化工自動控制-2016.2.16

1、自動控制系統(tǒng)設(shè)計自動控制系統(tǒng)設(shè)計簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中最常見、應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的控制系統(tǒng)。它是由被控對象、測量變送單元、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器組成的單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投運，能滿足一般生產(chǎn)過程控制要求，因而應(yīng)用廣泛。它尤其適用于被控對象純滯后和時間常數(shù)較小，負荷和干擾變化比較平緩或者對被控變量要求不太高的場合。按被控制的工藝變量來劃分，最常見的是溫度、壓力、流量、液位和成分五種控制。簡單控制系統(tǒng)第一節(jié)對象特性及過渡過程品質(zhì)指標一、對象特性根據(jù)實踐經(jīng)驗的總結(jié)得到，除少數(shù)元自衡對象以外，大多數(shù)對象均可用一階、二階、一階加純滯后、二階加純滯后這四種典型的

2、動態(tài)特性來加以近似描述。為了進一步簡化，也可以將所有對象都簡化為一階加純滯后的形式。對于這種理想的一階加純滯后的對象，當(dāng)輸入端加一個階躍干擾時，輸出端要經(jīng)過一段時間才會開始發(fā)生變化，其反應(yīng)曲線如圖1-1-1所示。簡單控制系統(tǒng)從加入階躍干擾的時刻起，到輸出開始變化的時刻為止，這段時間就是對象的純滯后時間純滯后時間。在單位階躍作用下，當(dāng)時間趨于無窮大時，對象的穩(wěn)態(tài)輸出值就是對象相應(yīng)于此輸入下的放大放大系數(shù)系數(shù)。時間常數(shù)的物理意義是當(dāng)輸入為階躍干擾時，在對象的輸出響應(yīng)曲線上，從輸出量開始變化的起始點作一切線，使該切線與穩(wěn)態(tài)值相交，從輸出量開始變化的時刻起，至上述交點A 所對應(yīng)的時刻為止，這一段時間即

3、等于時時間常數(shù)間常數(shù)T的值。圖1-1-1 單容對象的階躍響應(yīng)曲線簡單控制系統(tǒng)圖1-1-2 多容對象的階躍響應(yīng)曲線簡單控制系統(tǒng)對象的純滯后時間使調(diào)節(jié)器改變輸出時不能立刻看出它的影響，因而使得它無法提供合適的校正作用，常常造成控制作用過頭。因此對調(diào)節(jié)通道來說，希望它的對象純滯后時間越小越好。對干擾通道來說，它的純滯后時間的存在，即相當(dāng)于干擾的影響要過一段時間才開始起作用，因而調(diào)節(jié)過程也將在時間軸上往后平移，但不受影響。容量滯后的存在，相當(dāng)于濾波一樣，使調(diào)節(jié)作用或干擾作用的影響和緩起來，若容量滯后存在于干擾通道，顯然是有利于控制的。簡單控制系統(tǒng)二、過渡過程品質(zhì)指標衰減比B1 B2余差 C最大偏差 A

4、過渡過程時間 TS振蕩周期 T圖1-1-3 一個控制系統(tǒng)的過渡過程簡單控制系統(tǒng)第二節(jié)被控變量及操縱變量的選擇一、被控變量的選擇對穩(wěn)定生產(chǎn)、對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、對確保經(jīng)濟效益和安全生產(chǎn)有決定性作用的工藝變量，或者人工操作過于頻繁、緊張，難以滿足工藝要求的工藝變量，作為被控變量。而作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的成分往往找不到合適的、可靠的在線分析儀表，因而常常采反應(yīng)器的溫度、精餾塔某一塊靈敏板的溫度或溫差來代替成分作為被控變量。這個間接的被控變量溫度或溫差，只要與成分有對應(yīng)關(guān)系，并且有足夠的靈敏度，則完全是合適的。這種做法在石油化工生產(chǎn)中是常見的，并且是一個行之有效的好辦法。簡單控制系統(tǒng)第二節(jié)被控變量及操縱變

