17 简单控制系统.ppt
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1、华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师:朱红路,化工仪表及过程控制 第六章 简单控制系统,内容提要,简单控制系统的结构与组成 简单控制系统的设计 被控变量的选择 操纵变量的选择 测量元件特性的影响 控制器控制规律的选择 控制器的参数整定(已讲) 控制系统的投运及操作中的常见问题,第一节 简单控制系统的结构与组成,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。,图6-1 液位控制系统,图6-2 温度控制系统,图6-3 简单控制系统的方块图,第二节 简单控制系统的设计,1. 过程控制系统方案设计
2、的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。 2. 过程控制系统设计的主要内容 过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。 其中控制方案设计是控制系统设计的核心。,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。,6.2.1 被控变量的选择,被控变量的分类(按照与生产过程的关系),直接指标控制; 间接指标控制。,被控变
3、量的选择依据: 1、根据生产工艺的要求,找出影响生产的关键变量作为被控变量,例1 储槽液位控制系统 工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。,例2 换热器出口温度控制系统 工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。,2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时,应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。,例3 化工的精馏物纯度控制系统 精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不同,将各组分分离。 如图将苯甲苯混合液进行分离。,图6-5 苯-甲苯溶液的T-x图,图6-6 苯-甲苯溶液的p-x图,该精馏塔的工艺要求是要使塔顶(或塔底
4、)馏出物达到规定的纯度。按照被控变量的选择原则1,塔顶(或塔底)馏出物的组分应作为被控变量。 但是,没有合适的仪表在线检测馏出物的纯度,则不能直接作为被控变量。 经工艺分析发现,塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试验,选出一个合适的变量。,从工艺合理性考虑,常常选择温度作为被控变量。,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。,选择被控变量的原则, 被控变量应能
5、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。, 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。,6.2.2 操纵变量的选择,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。,被控变量确定
6、后,需要选择操纵变量。影响被控变量变化的因素往往不止一个,需要在可控的输入中选择合适的输入作为操纵变量。,图6-7 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T灵。 精馏塔分别在塔顶和塔底采出分离成分。,举例,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)、冷凝器冷却温度及塔压等等。,只有回流量和加热蒸汽流量是可控因素。同时,蒸汽流量控制更为灵敏、及时,能量消耗更低。通过工艺分析,选择蒸汽流量作为操纵变量。,图12-8 影响提馏段温度各种因素示意图,图
7、6-9 干扰通道与控制通道示意图,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;,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。,在影响被控变量的因素中,一旦选择了其中一个作为操纵变量,其余的因素就变成了干扰变量。,(1)对象静态特性的影响,一般希望控制通道的放大系数KO要大些,对象干扰通道的放大系数Kf小些。,(2)对象动态特性的影响, 控制通道时间常数的影响,控制通道的时间常数不能过大,否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些,从而获得良好的控制质量。, 控制通道纯滞后0的影响,控制通道的物料输送
8、或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后O对控制质量是有影响的。图6-10所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。,图6-10 纯滞后0对控制质量的影响,在选择操纵变量构成控制系统时,应使对象控制通道的纯滞后时间0尽量小。, 干扰通道时间常数的影响,干扰通道的时间常数Tf越大,表示干扰对被控变量的影响越缓慢,越有利于控制。, 干扰通道纯滞后f的影响,如果干扰通道存在纯滞后f,控制作用也推迟了时间f,使整个过渡过程曲线推迟了时间f,只要控制通道不存在纯滞后,通常是不会影响控制质量的,如图6-11所示。,图6-11 干扰通道纯滞后f的影响,操纵变量的选择原则, 操纵变量应是可控的,即工艺上允许调节
9、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。,6.2.3 测量元件特性的影响,测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置,也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。,1.测量元件的时间常数,图6-12 测量元件时间常数的影响,测量元件,特别是测温元件,由于存在热阻和热容,它本身具有一定的时间常数,易造成测量滞后。,2.测量元件的纯滞后,当测量存在纯滞后时,会严重地影响控制质量。,图6-13 pH值控制系统示意图,有时,测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。,延迟时间0,
10、这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化,因而降低了控制质量。,3.信号的传送滞后,信号的传送滞后,应尽量减小。,四、控制器控制规律的选择,1.控制器控制规律的确定,图6-14 简单控制系统简化方块图,(1)比例控制器,比例控制器是具有比例控制规律的控制器。,对于单元组合仪表,适用于,控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。,控制器的输出与偏差成比例。 当负荷变化时,比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。 在常用控制规律中,比例作用是最基本的控制规律,不加比例作用的控制规律是很少采用的。 纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大,余差
11、就越大。,特点,(2)比例积分控制器,比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。,可调整参数,比例放大系数KP(或比例度)和积分时间TI。,适用于,控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。,特点,由于在比例作用的基础上加上积分作用,而积分作用的输出是与偏差的积分成比例,只要偏差存在,控制器的输出就会不断变化,直至消除偏差为止。 积分作用会使稳定性降低,虽然在加积分作用的同时,可以通过加大比例度,使稳定性基本保持不变,但超调量和振荡周期都相应增大,过渡过程的时间也加长。,(3)比例积分微分控制器,比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器,常称为三作用(PID)
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