仪表自动化基础知识ppt课件.ppt

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1、燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z中石化催化裂化装置高级技师培训班z技师/高级技师要会初级工、中级工、高级工和技师/高级技师所有的题库内容。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心简单调节系统简单调节系统z又称单回路反馈控制系统，是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器和一只调节阀所组成的单回路闭合控制系统。它是石油、化工等许多部门生产过程中最常见、应用最广泛、数量最多的控制系统。简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程控制要求，因而应用很广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后小，时间常数小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对

2、被控变量要求不太高的场合。简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分等五种控制系统。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 中间贮槽液位人工调节示意图燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心自动调节系统方块图燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z 任何一个简单的自动调节系统，可以概括成由两大部分组成：一部分是为实现自动调节所必须的自动化装置；另一部分是自动化装置控制下的生产设备。z 最基本的自动化装置主要由三部分构成：z 测量元件与变送器：其作用就是测量并将测量结果转化为一种特定的信号，传送给自动调节器。z 自动调节器：

3、接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将结果用特定信号发送给执行器。z 执行器：根据自动调节器发出的信号改变阀门的开启度。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z简单控制系统由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心自控系统基本类型自控系统基本类型燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心(1).(1).被控对象和过程变量被控对象和过程变量术语介绍术语介绍燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心(2). (2). 自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定

4、的自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的 输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节 输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节 例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器用调节器燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0 0，不，不是静止）。是静止）。 若控制系统是稳定的，设设定值和干扰都保持不变，经若控制系统是稳

5、定的，设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对相对”平衡状态，这种状态就是所谓的平衡状态，这种状态就是所谓的“静态静态”，或称为，或称为“稳态稳态”。：被控变量随时间变化的不平衡状态。：被控变量随时间变化的不平衡状态。 如果系统原来处于静态，当出现干扰使被控变量发生变如果系统原来处于静态，当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，改变调节器输出，使被控变量化，此时控制系统发生作用，改变调节器输出，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统

6、控制、直到重新建立平衡的过程称为重新建立平衡的过程称为“动态动态”过程。过程。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心过渡过程受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。非周期衰减过程 衰减振荡过程 等幅振荡过程 发散振荡过程 单调发散过程 X XX X？一般是不允许的除开关量控制回路X X燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心品质指标 过渡过程品质指标示意图燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心最大偏差最大偏差 z在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值A，上图所示。当然，最大偏差是越小越好，其值越大就表示被调参数偏离给定值也越大，偏离的时间也越长。

7、即系统离开规定的工艺参数指标也越远，但不能超过工艺规定的被调参数的短暂最大偏离值，否则就会影响产品质量或引起事故。故工艺技术人员和操作人员，要提出允许最大偏差值。z有时也用超调量B来表示被调参数偏离给定值的程度，即图中第一个峰值A与新稳定值C的差值，即B=A-C。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心衰减比衰减比 z衰减比是表示过渡过程振荡剧烈程度的一个指标。用它可以判断是否衰减以及衰减的程度，实际上就是判断调节系统能否建立新的平衡状态，以及建立平衡状态的快慢程度。z衰减比就是衰减振荡过程前后两个波的峰值之比，在上图中，就是B:B，习惯上表示为n:1。一般希望衰减比为4:1，即被调参数在经过

8、两个波峰以后就可以认为是稳定下来了。根据工艺情况不同，一般取n为4到10之间。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心余差和过渡时间余差和过渡时间 当过渡过程结束后，被调参数的新稳态值与给定值的差值，叫做余差。在上图中以C表示。一般希望余差越小越好，但在实际生产中也并不是要求任何调节系统的余差都很小。 从干扰作用发生的时刻起，直到系统又建立新的平衡稳态值的5这一范围之内所经历的时间，叫过渡时间或调节时间，如上图中的Tp。显然，过渡时间力求短一些为好。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心振荡周期振荡周期z振荡周期Ts就是衰减过程振荡一次所需要的时间，即被调参数变化从第一个波峰到同侧第二个波峰