5、量的選擇二、操縱變量的選擇 首先從工藝上考慮，它應(yīng)允許在一定范圍內(nèi)改變； 選上的操縱變量的調(diào)節(jié)通道，它的放大系數(shù)要大，這樣對克服干擾較為有利； 在選擇操縱變量時，應(yīng)使調(diào)節(jié)通道的時間常數(shù)適當(dāng)小一些，而干擾通道的時間常數(shù)可以大一些； 選上的操縱變量應(yīng)對裝置中其他控制系統(tǒng)的影響和關(guān)聯(lián)較小，不會對其他控制系統(tǒng)的運行產(chǎn)生較大的干擾簡單控制系統(tǒng)第三節(jié)滯后對控制系統(tǒng)的影響定值控制系統(tǒng)的特點是能適應(yīng)給定值和擾動兩者的變化，使被控變量趨向于給定值。但在控制系統(tǒng)的一些環(huán)節(jié)中存在滯后時將嚴重影響調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)。如在測量變送單元中存在滯后，它就不能將被控變量的變化及時地、如實地送到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器仍按過時的信號來工作

6、，導(dǎo)致過渡過程時間加長，超調(diào)量增加。如果調(diào)節(jié)器輸出的氣動信號管路過長，調(diào)節(jié)閥膜頭上的空間容積較大，這樣必然使調(diào)節(jié)閥動作遲緩，不能及時產(chǎn)生校正作用，同樣會使調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞。簡單控制系統(tǒng)第三節(jié)滯后對控制系統(tǒng)的影響常用措施 合理選擇測量元件的安裝位置，減少測量變送單元的純滯后（工藝）選取小惰性的測量元件，減少時間常數(shù)（儀表）采用氣動繼電器，閥門定位器（儀表）從控制規(guī)律上采取措施（自控）簡單控制系統(tǒng)第四節(jié)調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比可調(diào)比可調(diào)比的定義調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比是指調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量和最小流量的比例，用R 來表示理想可調(diào)比理想可調(diào)比R當(dāng)調(diào)節(jié)閥工作在理想狀態(tài)，即閥門兩端的壓降恒定不變時，它的可調(diào)比稱為理想可調(diào)比

7、常用的調(diào)節(jié)閥理想可調(diào)比R 為30 50 。簡單控制系統(tǒng)第四節(jié)調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比實際可調(diào)比實際可調(diào)比R實串聯(lián)管道時如圖3 1-13 所示，調(diào)節(jié)閥與工藝管道相串聯(lián)，如系統(tǒng)總的壓降p為恒定，則在最大流量Qmax 時，管道壓降p管為最大，因而閥上壓降p閥必定為最小；在最小流量Qmin時，管道壓降p管為最小，閥上壓降p 閥為最大。圖1-4-1 調(diào)節(jié)閥與工藝管道相串聯(lián)簡單控制系統(tǒng)第四節(jié)調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比若用S 來表示調(diào)節(jié)閥全開時閥上壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即 顯然調(diào)節(jié)閥全關(guān)時閥上壓降Pmax近似于系統(tǒng)的總壓降P ，這樣簡單控制系統(tǒng)第四節(jié)調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比并聯(lián)管道時圖1-4-2 調(diào)節(jié)閥與工藝管道相并聯(lián)復(fù)雜控制系統(tǒng)第一節(jié)串

8、級控制系統(tǒng)圖2-1-1 管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)圖一、典型串級控制系統(tǒng)及其方框圖復(fù)雜控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)圖2-1-2串級控制系統(tǒng)的方框圖Gc-調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； Gv-調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)；Go-被控對象的傳遞函數(shù)；Hm-測量變送單元的傳遞函數(shù)r -給定值； C -測量值；復(fù)雜控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)二、串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)從總體上來看仍然相當(dāng)于一個定值控制系統(tǒng)，但由于它在結(jié)構(gòu)上增加了一個隨動的副回路，因此具有如下兩個特點。對于克服副回路的干擾有較強的能力對于克服主回路的干擾也有好處復(fù)雜控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)三、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則副回路應(yīng)力求包括主要的干擾，即變化頻

