項目六單回路控制設計6.2

主編倪志蓮龔素文機械工業(yè)出版社過程控制與自動化儀表過程控制與自動化儀表26.2簡單控制系統(tǒng)6.2.1簡單控制系統(tǒng)的組成簡單控制系統(tǒng)是指由一個測量元件及變送器、一個控制器、—個控制閥和一個被控對象所構成的閉環(huán)負反饋的定值系統(tǒng)。過程控制與自動化儀表3液位控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)6.2簡單控制系統(tǒng)6.2.1簡單控制系統(tǒng)的組成過程控制與自動化儀表46.2.2過程控制系統(tǒng)的設計概念準備工作首先要求自動控制系統(tǒng)設計人員在掌握較為全面的自動化專業(yè)知識的同時，也要盡可能多地熟悉所要控制的工藝裝置對象；其次，要求自動化專業(yè)技術人員與工藝專業(yè)技術人員進行必要的交流，共同討論確定自動化方案；第三，一定要遵守行業(yè)相關的標準、行規(guī)，按科學合理的程序進行。6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表56.2簡單控制系統(tǒng)6.2.2過程控制系統(tǒng)的設計概念1．設計內容1）確定控制方案2）儀表及裝置的選型3）相關工程內容的設計4）工程安裝與儀表調試5）控制器參數(shù)工程整定過程控制與自動化儀表66.2簡單控制系統(tǒng)2．設計步驟1）初步設計初步設計的主要目的是上報審批，并為訂貨做準備。2）施工圖設計是在項目和方案獲批后，為工程施工提供有關內容詳細的設計資料。3）設計文件和責任簽字包括設計、校核、審核、審定、各相關專業(yè)負責人員的會簽等，以嚴格把關，明確責任，保持協(xié)調。4）參與施工和試車設計代表應該到現(xiàn)場配合施工，并參加試車和考核。5）設計回訪在生產裝置正常運行一段時間后，應去現(xiàn)場了解情況，聽取意見，總結經驗。過程控制與自動化儀表76.2.3簡單控制系統(tǒng)控制方案設計簡單控制系統(tǒng)方案設計的主要內容包括：合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)，信息的獲取與變送，控制閥的選擇，控制器參數(shù)的整定及控制規(guī)律的選取等方面。6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表81．被控變量的選擇1）盡量選擇對產品的產量和質量、安全生產、經濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可按工藝操作的要求直接測量的工藝參數(shù)（如溫度、壓力、流量等）作為被控變量；2）當不能用直接測量的參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關系、滿足工藝的合理性的間接參數(shù)作為被控變量；3）被控變量必須具有足夠大的靈敏度且線性度好，滯后要小，以利于得到高精度的控制質量；4）必須考慮工藝流程合理性和自動化儀表及裝置的現(xiàn)狀。6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表9從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因

在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經濟性。在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應關系。所選變量有足夠的靈敏度。6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表106.2.3簡單控制系統(tǒng)控制方案設計2．操縱變量的選擇6.2簡單控制系統(tǒng)

在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。最常見的操縱變量是介質的流量。操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定過程控制與自動化儀表116.2.3簡單控制系統(tǒng)控制方案設計2．操縱變量的選擇1）操縱變量必須是工藝上允許調節(jié)的變量。2）操縱變量應該是系統(tǒng)中所有被控變量的輸入變量中對被控變量影響最大的一個?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)K要盡量大一些，時間常數(shù)T要適當小些，滯后時間應盡量小。3）不宜選擇代表生產負荷的變量作為操縱變量，以免產量受到波動。6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表12舉例精餾塔流程圖

如果根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板（一般為靈敏板）的溫度作為被控變量。6.2簡單控制系統(tǒng)2．操縱變量的選擇過程控制與自動化儀表13影響提餾段溫度的各種因素示意圖影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有：進料的流量（Q入）、成分（x入）、溫度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液溫度（T回）、加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。

通過工藝分析，選擇蒸汽流量作為操縱變量。

6.2簡單控制系統(tǒng)2．操縱變量的選擇過程控制與自動化儀表146.2簡單控制系統(tǒng)6.2.3簡單控制系統(tǒng)控制方案設計3．控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇（1）控制規(guī)律的選擇1）位式控制器常見的位式控制有雙位和三位兩種。適用于：滯后較小，負荷變化不大也不劇烈，控制質量要求不高，允許被控變量在一定范圍內波動的場合，如恒溫箱、電阻爐等的溫度控制。過程控制與自動化儀表15簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖2）比例控制器

比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。對于單元組合儀表適用于：

控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。

6.2簡單控制系統(tǒng)3．控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇（1）控制規(guī)律的選擇過程控制與自動化儀表16

控制器的輸出與偏差成比例。當負荷變化時，比例控制器克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采用的。純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時存在余差。負荷變化越大，余差就越大。比例控制器特點6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表173．控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇（1）控制規(guī)律的選擇3）比例積分控制器比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器?？烧{整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）和積分時間TI。適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表18

由于在比例作用的基礎上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調量和振蕩周期都相應增大，過渡過程的時間也加長。

比例積分控制器特點6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表19

由于在比例作用的基礎上加上微分作用，會有超前控制作用。使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小。加快控制過程，改善控制質量，故比例微分控制適用于過程容量滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動作用頻繁的系統(tǒng)，應盡可能避免使用微分控制。比例微分控制器特點6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表205）比例積分微分控制器

比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。理想的三作用控制器，存在可調整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）、積分時間TI和微分時間TD。6.2簡單控制系統(tǒng)3．控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇（1）控制規(guī)律的選擇過程控制與自動化儀表21

微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當調整δ、TI、TD參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質量。適用于

容量滯后較大、負荷變化大、控制質量要求較高的系統(tǒng)，應用最普遍的是溫度、成分控制系統(tǒng)。6.2簡單控制系統(tǒng)比例積分微分控制器特點過程控制與自動化儀表226.2簡單控制系統(tǒng)3．控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇

控制器的正反作用是關系到控制系統(tǒng)能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。作用的方向輸入變化后，輸出的變化方向。正作用方向反作用方向當某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向。當環(huán)節(jié)的輸入增加時，輸出減少的稱“反作用”方向。過程控制與自動化儀表23測量元件及變送器作用方向一般是“正”的。執(zhí)行器作用方向取決于是氣開閥還是氣關閥。被控對象作用方向隨具體對象的不同而各不相同?？刂破?/p>

當給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測量值增加時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。6.2簡單控制系統(tǒng)3．控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇（2）控制器作用方向的選擇過程控制與自動化儀表24舉例一個簡單的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。

對象加熱爐

操作變量燃料氣流量

被控變量被加熱的原料油出口溫度加熱爐出口溫度控制6.2簡單控制系統(tǒng)過程控制與自動化儀表256.2簡單控制系統(tǒng)

當操縱變量燃料氣流量增加時，被控變量是增加的，故對象是“正”作用方向。如果從工藝安全條件出發(fā)選定執(zhí)行器是氣開閥（停氣時關閉），以免當氣源突然斷氣時，控制閥大開而燒壞爐子。那