9、之间的时间。在相同的衰减比下，例如4：1，参数都是经过两次振荡之后就可以回到稳态值，因此振荡周期短，则被调参数达到稳态值的时间就短，一般希望Ts小一点，但也不能太小，否则被调参数波动频率就高，仪表的工作就频繁，会使仪表使用寿命缩短。 z以上五项指标中，只有余差是静态特性，其余的都是属于动态特性。 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心常见执行器常见执行器u 接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量的目的。在过程控制领域应用很少在过程控制领域应用很少u 分类分类按使用的能源形式：按使用的能源形式：燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z电磁阀是利用

10、电磁力的作用，推动阀芯换位，以实现气流或液流换向的阀类。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心执行器的组成执行器的组成z气动执行器（调节阀）由执行机构（膜头）和调节机构（阀体）组成。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心u 气动薄膜式执行机构基本结构气动薄膜式执行机构基本结构气源 PO气源PO燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心u 气动活塞式执行机构基本结构和工作原理气动活塞式执行机构基本结构和工作原理基本部件：活塞和气缸活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行活塞两侧的操作

11、压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。 P1P2燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心薄膜式和活塞式薄膜式和活塞式 薄膜式 活塞式 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心调节机构调节机构 z调节机构（阀体）是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀座内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。 z按照不同的使用要求，调节阀主要有以下几种:直通单座调节阀、直通双座调节阀、角型调节阀、高压调节阀、隔膜调节阀、 蝶

12、阀、三通调节阀、球阀、偏心旋转阀、笼式阀（套筒阀）。 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z偏心阀特别适用于高粘度，高压差，流通能力大，以及调节系统要求密封，可调范围宽（100：1）的场合。z控制阀所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值，称为控制阀的可调范围或可调比。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心正反作用正反作用z正作用（正装）： 阀芯向下，流通面积减少 z反作用（反装）： 阀芯向上，流通面积增大燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心反作用：反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀 正作用：正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，

13、即流过执行器的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀u 执行器的作用方式u 调节阀阀芯的正反装正装：正装：调节阀阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间的流通面积减小。反装：反装：调节阀阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间的流通面积增大。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心执行机构和阀体的组合形式执行机构和阀体的组合形式 图号执行机构阀体气动调节阀(a)正作用正装气关式(b)正作用反装气开式(c)反作用正装气开式(d)反作用反装气关式燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 选用原则：选用原则：从安全生产的角度来确定正反作用。从安全生产的角度来确定正反作用。信号压信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全，如

14、阀门处于打开力中断时，应保证设备和操作人员的安全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。 另外，还要考虑：另外，还要考虑： 事故状态下，减少原料或动力消耗，保证产品质量；事故状态下，减少原料或动力消耗，保证产品质量； 考虑介质的特性。考虑介质的特性。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z储罐液位调节系统，当调节阀装在出口管线上时，应选风开式调节阀。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心流量特性流量特性z 直线：阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。在流量小时，流量变化的相对值大；

15、在流量大时，流量变化的相对值小。也就是说，当阀门在小开度时控制作用太强；而在大开度时控制作用太弱，不利于控制系统的正常运行。z 等百分比（对数）：阀的相对开度与相对流量成对数关系。在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；流量大时，流量变化大，控制灵敏有效。 z 抛物线：阀的相对流量与相对开度成抛物线关系，介于直线与对数之间。 z 快开 ：在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化大，；流量大时，流量变化小，当阀门在小开度时控制作用太强；而在大开度时控制作用太弱，只适用于特殊要求的场合。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z调节器的调节规律，是指调节器的输入和调节器的调节规律

16、，是指调节器的输入和输出之间的关系。输出之间的关系。z调节器的输入信号是给定值调节器的输入信号是给定值x(tx(t) )与测量值与测量值y(ty(t) )之差，即偏差之差，即偏差e(te(t) )。z e(te(t) )x(t)- y(tx(t)- y(t) )z调节器的输出信号是送到执行机构的控制调节器的输出信号是送到执行机构的控制命令命令p(tp(t) )。因此，调节器的输出信号。因此，调节器的输出信号p(tp(t) )随输入信号随输入信号e(te(t) )变化的规律，即调节器的变化的规律，即调节器的调节规律。调节规律。PIDPID控制器控制器燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z调节