9、繁、幅度較大的干擾，如有條件還應(yīng)盡可能包括其他次要的干擾，這樣能充分發(fā)揮副回路的作用，把影響主被控變量的干擾作用抑制到最低程度。應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)有合適的搭配，一般希望主對象的時間常數(shù)為副對象時間常數(shù)的34 倍，這樣可以避免主、副回路互相影響，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，也便于調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。副回路的構(gòu)成應(yīng)考慮它在工藝上的合理性。在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的工作性質(zhì)不一樣，主調(diào)節(jié)器起定值控制的作用，而副調(diào)節(jié)器起隨動控制的作用；主被控變量一般不允許有余差，而副被控變量往往允許在一定范圍內(nèi)波動。復(fù)雜控制系統(tǒng)第二節(jié)比值控制系統(tǒng)一、幾種常見的比值控制方案1、單閉環(huán)比值按制系統(tǒng)圖2-2-1單閉環(huán)比值控制系

10、統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第二節(jié)比值控制系統(tǒng)2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)圖2-2-2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第二節(jié)比值控制系統(tǒng)3、串級比值控制系統(tǒng)圖2-2-3 氧化爐溫度氨空比串級控制系統(tǒng)1-過濾器； 2-氧化爐； 3-預(yù)熱器； 4-鼓風(fēng)機； 5-混合器復(fù)雜控制系統(tǒng)第二節(jié)比值控制系統(tǒng)4、帶邏輯提量的比值控制系統(tǒng)圖2-2-4 帶邏輯提量的串級比值控制系統(tǒng)1低選器； 2高選器； 3適配器； 4反作用調(diào)節(jié)器； 5汽包； 6蒸汽鍋爐復(fù)雜控制系統(tǒng)第二節(jié)比值控制系統(tǒng)二、主、從被控變量的選擇 在一個比值控制系統(tǒng)中，由于主被控變量的變化，可以通過比值控制使從被控變量發(fā)生相應(yīng)的成比例的變化，而從被控變寰的變化卻不能反過來

11、，使主被控變量發(fā)生絲毫的變化，因而就應(yīng)從安全的角度出發(fā)來選擇主、從安全的角度出發(fā)來選擇主、從被控變量從被控變量。復(fù)雜控制系統(tǒng)第三節(jié)均勻控制系統(tǒng)圖2-3-1 脫丙燒塔的出料直接作為脫丁燒塔的進料復(fù)雜控制系統(tǒng)第三節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制的目的和任務(wù)均勻控制要完成的任務(wù)就是保持塔釜的液位或者容器的壓力在一定的控制范圍以內(nèi)，同時又要兼顧到它所操縱的流量，讓它逐步地、平滑地變化，不至于影響下一個設(shè)備的操作。顯然均勻控制既不是要嚴格保持液位在某一個給定值上，也不是嚴格控制流量在另一個給定值上，而是要兼顧液位和流量的矛盾，讓它們都在各自要求的控制范圍內(nèi)變化。對這個控制范圍，不同的工藝過程要求不一樣，有的嚴

12、，有的寬。根據(jù)不同的要求可以設(shè)計不同復(fù)雜程度的均勻控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)第三節(jié)均勻控制系統(tǒng)二、均勻控制方案的實施1. 簡單均勻控制系統(tǒng)圖2-3-1 中脫丙燒塔塔釜的液位控制系統(tǒng)是簡單均勻控制系統(tǒng)。從外表上看，它與單純液位控制系統(tǒng)沒有任何差別，但根據(jù)它們完成的任務(wù)不同，主要的差別在于液位測量變送器量程的確定，以及調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)的整定上。復(fù)雜控制系統(tǒng)第三節(jié)均勻控制系統(tǒng)2. 串級均勻控制系統(tǒng)圖2-3-2 乙烯精餾塔回流罐液位串級均勻控制系統(tǒng)1乙烯精餾塔； 2回流罐復(fù)雜控制系統(tǒng)第三節(jié)均勻控制系統(tǒng)3.雙沖量均勻控制系統(tǒng)圖2-3-3 雙沖量均勻控制系統(tǒng)圖中有一個加法器，加法器的輸出等于液位測量信號減去

