过程控制系统及仪表第简单控制系统.pptx
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1、1第3篇 过程控制系统第6章 简单控制系统第7章 复杂控制系统第8章 先进控制系统自动化自动化仪表仪表“化工仪表自动化化工仪表自动化”第1页/共53页2PID如如何选择何选择?气开、气气开、气关如何选关如何选择?择?第第6章章 简单控制系统简单控制系统须解决的几个问题:须解决的几个问题:操纵操纵变量变量如何选如何选择?择?如何选如何选择?择?如何构如何构成负反成负反馈?馈?测量仪测量仪表如何表如何选择?选择?第2页/共53页3 第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统p什么是简单控制系统?什么是简单控制系统?简单控制系统简单控制系统,又称为单回路反馈控制系统,是,又称为单回路反馈控制系统,是指
2、由指由一个测量变送器一个测量变送器、一个控制器一个控制器、一个执行器一个执行器和和一个被控对象一个被控对象组成的组成的单回路闭环负反馈控制系统单回路闭环负反馈控制系统。第3页/共53页4例:第4页/共53页5例:第5页/共53页6p从上述例子可以看出:从上述例子可以看出:p简单控制系统是按负反馈的原理,根据偏差进行工简单控制系统是按负反馈的原理,根据偏差进行工作的,组成自动化装置各环节的设备数量均为一个,作的,组成自动化装置各环节的设备数量均为一个,它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。p简单控制系统特点:简单控制系统特点:具有结构简单、工作可靠、所具有结
3、构简单、工作可靠、所需自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优需自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优点,是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。点,是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。第6页/共53页7PID如如何选择何选择?气开、气气开、气关如何选关如何选择?择?操纵操纵变量变量如何选如何选择?择?如何选如何选择?择?如何构如何构成负反成负反馈?馈?问题一:被控变量的选择问题测量仪测量仪表如何表如何选择?选择?第7页/共53页8p被控变量的选择可以遵循下面几个原则:被控变量的选择可以遵循下面几个原则:1 1、能直接反映生产能直接反映生产过程过程产量和质量的工艺参数作为被产
4、量和质量的工艺参数作为被 控变量控变量。第8页/共53页9p被控变量的选择可以遵循下面几个原则:2、当不能用直接参数作为被控变量时,选择与直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控变量。例:苯、甲苯二元精馏控制系统第9页/共53页10例:例:苯、甲苯二元精馏系统示意图苯、甲苯二元精馏系统示意图无浓度无浓度传感器传感器苯苯甲苯甲苯第10页/共53页11在二元精馏系统中,塔顶易挥发物组分的浓度在二元精馏系统中,塔顶易挥发物组分的浓度X XD D,塔顶温度塔顶温度T TD D和压力和压力P P三者之间有一定关系三者之间有一定关系。当压力恒。当压力恒定时,组分定时,组分 X XD D和温度和温度T TD
5、 D之间存在单值对应关系。之间存在单值对应关系。当当温度温度TD 恒定时,组分恒定时,组分XD和压力和压力P之间也存在单值对之间也存在单值对应关系。应关系。塔压固定有利于生产,所以:选择塔板温度作为间塔压固定有利于生产,所以:选择塔板温度作为间接被控变量。接被控变量。第11页/共53页12p被控变量的选择可以遵循下面几个原则:3、选择间接参数作为被控变量时,应该具有足够大灵 敏度,以便能反映直接指标参数的变化。、注意控制系统间的关联问题,选择的被控变量应该是独立可调的。解决办法:解耦控制系统第12页/共53页13PID参参数如何数如何选择?选择?气开、气气开、气关如何选关如何选择?择?操纵操纵
6、变量变量如何选如何选择?择?如何选如何选择?择?如何构如何构成负反成负反馈?馈?问题二:操纵变量的选择问题测量仪测量仪表如何表如何选择?选择?第13页/共53页14p选择操纵变量的原则:选择操纵变量的原则:1 1操纵变量必须是可控的。操纵变量必须是可控的。第14页/共53页15p选择操纵变量的原则:选择操纵变量的原则:2 2操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和生操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和生产的经济性。产的经济性。3 3操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。(要求调节通道:放大系数更加灵敏。(要求调节通道:放大系数K K较大,时较