17、器的基本调节规律有比例，积分和微分等几种。工业上所用的调节规律是其基本规律之间不同的组合。不同的调节规律适用不同特性和要求的工艺生产过程。若对调节器的选用不当，不是白白增加投资，就是不能满足工业生产要求。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z双位调节的动作规律是当测量值大于给定值时，调节器的输出为最小（或最大），而当测量值小于给定值时，则输出为最大（或最小），即调节器只有两个输出值。相应的调节机构也只有开和关两个极限位置。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 输出信号的变化量与输入信号的变化量之间成比例关输出信号的变化量与输入信号的变化量之间成比例关系，这种控制规律称为系，这种控制规律

18、称为“纯比例控制纯比例控制” 比例控制器的作用是调整系统的开环比例系数，提高比例控制器的作用是调整系统的开环比例系数，提高系统的静态精度，加快系统的响应速度，但对于高于二阶系统的静态精度，加快系统的响应速度，但对于高于二阶的系统，比例系数过大会造成系统的不稳定。的系统，比例系数过大会造成系统的不稳定。 比例控制比例控制最大的优点最大的优点是反应快，控制作用及时是反应快，控制作用及时 最大的缺点最大的缺点是控制结果存在余差是控制结果存在余差燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心纯比例控制 用数学形式表示，可写成： P=Kpe 式中 P比例调节器的输出变化 Kp比例系数， e一调节器偏差输入值

19、在一般比例调节器的刻度盘上，都不直接用比例系数Kp作为刻度，而习惯用比例度(或称比例带，比例范围)来刻度。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心比例度的意义比例度的意义 z就是使调节器输出变化满刻度时，偏差输入对应于满刻度的百分数。是调节器放大倍数的倒数，即=1/Kp100%。比例度越小，调节器的放大倍数Kp就越大，它的动作就越灵敏。反之，比例度越大，放大倍数就越小，调节器的动作就越不灵敏。z调节器的比例作用功能有两点：一是把测量值和给定比较，得出偏差；二是发出一个与偏差大小成比例的输出信号去控制调节阀。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心调节器的输出是偏差随时间的积分调节器的输出是偏差

20、随时间的积分 积分控制器的作用是积分控制器的作用是消除系统的静态误差消除系统的静态误差，只要有偏差存，只要有偏差存在，调节器输出会不断变化，直到偏差为在，调节器输出会不断变化，直到偏差为0 0。但积分控制。但积分控制有时会改变系统的稳定性，降低系统响应速度，所以一有时会改变系统的稳定性，降低系统响应速度，所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。 积分控制积分控制最大的优点最大的优点是消除余差是消除余差最大的缺点最大的缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 比例积分

21、控制器由于有比例、积分两个可调参数，因此比例积分控制器由于有比例、积分两个可调参数，因此可兼有比例和积分两种控制器的优点，使系统既稳定又有较可兼有比例和积分两种控制器的优点，使系统既稳定又有较好的静态和动态性能，这种控制是工程上用途最为广泛的。好的静态和动态性能，这种控制是工程上用途最为广泛的。 比例加微分控制器所产生的控制作用反映了误差信号的比例加微分控制器所产生的控制作用反映了误差信号的变化率，微分使控制信号提前作用，使系统的响应振荡减轻，变化率，微分使控制信号提前作用，使系统的响应振荡减轻，过渡过程加快，对系统的稳定性有利。过渡过程加快，对系统的稳定性有利。优点优点: :只要偏差出现变化

22、只要偏差出现变化, ,就进行控制就进行控制, ,具有超前调节的特点具有超前调节的特点. .燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 缺点缺点: :假如偏差固定假如偏差固定, ,即使数值很大即使数值很大, ,微分作用也没微分作用也没有输出有输出, ,因而不能消除偏差因而不能消除偏差. . 在工业生产中，常将比例、积分、微分三种作用在工业生产中，常将比例、积分、微分三种作用规律结合起来，可以得到较为满意的控制质量，包括规律结合起来，可以得到较为满意的控制质量，包括这三种控制规律的控制器称为比例积分微分三作用控这三种控制规律的控制器称为比例积分微分三作用控制器，习惯上称为制器，习惯上称为PIDPID

