DCS单回路控制系统设计.docx

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1、DCS 单回路掌握系统设计第五章 单回路掌握系统设计n 本章提要1. 过程掌握系统设计概述2. 单回路掌握系统方案设计3. 单回路掌握系统整定4. 单回路掌握系统投运5. 单回路掌握系统设计原则应用举例n 授课内容第一节过程掌握系统设计概述 单回路反响掌握系统-又称简洁掌握系统，是指由一个被控过程、一个 检测变送器、一个掌握器和一个执行器所组成的对一个被控变量进展掌握的单回路反响闭环掌握系统。 单回路反响掌握系统组成方框图： 简洁掌握系统是实现生产过程自动化的根本单元、其构造简洁、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的掌握要求、因此在工业生产小应用格外广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后

2、和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓， 或者掌握质量要求不太高的场合。 过程掌握系统设计和应用的两个重要内容：掌握方案的设计、调整器整定参数值确实定。 过程掌握系统设计的一般要求：l 过程掌握系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。l 系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。 过程掌握系统设计的根本方法：设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机关心设计等。 过程掌握系统统设计步骤：l 建立被控过程的数学模型l 选择掌握方案l 建立系统方框图l 进展系统静态、动态特性分析计算l 试验和仿真 过程掌握系统设计的主要内容：l 掌握方案的设计：核心，包括合理选

3、择被控参数和掌握参数、信息的猎取和变送、调整阀的选择、调整器掌握规律及正、反作用方式确实定等。l 工程设计：包括仪表选型、掌握室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。l 工程安装和仪表调校l 调整器参数工程整定：保证系统运行在最正确状态。其次节单回路掌握系统方案设计1. 被控参数的选择 选取被控参数的一般原则为：l 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有打算性作用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。l 当不能用直接参数作为被控参数时，应中选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。l 被控参数必需具有足够大的灵敏度。l 被控参数的选择必需考

4、虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。2. 掌握参数的选择 需要正确选择掌握参数、调整器调整规律和调整阀的特性。 当工艺上允许有几种掌握参数可供选择时，可依据被控过程扰动通道和掌握通道特性，对掌握质量的影响作出合理的选择。所队正确选择掌握参数就是正确选择掌握通道的问题。 扰动作用 由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定性 掌握作用由掌握通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。 在生产过程有几个掌握参数可供选择时，一般期望掌握通道抑制扰动的校正力量要强，动态响应要比扰动通道快。f 可由过程静态特性的分析扰动通道静态放大倍数K 、掌握通道静态放

5、大倍数K 、过程扰动通道动态特性的分析时间常数 T 、时延 、扰动作用点位置、off过程掌握通道动态特性的分析时间常数To、时延 包括纯时延 0、容量时延 c、时间常数匹配确定各参数选择原则。 依据过程特性选择掌握参数的一般原则：ol 掌握通道参数选择：选择过程掌握通道的放大系数K要适当大一些，时间常数 To 要适当小一些。纯时延 0 愈小愈好，在有纯时延 0 的状况下，0与 To 之比应小些小于 1，假设其比值过大，则不利于掌握。l 扰动通道参数选择：选择过程扰动通道的放大系数Kf 应尽可能小。时间常数 Tf 要大。扰动引入系统的位置要远离掌握过程即靠近调整阀。容量时延 c 愈大则有利于掌握

6、。l 时间常数匹配：广义过程(包括调整阀和测量变送器)由几个一阶环节组成， 在选择掌握参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常 数比其他时间常数大得多，同时留意减小其次、第三个时间常数。l 留意工艺操作的合理性、经济性。3. 系统设计中的测量变送问题 被控参数的测量和变送必需快速正确地反映其实际变化状况，为系统设计供给准确的掌握依据。 测量和变送环节的描述：KW (s) =mTmme-t ssm+ 1 参数选择原则：减小 Tm 和 m 均对提高系统的掌握质量有利。假设 Tm 较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应削减仪表的量程，即

