化工仪表及自动化第6章 简单控制系统

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。
图6-9 简单控制系统的分析简化框图
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 Nhomakorabea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 6.4.2 6.4.3
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
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
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。
测量元件时间常数对控制系统的影响 测量元件输出信号传递滞后对控制系统的影响 执行元件对控制系统的影响
6.4.1 测量元件时间常数对控制系统的影响
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。
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 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：
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
6.3 简单控制系统的方案设计
6.3.1 6.3.2 6.3.3
被控变量的选择 操纵变量的选择 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6-1 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 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。
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 6.6.2 6.6.3
临界比例度法 衰减曲线法 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 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。
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 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 晶、易凝固的物料时，调节阀应选用气关式。
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。 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。