13、流量測量信號，再加上一個固定偏置信號C ，把加法器的輸出送到流量調(diào)節(jié)器，作為流量控制的測量值。調(diào)節(jié)可調(diào)偏置C，使穩(wěn)態(tài)時的液位L 和流量F 都為工藝要求的值。復(fù)雜控制系統(tǒng)第四節(jié) 分程控制系統(tǒng)一、分程控制系統(tǒng)的基本概念和應(yīng)用場合在簡單控制系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器的輸出只帶動一個調(diào)節(jié)閥。而在分程控制系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器的輸出去帶動兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥工作，每個調(diào)節(jié)閥僅在調(diào)節(jié)器輸出的某段信號選圍內(nèi)動作。分程控制在石油化工生產(chǎn)中主要應(yīng)用在下列場合復(fù)雜控制系統(tǒng)第四節(jié) 分程控制系統(tǒng)、能適應(yīng)工藝要求，采用兩種或多種手段、介質(zhì)來進行控制圖2-4-1 反應(yīng)器溫度與夾套溫度串級分程控制系統(tǒng)圖復(fù)雜控制系統(tǒng)第四節(jié) 分程控制系

14、統(tǒng)2、滿足工藝生產(chǎn)不同負荷和開、停車過程對自控的要求圖2-4-2 去一段爐燒嘴燃料氣壓力分程控制系統(tǒng)3、擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比復(fù)雜控制系統(tǒng)第四節(jié) 分程控制系統(tǒng)二、設(shè)計分程控制系統(tǒng)時應(yīng)注意的問題、調(diào)節(jié)閥的泄漏量當(dāng)分程控制系統(tǒng)的目的是用于擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比時，一個口徑較大的閥與一個口徑較小的閥并聯(lián)在一起工作，如果大閥全關(guān)后實際泄漏量過大時，小閥在小開度時將不能起調(diào)節(jié)作用，達不到理論計算所得出的擴大可調(diào)比的倍數(shù)。、在分程控制的信號接合部流量會產(chǎn)生跳變復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自動選擇性控制系統(tǒng)圖2-5-1 選擇反應(yīng)器熱點溫度的控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自動選擇性控制系統(tǒng)圖2-5-2 用于兩個反應(yīng)器負荷平衡控制的

15、閥位開度選擇性串級控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第六節(jié)前饋控制系統(tǒng)一、反饋控制的特點前面所提到的各類控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器都是按給定值與測量值之差，即按按偏差來進行工作的偏差來進行工作的，這就是根據(jù)反饋原理工作的控制系統(tǒng)。但是在一些純滯后時間長、時間常數(shù)大、干擾幅度大的對象中，反饋控制的品質(zhì)往往不能令人滿意，究其原因，主要還是為反饋控制本身的特點所決定。這些特點是：、反饋控制的性質(zhì)本身意味著必須存在被控變量的偏差方能進行控制，因而是不完善的；、調(diào)節(jié)器必須等待被控變量偏離給定值后才開始改變輸出，對純滯后時間長、時間常數(shù)大的對象，它的校正作用起步較晚，并且對應(yīng)一定幅值的干擾，它不能立即提供一個精確的輸出，只是在

16、正確的方向上進行試探，以求得被控變量的測量值與給定值相一致，這種嘗試的方法就導(dǎo)致了被控變量的振蕩；、如果干擾的頻率稍高，這種嘗試的方法由于來回反復(fù)試探，必然使系統(tǒng)很難穩(wěn)定。復(fù)雜控制系統(tǒng)第六節(jié)前饋控制系統(tǒng)二、前饋控制適用的場合為：、當(dāng)對象的純滯后時間特別大，時間常數(shù)特別大或者特別小，采用反饋控制難以得到滿意的調(diào)節(jié)品質(zhì)時；、干擾的幅度大，頻率高，雖然可以測出，但受工藝條件的約束，例如工藝生產(chǎn)的負荷；、某些分子量、粘度、組分等工藝變量，往往找不到合適的檢測儀表來構(gòu)成閉合的反饋控制系統(tǒng)，此時只能采取對主要干擾加以前饋控制的方法，來減少或消除干擾對它們的影響。復(fù)雜控制系統(tǒng)第六節(jié)前饋控制系統(tǒng)圖2-6-1