7、大,时间常数间常数T T较小,纯滞后时间较小,纯滞后时间越小越好越小越好)操纵变量干扰变量第15页/共53页16PID如如何选择何选择?气开、气气开、气关如何选关如何选择?择?操纵操纵变量变量如何选如何选择?择?如何选如何选择?择?如何构如何构成负反成负反馈?馈?问题三:测量仪表如何选择?测量仪测量仪表如何表如何选择?选择?第16页/共53页17一、测量变送问题对控制质量的影响一、测量变送问题对控制质量的影响 p关键问题:关键问题:测量变送中的纯滞后问题测量变送中的纯滞后问题测量纯滞后是指:被控变量受干扰后,测量环节不能立测量纯滞后是指:被控变量受干扰后,测量环节不能立即检测,而是隔一段时间后
8、才反映出被控变量的变化。即检测,而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。p造成测量纯滞后的原因有:造成测量纯滞后的原因有:(1)测量元件安装位置不当,远离被控变量的灵敏测量元件安装位置不当,远离被控变量的灵敏 变化区;变化区;(2)受到工艺条件的限制,无法将测量元件安装在)受到工艺条件的限制,无法将测量元件安装在 理想的测量点;理想的测量点;(3)成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后;)成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后;(4)测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后;)测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后;(5)测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。)测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。
9、第17页/共53页18二、克服测量变送问题的措施二、克服测量变送问题的措施1选择快速测量元件选择快速测量元件p某化工厂有一反应器,如某化工厂有一反应器,如图图 6-8 所示。所示。工艺要求反工艺要求反应温度在给定值的应温度在给定值的3以内,以内,产品质量符合要求。产品质量符合要求。用时间常数用时间常数 100 秒传感秒传感器测温,反应温度在器测温,反应温度在2之之内,产品总不合格,说明实内,产品总不合格,说明实际温度波动已超出工艺范围。际温度波动已超出工艺范围。改用时间常数为改用时间常数为 5 秒热电偶测温,反应温度波动仍在秒热电偶测温,反应温度波动仍在2之内,但产品质量符合要求。之内,但产品
10、质量符合要求。第18页/共53页192 选好检测点位置选好检测点位置 检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有代表性的位置。代表性的位置。3 正确使用微分单元正确使用微分单元 若测量滞后大,可串接微分单元。若测量滞后大,可串接微分单元。4 正确选择、安装和使用测量装置正确选择、安装和使用测量装置正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小到最低限度,有利于提高控制精度和质量。到最低限度,有利于提高控制精度和质量。第19页/共53页20PID如如何选择何选择?气开、气气开、气关如何选关如何选择?择?操纵操纵变量变
11、量如何选如何选择?择?如何选如何选择?择?如何构如何构成负反成负反馈?馈?问题四:执行器如何选择?测量仪测量仪表如何表如何选择?选择?第20页/共53页21一、一、阀流量特性的选择阀流量特性的选择第21页/共53页22执行器:为保证加热炉的安全,防止加热炉加热管烧执行器:为保证加热炉的安全,防止加热炉加热管烧坏,选用坏,选用气开式气开式。二、执行器开、闭形式的选择二、执行器开、闭形式的选择p气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统中,选用气开式还是气关式,主要由具体的生产工艺来中,选用气开式还是气关式,主要由具体的生产工艺来决定。决定。例:如
12、图所示加热炉,为保证加热炉的安全,防止加热炉加热管烧坏第22页/共53页23从锅炉安全考虑,防止因断水导致锅炉烧爆,应从锅炉安全考虑,防止因断水导致锅炉烧爆,应选择选择气关式气关式。若考虑锅炉后续透平设备的安全,防止蒸汽带液,若考虑锅炉后续透平设备的安全,防止蒸汽带液,应选应选气开式气开式。例:例:透平透平设备设备第23页/共53页24 执行器:当在气动阀供气中断时,防止储罐物料全部执行器:当在气动阀供气中断时,防止储罐物料全部流走,采用流走,采用:练习题:气开式第24页/共53页25执行器选择几条原则:1、首先要考虑生产的安全。2、有利于保证产品的质量。3、有利于降低原料成本和节能。选择时还
13、需注意两点:1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结果。在这种情况下,首先考虑生产的安全性。2.由于工艺要求不同,同一个执行器可以有两种不同的选择结果。第25页/共53页26PID如如何选择何选择?气开、气气开、气关如何选关如何选择?择?操纵操纵变量变量如何选如何选择?择?如何选如何选择?择?如何构如何构成负反成负反馈?馈?问题五:控制器PID如何选择?测量仪测量仪表如何表如何选择?选择?第26页/共53页27一、控制规律的选择一、控制规律的选择 1 1 比例控制规律比例控制规律(P)P)具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。u u是输出变化