7、增大K 。m 系统设计测量和变送中涉及的问题：l 信号滤波l 信号处理l 纯时延问题l 测量时延问题l 信号传送时延问题：信号传递时延将降低掌握质量。比照可实行以下改善措施：i. 假设测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘四周，以缩短气压信号的传送距离ii. 假设调整器输出为气压信号，可在 5060 m 距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，以减小传递时间。iii. 假设调整器输出为电信号，应将转换器安装在调整阀四周，或承受电气阀门定位器。4. 调整阀执行器的选择 调整阀类型的选择：气动执行器和电动执行器 调整阀口径Dg、dg大小的选择：主要依据是阀的流通力量。正常工况下要求调整阀开度

8、处于 1585之间。 调整阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。 调整阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调整器(假设比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调整阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而到达系统总放大倍数不变的目的。5. 调整器掌握规律的选择 目的：为了使调整器的特性与掌握过程的特性能很好协作，使所设计的系统能满足生产工艺对掌握质量指标的要求。 调整器PID 掌握规律对掌握质量的影响：l 当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时(即 0To 很小)，引入微分作用其效果良好。此时各类调整

9、器掌握规律对掌握质量的影响为：比例积分微分(PID)作用最好，比例微分PD作用较好，比例P作用次之，比例积分PI作用较差。l 当过程掌握通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对掌握质量的影响不利。l 当过程掌握通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路掌握系统已不能满足工艺要求，需承受其他掌握方案。 调整器掌握规律的选择原则：tT依据 0 比值选择掌握规律：0l t 0 0.2 时，选用比例或比例积分掌握规律；T0l 0.2 t 0 1时，单回路反响掌握系统已不能满足掌握要求，应依据具体状况，T0承受其他掌握方式。依据过程特性选择掌握规律：l 比例掌握规律：适用于掌

10、握通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，掌握质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的掌握和不太重要的蒸汽压力的掌握等。l 比例积分掌握规律：引入积分作用能消退余差。适用于掌握通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的掌握。l 比例微分掌握规律：引入了微分，会有超前掌握作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了掌握过程，改善了掌握质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避开使用微分作用。l 比例积分微分掌握规律：可以使系统获得较高的掌握质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、掌握质量要求较

11、高的场合，如反响器、聚合釜的温度掌握。6. 调整器正、反作用确实定 正作用指调整器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而增加，即调整器的输出随着测量值增大而增大。 反作用指调整器的输出随着正偏差的增加而减小，即调整器的输出随着测量值增大而削减。 调整器作用方向确定的原则：应依据被控过程的特性及调整阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动掌握系统成为一个负反响的闭环系统，即假设被控变量偏高，则掌握作用应使之降低；相反，假设被控变量偏低，则掌握作用应使之上升。掌握作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。 掌握系统各环节的极性的规定：l 正作用调整器：即

12、当系统的测量值增加时，调整器的输出亦增加，其静态放大系数K 取负；cl 反作用调整器：即当系统的测量值增加时，调整器的输出减小，其静态放大系数K 取正；cl 气开式调整阀：其静态放大系数K 取正；vl 气关式调整阀：其静态放大系数K 取负；vl 正作用被控过程：其静态放大系数K 取正；0l 反作用被控过程：其静态放大系数K 取负。0过程掌握系统要能正常工作，则该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必需为正。变送器的静态放大系数 K 通常为正极性，故只需调整器 K 、mc调整阀K 和过程的K 极性相乘起来必需为正即可。v0 确定调整器正、反作用的次序过程：l 首先依据生产工艺安全等