17、熱交換器的前饋反饋控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第六節(jié)前饋控制系統(tǒng)圖2-6-2 把蒸汽流量前饋移到給定回路中去的汽包液位三沖量控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)其他復(fù)雜控制采用計算單元的控制系統(tǒng)：非線性控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)預(yù)測控制系統(tǒng)多輸出控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)極值控制系統(tǒng)最優(yōu)時間控制系統(tǒng)典型生產(chǎn)單元的控制方案第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制圖3-1-1 電機泵調(diào)速典型生產(chǎn)單元的控制方案第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制圖3-1-2 直接節(jié)流法控制流量典型生產(chǎn)單元的控制方案第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制圖3-1-3 旁路法控制流量典型生產(chǎn)單元的控制方案第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制圖3-1-4 離心泵出有分支的控制典型生產(chǎn)

18、單元的控制方案第二節(jié) 傳熱設(shè)備的控制一、熱交換器的控制圖3-2-1 控制裁熱流量控制方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第二節(jié) 傳熱設(shè)備的控制一、熱交換器的控制圖3-2-2 調(diào)載熱流量串級方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第二節(jié) 傳熱設(shè)備的控制二、蒸發(fā)器的控制圖3-2-3 某廠糖液蒸發(fā)器控制方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第二節(jié) 傳熱設(shè)備的控制三、干燥器的控制圖3-2-4 流化床干燥器控制流程典型生產(chǎn)單元的控制方案第二節(jié) 傳熱設(shè)備的控制四、加熱爐的控制圖3-2-前饋串級控制方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第三節(jié)鍋爐設(shè)備的控制一、汽包水位的控制圖3-3-1 第一種三沖量水位控制系統(tǒng)方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第三節(jié)鍋爐設(shè)備的控

19、制一、汽包水位的控制圖3-3-2 第二種三沖量水位控制系統(tǒng)方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第三節(jié)鍋爐設(shè)備的控制一、汽包水位的控制圖3-3-3 第三種三沖量水位控制系統(tǒng)方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第三節(jié)鍋爐設(shè)備的控制二、過熱蒸汽系統(tǒng)的控制圖3-3-4過熱蒸汽溫度串級控制方案1一段過熱器； 2減溫器； 3 二段過熱器典型生產(chǎn)單元的控制方案第三節(jié)鍋爐設(shè)備的控制三、鍋燃燒系統(tǒng)的控制圖3-3-蒸汽壓力與燃空比控制方案（并聯(lián)式燃空比）典型生產(chǎn)單元的控制方案第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的控制一、化學(xué)反應(yīng)器的基本控制方案、質(zhì)量指標的控制）直接質(zhì)量指標控制方案。在化學(xué)反應(yīng)器控制方案設(shè)計中，控制指標的選擇是一個關(guān)鍵，一般來說，在可能的條件下，應(yīng)該首選反映化學(xué)反應(yīng)過程直接指標的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)品的組分作為被控變量。典型生產(chǎn)單元的控制方案第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的控制圖3-4-1 變換爐出口一氧化碳含量控制方案典型生產(chǎn)單元的控制方案第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的控制2）間接質(zhì)量指標控制方案。用直接質(zhì)量指標進行控制當(dāng)然是最好的，然而有時往往很難找到反應(yīng)靈敏、分析可靠而及時的分析器。因此，在大多數(shù)情況下都是選用反應(yīng)溫度作為間接的控制指標。因為控制住了反應(yīng)溫度，不但控制住了反應(yīng)速度，而且還能保持反應(yīng)的熱平衡。如在聚合反應(yīng)中，反應(yīng)溫度可以代表聚合度；在氧化反應(yīng)中應(yīng)溫度代表