14、量,是输出变化量,e是输入变化量是输入变化量,Kc为比例放大为比例放大系数。系数。p比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大,比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大,控制要求不高,被控变量允许在一定范围内有余差的场控制要求不高,被控变量允许在一定范围内有余差的场合。合。第27页/共53页28 2 比例积分控制规律比例积分控制规律(PI)具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器。器。式中式中Ti为积分时间。为积分时间。p比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。适用于调节通道滞后较小
15、、负荷变化不大、被控变量又适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。不允许有余差的场合。第28页/共53页293 3 比例积分微分控制规律(比例积分微分控制规律(PIDPID)具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为 PID PID 控制器,又称三作用控制器。控制器,又称三作用控制器。式中式中Td 为微分时间。为微分时间。p适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。对控制质量要求较高的场合。第29页/共53页30PID如如何选择何选择?气开、气气开、气关
16、如何选关如何选择?择?操纵操纵变量变量如何选如何选择?择?如何选如何选择?择?如何构如何构成负反成负反馈?馈?问题六:如何构成负反馈控制系统?测量仪测量仪表如何表如何选择?选择?第30页/共53页31控制器正反作用的选择判别准则:系统中各环节规定符号的乘积为负,则该系统为负反馈系统。满足判别式:(控制器)(执行器)(被控对象)(变送器)=()第31页/共53页32一、各环节正负的定义:一、各环节正负的定义:执行器:执行器:阀门开度随控制器输出信号的增加而增大阀门开度随控制器输出信号的增加而增大(气开式)为(气开式)为“+”,开度随控制器输出信号的增加,开度随控制器输出信号的增加而减小(气关式)
17、为而减小(气关式)为“”;对象:对象:被控变量随操纵变量的增加而增加为被控变量随操纵变量的增加而增加为“+”,随操纵变量的增加而减小为随操纵变量的增加而减小为“”;变送器变送器:变送器输出随被控变量的增加而增加为:变送器输出随被控变量的增加而增加为“+”,随被控变量的增加而减小为,随被控变量的增加而减小为“”。通常情。通常情况下变送器环节取况下变送器环节取“+”;第32页/共53页33 二、控制器正、反作用的确定二、控制器正、反作用的确定 p工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式。方式。p控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不同控制器设置正、
18、反作用的目的是为了适应对不同被控对象实现闭环负反馈控制的需要。被控对象实现闭环负反馈控制的需要。控制器:控制器:控制器的输出信号随着被控变量的增大控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时,控制器工作于正作用方式为而增加时,控制器工作于正作用方式为“+”;控;控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时,控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时,控制器工作于反作用方式为制器工作于反作用方式为“”。第33页/共53页34执行器执行器为保证加热炉的安全,选用气开式,其符号为保证加热炉的安全,选用气开式,其符号为为“+”。对象对象出口温度随燃料的增加而升高,符号为出口温度随燃料的增加而升高,符号为“+”
19、。变送器变送器输出信号随温度的升高增加,符号为输出信号随温度的升高增加,符号为“+”。p为了使各环节的总乘积为负,控制器的符号必须为为了使各环节的总乘积为负,控制器的符号必须为“”,所以应该选择反作用控制器。,所以应该选择反作用控制器。举例:1,从加热炉安全考虑,防止炉内管线烧裂,选择气开,气关阀?2,选择控制器+-,构成负反馈。第34页/共53页35 执行器执行器为了防止在供气中断时物料全部流走,采用了为了防止在供气中断时物料全部流走,采用了 气开式,故符号为气开式,故符号为“+”。对象对象当流出量增加,液位是下降的,符号取为当流出量增加,液位是下降的,符号取为“”。变送器变送器输出信号随液
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