13、原则确定调整阀的气开气关形式；l 然后按被控过程特性，确定其正、反作用；l 最终依据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必需为正的原则来确定调整器的正、反作用方式。第三节单回路掌握系统整定1. 有关单回路掌握系统整定的概述 T系统整定-指选择调整器的比例度s 、积分时间 T 和微分时间的具体Id数值。系统整定的实质，就是通过转变掌握参数使调整器特性和被控过程特性协作好，来改善系统的动态和静态特性，求得最正确的掌握效果。 系统的良好掌握效果一般要求：瞬时响应的衰减率y 0.750.9以保证系统具有肯定的稳定性储藏，尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。 留意：只有

14、系统设计正确，仪表经过调校和正确安装之后，调整器参数的整定才是有意义的。 调整器参数的整定方法：可分为两大类l 理论计算整定法：如根轨迹法、频率特性法等。这类整定方法要求过程的数学模型。其计算繁琐，工作量很大，而且最终得到的数据一般精度又不高，所以目前在工程上较少承受。l 工程整定方法：如动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。它直接在过程掌握系统中进展。其方法简洁，计算简便，而 且简洁把握，所得参数虽然不肯定为最正确，但是有用，能解决一般性问题， 所以在工程上得到了广泛应用。l 计算机仿真寻优整定法：承受最优积分准则。来求调整器的整定参数的最优值的方法。2. 理论计算整定

15、法介绍根轨迹法 根轨迹作图整定方法原理：应用根轨迹作图方法的原则来选择调整器的PID 参数，使系统特征方程中对瞬态响应起主导作用的根满足某一指定要求，从而使系统的瞬态响应到达指定的性能指标。 单回路反响掌握系统根轨迹的根本方程式：W (s)W (s) = W(s) = -10K 根轨迹上各点(即系统特征方程式的根)应满足以下条件：l 幅角条件： WK(s) = (2N + 1)180 ，N0，1，l 模值条件：| W(s) |= 1K 系统整定时，W (s)为，调整器 W(s)的形式已定，但比例度 ，积分时间 T 、0I微分时间T 待定。d 利用根轨迹作图方法可以定出开环增益和一个或两个可变开

16、环零点、极点的适当位置，使系统特征方程的主导复根位于根平面确定的折线上，从而求出调整器的整定参数值和主导复根。 比例调整器时的根轨迹作图整定方法：1比例调整器传递函数： W (s) =d只有一个待定参数比例度满足指定衰减率 的主导复根的位置是唯一的，只要找出根轨迹与指定折线的交点，然后用模值条件即可求出比例调整器的整定参数值。举例：例 5-1 比例微分调整器时的根轨迹作图整定方法：比例微分调整器传递函数：W (s) =参数比例度，微分时间T d1 (1 + Tdds) = Tdd(s + 1Td)有两个待定在求调整器的整定参数时，首先要确定此可变零点的位置，从而求出微分时间T 值。然后再依据模

17、值条件求出比例皮度。但是必需留意一点转变 T 值不仅转变dd了系统开环零点的位置，而且也转变了系统的开环增益。举例：例 5-2 比例积分调整器时的根轨迹作图整定方法：111(s + 1 )T比例积分调整器传递函数： W (s) =参数比例度，积分时间T Id (1 + T s ) = dII有两个待定s求取积分时间T 、比例度 的步骤：Il 在根平面上求出 T 时比例调整器所构成的系统特征方程的主导复根Il= -mwpp+ jw 。pl 同样的系统改用比例积分调整器后，经整定后的主导振荡成分频率w低pI于w。通常 m=0.221即衰减率 0.75时，wppI= (0.75 0.85)w。p据此

18、即可定出主导复根 lpI= -mwpI+ jwpI在根平面上的位置 ( l与pIl在同一条m 值的斜线上)。pl 由l和幅值条件定出( - 1 ，j0)零点，求出积分时间T pITI1值。l 依据模值条件求出比例度 值。举例：例 5-3 比例积分微分调整器时的根轨迹作图整定方法：比例积分微分调整器传递函数：W (s) =1 (1 + Td *dd* s +1)T * sITT令d *=;T * = FT ;T * =d ; F = 1 +d ，则有：FIIdFTI11T(s + 1T)(s + 1 )TW (s) = d(1 + Tds)(1 +T s ) = ddIdI有三个待定参数-s比例