23、控制器。控制器。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z比例(P):依偏差的大小来动作，越小作用越强。z积分(I):依偏差是否存在来动作，越小作用越强。z微分(D):依偏差变化速度来动作，越大作用越强。z参数过强，会引起振荡；过弱，不起作用。z比例度、积分时间、微分时间均应合适。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心调节参数整定z通过调节系统的工程整定，使控制器获得最佳参数，即过渡过程要有较好的稳定性与快速性。一般希望调节过程具有较大的衰减比，超调量要小些，调节时间越短越好，又要没有余差。对于定值控制系统，一般希望有4：1的衰减比，即过程曲线振动一个半波就大致稳定。如对象时间常数太大，调整

24、时间太长时，可采用10:1衰减。有了以上最佳标准，就可整定控制器参数在最佳值上。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z最常用的整定方法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法等。 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心临界比例度法z是应用较广的一种整定调节器参数的方法。它的特点是不需要求得被控对象的特性，而直接在闭环情况下进行参数整定。具体整定方法如下：先在纯比例作用下，即将控制器的Ti放到最大，Td置于零，逐步地减小比例度，直至系统出现等幅振荡为止，记下此时的比例度和振荡周期，分别称作为临界比例度k和临界振荡周期TK，K和TK就是控制参数整定的依据。然后可按表所列出的经验算式，分

25、别求出三种不同情况下的控制器最佳参数值。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心临界比例度法整定参数的经验算式表调节规律调节参数比例度,%积分时间Ti微分时间TdP2KPI2.2K0.85TKPID1.7K0.5TK0.125TK燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心衰减曲线法 z临界比例度法是要使系统产生等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较为简单，而且可直接求得调节器比例度。衰减曲线法分为4：1和10：1两种。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z4：1衰减曲线法：使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用给定值改变的方法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改

26、变比例度，使其出现4：1的衰减比为止。记下此时的比例度S(4:1衰减比例度)和它的衰减周期T S记。然后按下表的经验公式确定三种不同规律控制下的调节器的最佳参数值。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心4:1衰减曲线法算表调节规律%TiTdPSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1TS燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心例题例题z某串级控制系统采用两步整定法整定调节器参数，测得4：1衰减过程得参数为：.10%,40;100%,82211sTsTssss若已知主调节器选用PID规律，副调节器选用P规律，试求主、副调节器的参数值为多少？燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心解

27、：z按简单控制系统中4：1衰减曲线法整定参数的计算表，可计算出主调节器的参数值为：;101001.01.0;301003.03.0%;4.6%88.08.0111111ssTTssTTssIsz副调节器的参数值为：%4022s燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心10：1衰减曲线法z有的生产过程，由于采用4：1的衰减仍嫌振荡太强，则可采用10：1衰减曲线法。方法同上，使被控变量记录曲线得到10：1的衰减时，记下这时的比例度S使和上升时间TS 。然后再按下表经验公式来确定调节器的最佳参数值。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心10:1衰减曲线法算表调节规律%TiTdPSPI1.2S2 TS

28、PID0.8S1.2 TS0.4 TS燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z 采用衰减曲线法时必须注意以下几点:z加给干扰不能太大，要根据工艺操作要求来定，一般为5%左右（全量程），但也有特殊的情况。z必须在工况稳定的情况下才能加设干扰，否则得不到较正确的S 、TS值。z对于快速反应的系统，如流量、管道压力等控制系统，想在记录纸上得到理想的4：1曲线是不可能的。此时，通常以被控变量来回波动两次而达到稳定，就近似地认为为4：1的衰减过程。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心经验法z经验法是根据参数整定的实际经验，对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等四大控制系统进行调节。将调节器参数预

