6.3.2 操纵变量的选择
1)首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变。
2)选择的操纵变量，其控制通道放大系数要大，这样对克服干 扰较为有利。 3)在选择操纵变量时，应使控制通道的时间常数适当小一些， 而干扰通道的时间常数可以大一些。 4)选择的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小， 不会对其他控制系统的运行产生较大的影响。
k和临界周期Tk。
3)根据δk和Tk，并结合表6-3给出的经验公式，计算出控制器的具 体参数值。 4)将计算所得δ、TI、TD之值设定在控制器上，按照“先P后I最后 D”的步骤投入运行，然后观察运行曲线，如不理想，可再对参
数进行适当调整。
在应用临界比例度法整定控制器参数时还需注意以下几点：
1)工艺上不允许出现等幅振荡的系统不能应用该方法进行参数整 定。
简单控制系统的框图
图6-2 液位定值控制系统
图6-3
贮液槽加热系统
6.2 简单控制系统设计的主要内容
1)首先对生产工艺过程作一个全面的了解，对工艺生产过程中所 使用的各类型设备和其他辅助设备作一个系统的分析。 2)根据生产工艺要求确定被控变量和操纵变量。
3)根据系统的性能指标和生产工艺的特点确定调节阀的种类及规
6.8.1 蒸汽加热、物料温度控制系统的分析与设计
6.8.2 喷雾式干燥设备控制系统的分析与设计 6.8.3 精馏塔控制系统的分析与设计
6.8.1 蒸汽加热、物料温度控制系统的分析与设计
1.生产工艺简介
2.系统设计
1.生产工艺简介
图6-19
蒸汽加热系统示意图
2.系统设计
(1)被控变量与操纵变量的选择
塔底产品成分控制方案
图6-25 基于独立双单回路控制系统的塔底、塔顶产品成分控制方案
图6-26 回流量和蒸汽量对塔顶 和塔底产品质量影响的耦合关系
图6-27 基于解耦控制的塔底、塔顶产品成分控制方案
图6-28
系统在单位阶跃作用下的过渡曲线
图6-29
贮液槽加热系统
图6-30
锅炉汽包液位 控制系统
界比例度δk=50%，临界周期Tk=5min，试确定控制器采用P、PI 和PID控制规律时的各自参数。 解：已知δk=50%，Tk=5min，利用表6-3所示的计算公式可分别 求得在P、PI和PID控制规律时的参数如下：
表6-3 临界比例度法参数整定计算公式
6.6.2 衰减曲线法
衰减曲线法的具体步骤如下：
1)根据生产的安全原则确定调节阀的气开、气关形式，即确定执
行器的正、反作用。 2)根据被控对象的特性，确定其正、反作用形式。 3)根据四个环节正、反作用的乘积为负的原则，确定控制器的正、 反作用。
表6-2 控制系统组成环节作用方向的定义
图6-14
控制器正、反作用改变原理
图6-15
液位定值控制系统各环节的正、反作用
6.6 控制器参数的工程整定
6.6.1 临界比例度法
6.6.2 衰减曲线法 6.6.3 经验法
6.6.1 临界比例度法
具体整定步骤如下：
1)先将控制器的TI置于最大(TI=∞)，TD置于最小(TD=0)，调节δ至 适当位置，待系统稳定后，将系统投入运行。
2)将δ逐步减少(比例放大系数KP逐渐增加)，直至系统产生如图616所示的等幅振荡过程(也称临界振荡)，记录此时的临界比例度δ
晶、易凝固的物料时，调节阀应选用气关式。
6.5 控制器的设计
6.5.1 控制器控制规律的选择
6.5.2 控制器正、反作用的确定
6.5.1 控制器控制规律的选择
1.比例控制规律(P规律)
2.比例积分控制规律(PI规律) 3.比例微分控制规律(PD规律) 4.比例积分微分控制规律(PID规律)
6.5.2 控制器正、反作用的确定
图6-6
简单控制系统的控制通道和干扰通道的示意图
图6-7
一氧化碳变换过程示意图
图6-8
不同输入作用时的被控变量变化曲线
6.3.3 放大系数、时间参数和滞后时间对控制质量的影响
1.放大系数对控制过程的影响
2.时间常数对控制过程的影响 3.滞后时间对控制过程的影响
1.放大系数对控制过程的影响
图6-9 简单控制系统的分析简化框图
时间Tr)。
3)根据δs和Ts(或Tr)，并结合表6-4(对于10∶1衰减曲线法使用表6-5) 所示的经验公式计算出控制器的具体参数值。
4)将计算所得δ、TI、TD之值设置在控制器上，按照“先P后I最后
D”的步骤投入运行，然后观察运行曲线，如不理想，可再对参 数进行适当调整。
6.6.2 衰减曲线法