19、度，微分时间T ，积分时间T dI求取步骤：l 用调整器W(s)中的一个零点( - 1，j0)去抵消W (s)中的一个极点；T0dl 把减小一个极点后的 W (s)作为被控过程，依据整定比例积分调整器的方0法，选择调整器W(s)的另一个零点( -1，j0)，并求出调整器W(s)的比TI例度；l 依据上述步骤求得的、T 、T 值，按式计算调整器的整定参数*、T *、IdIT *值。d举例：例 5-43. 工程整定方法 动态特性参数法 动态特性参数法依据系统开环广义过程阶跃响应特性进展近似计算的方法。原理：在调整阀WV(s)的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器Wm(s)的输出响应曲线，0依据该曲线

20、求出代表广义过程的动态特性参数(t 过程的时延，T 一过程的时间常数，e 一一过程响应速度)，然后依据这些参数的数值，分别应用阅历公式计算出调整器的整定参数值。举例：例 5-5 边界稳定条件下的试验整定方法临界比例度法特点：直接在闭合的掌握系统中进展整定，而不需要进展过程动态特性的试验。整定步骤：l 把调整器的积分时间 T 置于最大(T )，微分时间 T 置零(T 0)，比例IIdd度 置较大数值，把系统投入闭环运行，然后将调整器比例度 由大逐渐减小，得到临界振荡过程，登记临界比例度d和临界振荡周期T值。KKl 依据d和T值，运用阅历公式计算出调整器各个参数、T 、T 值。KKIdl 依据上述

21、计算结果设置调整器的参数值。观看系统的响应过程，假设记录曲线不合要求，再适当调整整定参数值。 阻尼振荡法衰减曲线法整定步骤：4：1 衰减曲线法l 把调整器的积分时间 T 置于最大(T )，微分时间 T 置零(T 0)，比例IIdd度 置较大数值，把系统投入闭环运行，重复做扰动试验，然后将调整器比例度 由大渐渐减小，直至记录曲线消灭 4：1 的衰减为止，登记d 和sT 值。如以下图：sl 依据d 和T 值，运用阅历公式计算出调整器各个参数、T 、T 值。ssIdl 依据上述计算结果设置调整器的参数值。观看系统的响应过程，假设记录曲线不合要求，再适当调整整定参数值。 现场试验整定法在现场的应用中，

22、将调整器的整定参数按先比例、后积分、最终微分的程序置 于某些阅历数值后，再作给定位扰动，观看系统过渡过程曲线。假设曲线还不够抱负，则转变调整器的 、T 、T 值，进展反复凑试，以寻求最正确的整定参数，直到掌握Id质量符合要求为止。具体做法略4. 计算机仿真寻优整定法 略第四节单回路掌握系统投运 掌握系统的投运指当系统设计、安装完毕，或者经过停车检修之后，使控制系统投入使用的过程。1. 预备工作l 生疏生产工艺过程l 生疏掌握方案l 全面检查过程检测掌握仪表l 进展仪表联调试验2. 系统投运l 检测系统投入运行l 调整阀手动遥控l 调整器投运(手动自动)第五节单回路掌握系统设计原则应用举例1.喷雾式枯燥设备掌握系统设计 生产工艺简况介绍： 系统掌握方案设计l 被控参数选择：选枯燥器的温度为被控参数；l 掌握参数选择：选择旁路空气量为掌握参数的方案为最正确；l 过程检测掌握仪表的选用：依据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合(DDZ)仪表。包括测温元件及变送器被控温度在600以下，选用热电阻温度计、调整阀选气关形式、对数流量特性、公称直径和阀心直径的尺寸、调整器可选用 PI 或 PID 掌握规律、正作用调整器。 温度掌握流程图及其掌握系统框图： 调整器参数整定