29、先放置在常见范围的某些数值上，然后改变设定值，观察控制系统的过渡过程曲线。如过渡过程曲线不够理想，则按一定的程序改变控制器参数，这样反复凑试，指导满意的控制质量为止。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心各种控制系统PID参数经验数据表被控变量调节器参数,%TI，minTd，min温度20603100.53液位208015压力30700.43流量401000.11燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z用经验凑试法整定PID参数，在整定中观察到曲线最大偏差大且趋于非周期过程，需要把比例度（B）。 A.增大 B.减小 C.增加到最大 D.减小到最小燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心调节

30、系统的投运 z简单调节系统的投运是指当系统设计、安装就绪，或者经过停车检修之后，使控制系统投入使用的过程。z简单调节系统的投运步骤：z1.现场手动操作现场手动操作z2.2.手动遥控手动遥控z3.由手动遥控切换到自动由手动遥控切换到自动 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心练练 习习1.比例度越小，调节器的放大倍数的变化（ B ）。 A.越小 B. 越大 C. 不变 D. 先变大后变小2. 自动调节系统中，调节器的调节作用是( BCD )。 A. 微积分作用 B. 积分作用 C. 微分作用 D. 比例作用3. 按照工艺过程需要控制的参数值变化来分类,可将自动调节系统分为( ACD )。 A.

31、 定值调节系统 B. 变值调节系统 C. 程序调节系统 D. 随动调节系统燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心练练 习习4. 仪表自动化，就是在化工生产设备上配置一些自动化仪表，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。（）5.在化工生产过程中，测量仪表对工艺进行自动测量的四大参数是压力、温度、流量、液位。（）6.如果一个调节器的输出同时送往（ 两个）或更多的调节阀，而各个调节阀的（工作范围）不同，这样的系统叫做( C )系统。 A. 定值调节系统 B. 随动调节系统 C. 分程调节系统 D. 程序调节系统燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心练练 习习7. 当测量值本身

32、波动较大时，不宜加微分, 微分作用要合适，过大会引起振荡。 （）8. 仪表自动化指的是什么? 答：所谓仪表自动化，就是在化工生产设备上配置一些自动化仪表，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。9. 何为串级控制系统？简要说明串级调节系统的投用过程。 答：串级控制系统是以主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 首先将主控制器给定开关置于内给定，副控制器的给定开关置于外给定，主副控制器切换开关均置于手动位置。先手动操作副环，稳定后，投副环自动，最后投主环自动。10.自动操作是用仪表模拟

33、手动操作的过程。（）11.停仪表风时，干燥岗位将系统内各调节仪表由自动改为手动。（）练练 习习燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心常见复杂控制形式常见复杂控制形式燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 简单控制系统解决了大量的参数定值控制问题。但是，随着生产过程的大型化和复杂化，有些问题用简单控制系统是不能解决的。需要引入更为复杂的控制系统：串级控制系统、分程控制系统等。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉的温度控制系统控制通道过程分析：主要问题：滞后太大，控制不及时，误差长时间不能克服，导致不符合工艺要求。燕山石化教育燕山石化教

34、育培训中心培训中心 被控变量的偏差，都是由于各种扰动引起的，如果能将这些扰动控制住，则可以减小被控变量的波动。分析：燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心该加热炉的主要扰动有： 燃料压力的波动、燃料热值的波动、原料流量的调整或波动、原料入口温度的波动等。 如果我们对每种扰动都进行控制，肯定满足工艺要求。但是，这样控制系统就变得非常复杂、成本大大提高。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心实际工业控制过程对控制系统的要求：在满足工艺要求的前提下，尽可能简单、经济。 人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以使被控变量达到较高的控制精度的方法串级控制系统。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中

35、心串级控制系统的思想：把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 加热炉的温度控制 炉膛温度到被控变量 TM的设备 从燃料量到炉膛温度 Ts 的设备 出口温度 T 炉膛温度TS 出口温度 T 燃料 燃料 被控对象 1 被控对象 2 加热炉控制过程分解燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 加热炉温度串级控制系统 T 被加热原料被加热原料 TMC TMT 燃料油燃料油 出口温度出口温度 TST TSC 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 加热炉温度串级控制系统方块图加热炉温度串级控制系统方块图 u rS eM yM rM TMC T

36、SC =TM 控制阀 温度对象 1 温度对象 2 TS测量变送 TM测量变送 出 口 温度 TM 干扰 f1 干扰 f2 干扰 f3 炉 膛 温度 TS - yS eS - q 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心串级控制系统组成原理及术语 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测量、变送 主测量、变送 主被控 变量 干扰 干扰 - 副测量值 - 副回路（副控制系统） 主回路 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心将原被控对象分解为两个串联的被控对象。以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成一个副回路（简

37、单控制系统）。将原被控变量作为主被控变量构成主回路。主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。(1) 组成原理燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心(2) 串级控制系统术语主变量主变量：生产过程所需要控制的工艺参数，在串级：生产过程所需要控制的工艺参数，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。控制系统中起主导作用的被控变量。副变量副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要引入的辅助变量。需要引入的辅助变量。主对象主对象：主变量表征其特性的生产设备或生产过程。：主变量表征其特性的生产设备或生产

38、过程。副对象副对象：副变量表征其特性的工艺生产设备。：副变量表征其特性的工艺生产设备。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 副控制器副控制器：其给定值来自主控制器的输出，并按其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的控制器副变量的测量值与给定值的偏差而工作的控制器（又名（又名随动控制器）随动控制器）。 主控制器：主控制器：按主变量的测量值与给定值偏差而工按主变量的测量值与给定值偏差而工作，其输出作为副变量给定值的控制器（作，其输出作为副变量给定值的控制器（主导控制主导控制器）。器）。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 主回路主回路：由主变量的测量变送装置，主

39、、副控由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。也称为制器，执行器和主、副对象构成的外回路。也称为外环或主环。外环或主环。 副回路副回路：由负变量的测量变送装置、副控制器、由负变量的测量变送装置、副控制器、执行器和副对象所构成的内回路。也称为内环或副执行器和副对象所构成的内回路。也称为内环或副环。环。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 主测量值、副测量值：主测量值、副测量值：相应被控变量的测量值。相应被控变量的测量值。 主设定值、副设定值：主设定值、副设定值：主设定值是主被控变量的主设定值是主被控变量的期望值，由主控制器内部设定。副设定值由主控制期望值，由主控

40、制器内部设定。副设定值由主控制器的输出信号提供。器的输出信号提供。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心结论结论： 串级控制系统，副环的增加使得整个系统克服扰串级控制系统，副环的增加使得整个系统克服扰动的能力更强、作用更及时，控制性能明显提高。动的能力更强、作用更及时，控制性能明显提高。 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 系统特点系统特点(1)(1)分级控制思想分级控制思想将一个控制通道较长的对象分将一个控制通道较长的对象分解为两个对象。解为两个对象。(2)(2)串级系统结构串级系统结构两个对象、两个控制器、两个测量变送器、一两个对象、两个控制器、两个测量变送器、一个执行器。组成二个

41、闭合回路。主、副调节器串联，个执行器。组成二个闭合回路。主、副调节器串联，主调节器的输出作为副调节器的给定值。主调节器的输出作为副调节器的给定值。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心(3)(3)系统的工作方式系统的工作方式副环是随动控制系统；主环副环是随动控制系统；主环是定值控制系统。主、副回路协同工作，克服干扰是定值控制系统。主、副回路协同工作，克服干扰能力强，可用于不同负荷和操作条件变化的场合。能力强，可用于不同负荷和操作条件变化的场合。(4)(4)控制性能控制性能由于副回路的引入，改善了对象特由于副回路的引入，改善了对象特性，系统对于扰动反映更及时，可有效地克服滞后，性，系统对于扰动

42、反映更及时，可有效地克服滞后，提高控制性能。提高控制性能。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心将主控制器的设定值设定为内设定方式，副控制将主控制器的设定值设定为内设定方式，副控制器设定为外设定方式；器设定为外设定方式；在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使主被控变量在主设定值附近稳定下来；主被控变量在主设定值附近稳定下来；将副控制器切入自动；将副控制器切入自动；最后将主控制器切入自动。最后将主控制器切入自动。DDZ-DDZ-仪表投运步骤：仪表投运步骤：燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 适用场合：对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁，采用简

43、单控制质量较差，或要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能工艺满足要求。串级控制系统复杂控制系统中应用最多的一种。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)(CV)与控制与控制变量变量(MV)(MV)都有都有平稳平稳的要求。的要求。 均匀控制指的是均匀控制指的是控制功能控制功能，而不是控制方案。因为就系，而不是控制方案。因为就系统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要识别控制方案是否起均匀控制作用，应从系统。所以要识别控制方案是否起均匀控制

44、作用，应从控制的目的控制的目的进行确定。进行确定。 均匀控制的特点均匀控制的特点燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心LC塔甲塔乙单回路均匀控制系统LCh(t)qo(t)塔甲FC塔乙串级均匀控制系统燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 通过控制器通过控制器参数参数的设置，而不是改变控制系统的结构，的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现前后两个变量间的相互协调。来实现前后两个变量间的相互协调。 参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。 控制器参数一般都采用纯比例作用

45、，且控制器比例度控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放得很大，以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，放得很大，以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分作用。为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分作用。 均匀控制系统小结均匀控制系统小结燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符使生产能安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统比值控

46、制系统。通常为。通常为流量比值控制。流量比值控制。单闭环比值控制双闭环比值控制燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 分程控制系统z两个阀门定位器分别为：z2058KPaz62100KPa燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心给定给定对象对象控制器控制器控制阀控制阀A A控制阀控制阀B B测量、变送测量、变送分程控制系统方块图分程控制系统方块图燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 分程控制系统分程控制系统分程控制的特点 分程控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀； 分程控制系统中控制器按输出信号的不同区间去控制不同的阀门； 分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位

47、器来实现（也可由集散控制系统(DCS )中的分程模块来实现）。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 前馈控制比反馈控制前馈控制比反馈控制及时及时，并且不受系统滞后大小，并且不受系统滞后大小的限制。的限制。 前馈控制属于前馈控制属于开环开环控制控制 一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰 在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。使输出不受或少受外部扰动的影响。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心反馈控制方案反馈控制方案TC蒸汽凝液工艺介质cp, RF , T1T2HV, RV蒸汽凝液工艺介质

48、cp, RF , T1T2HV, RVFFRF前馈控制方案前馈控制方案燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心蒸汽蒸汽进料进料出料出料换热器前馈反馈控制系统换热器前馈反馈控制系统燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z复杂控制系统的分类包括（A，B，D）。 A.前馈控制 B.比值控制 C.过程控制 D.选择控制燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z比值控制系统的类型有（A，B，C，D）。 A.开环比值 B.单闭环比值 C.双闭环比值 D.变比值燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心z三冲量控制实际上是前馈加反馈控制系统。燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心定义：计算机控制定义：计算

49、机控制就是利用就是利用计算机计算机实现工业生产实现工业生产过程的过程的自动控制自动控制。计算机控制系统计算机控制系统=自动化技术自动化技术+计算机技术计算机技术 计算机控制系统的组成和发展计算机控制系统的组成和发展燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 数/模 转换器 数/模 转换器 多路采样保持器 数字控制器 测量 保持器 模/数 转换器 保持器 执行器 执行器 测量 生产过程 给定值 计算机控制系统框图计算机控制系统框图燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 计算机控制系统典型结构图计算机控制系统典型结构图 数/模 转换器 采样保持器 数字 控制器 测量变送 模/数 转换器 保持器 执

50、行器 给定值 多路开关 对象 被控变量 数字计算机 燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心组成：被控对象、测量变送、控制器及执行器组成：被控对象、测量变送、控制器及执行器连续控制系统连续控制系统 计算机控制系统计算机控制系统相似点：相似点： 组成相同组成相同不同点：不同点： 模拟控制器模拟控制器 数字控制器数字控制器 多路开关、采样保持器、多路开关、采样保持器、A/D、D/A燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心 DDC DCS PLC FCS CIMS CIPS 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展燕山石化教育燕山石化教育培训中心培训中心DCSDCS及其特点及其特点istribute