单回路控制综合系统原理.doc

单回路控制系统原理一、 过程控制特点和其它自动控制系统相比，过程控制关键特点是：1、系统由工业上系列生产过程检测控制仪表组成。一个简单过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表（包含测量元件，变送器、调整器和调整阀）两部分组成。图1：液位控制系统HQ1Q2f（t）调整阀KV被控对象K0调整器KCx（t） e（t）p（t） q（t） y（t）z（t）测量变送KmKC：调整器静态放大系数KV：调整阀静态放大系数K0：被控对象静态放大系数Km：变送器静态放大系数2、被控对象设备是已知，对象型式很多，它们动态特征是未知或是不十分清楚，但通常含有惯性大，滞后大，而且多数含有非线性特征。3、控制方案多样性。有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统、；有模拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。这是其它自动控制系统所不能比拟。4、控制过程属慢过程，多半属参量控制。即需对表征生产过程温度、流量、压力、液位、成份、PH等进行控制。5、在过程控制系统中，其给定值是恒定（定值控制），或是已知时间函数（程序控制）。控制关键目标是在于怎样降低或消除外界扰动对被控量影响。工业生产要实现生产过程自动化，首先必需熟悉生产过程，掌握对象特点；同时要熟悉过程参数关键测量方法，了解仪表性能、特点，依据生产工艺要求和反馈控制理论分析方法，合理正确地构建过程控制系统；而且经过改变调整仪表PID特征参数，使系统运行在最好状态。过程控制系统品质是由组成系统对象和过程检测仪表各步骤特征和系统结构所决定。二、 单回路控制系统原理图1所表示单回路控制系统由对象、测量变送器、调整器、调整阀等步骤组成。因为系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足通常生产过程控制要求，所以应用十分广泛。单回路控制系统设计标准一样适适用于复杂控制系统设计，控制方案设计和调整器整定参数值确实定，是系统设计中两个关键内容。假如控制方案设计不正确，仅凭调整器参数整定是不可能取得很好控制质量；反之，假如控制方案设计很好，不过调整器参数整定不适宜，也不能使系统运行在最好状态。1、 选择被控参数对于一个生产过程来说，影响正常操作原因是很多，不过，并非对全部影响原因全部需要加以控制。选择被控参数通常标准为：1、选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护等含有决定性作用、可直接测量工艺参数为被控参数。2、当不能用直接参数（如测量滞后过大）作为被控参数时，应选择一个和直接参数有单值函数关系间接参数作为被控参数。3、被控参数必需含有足够大灵敏度。4、被控参数选择，必需考虑工艺过程合理性和所采取仪表性能。2、 选择控制参数若生产工艺有多个控制参数可供选择，通常期望控制通道克服扰动校正能力要强，动态响应应比扰动通道快。控制通道：是指调整作用和被控参数之间信号联络。即P（t）到y（t）。 扰动通道：是指扰动作用和被控参数之间信号联络。即f（t）到y（t）。扰动作用是由扰动通道对对象被控参数产生影响，使被控参数偏离给定值。引入控制作用目标是为了克服扰动作用影响，使被控参数恢复和保持在给定值上。而控制作用是由控制通道对对象被控参数施加影响，抵消扰动作用。选择控制参数通常标准为：1、选择控制通道静态放大系数K0要合适大部分，时间常数T0应合适小部分，纯滞后时间0则越小越好。2、选择扰动通道静态放大系数Kf应尽可能小，时间常数Tf应大些，扰动引入系统位置离被控参数越远，即越靠近调整阀，控制质量越好。3、当控制通道由多个一阶惯性步骤组成时，为了提升系统性能，应尽可能拉开各个时间常数。4、应注意工艺上合理性。3、 系统中测量及信号传输问题在过程控制系统中，测量变送步骤起着信息获取和传送作用。在具体分析测量变送步骤对控制质量影响时，常常碰到测量、变送和信息传送中滞后问题。因为它会引发控制指标下降，系统失调，甚至产生事故。测量变送中滞后包含测量滞后，纯滞后和信息传送滞后等，这些滞后均和测量元件本身特征、元件安装位置选择和信息传送方法相关。A、测量滞后测量滞后是测量元件本身特征所引发动态误差。比如用热电偶或热电阻测量温度时，因为其保护套管存在着热阻和热容，所以含有一定时间常数，测温元件输出信号总是滞后于被控参数改变，引发被控参数测量值和真实值之间产生动态误差，从而造成控制质量下降。为了克服测量滞后不良影响，在系统能够采取以下方法：1、合理选择快速测量元件。2、正确使用微分步骤。B、纯滞后纯滞后往往是由测量元件安装位置不妥而引入。在生产过程中，温度测量和成份分析最轻易引入纯滞后。微分作用对于纯滞后是无能为力。为了克服纯滞后影响，只有合理选择测量元件安装位置，尽可能减小纯滞后。当过程参数测量引发纯滞后较大时，单回路控制系统极难满足生产工艺要求，应考虑其它控制方案。C、信息传送滞后测量信息传送滞后，关键是指气动单元组合仪表输出信号在管路中传送所造成滞后。为了克服信号传送滞后，可采取以下方法：1、用气电和电气转换器，将气压信号转换为电信号再传送。2、在气压信号管路上设置气动继动器或气动阀门定位器，以增大输出功率，降低传送滞后。4、 控制规律选择调整器控制规律有百分比（P）、积分（I）、微分（D）这三种基础规律及其多种组合。百分比调整（P）：依据偏差大小来动作，其输出和输入偏差大小成正比。百分比调整立即、有力、但有余差。积分调整（Ti）：依据偏差是否存在来动作，它输出和偏差对时间积分成百分比，只有当余差消失时，积分作用才会停止。积分作用是消除余差，但积分作用使最大动偏差增大，延长了调整时间。积分时间越小表明积分作用越强，积分作用太强时会引发震荡。积分控制通常和百分比控制或微分控制联合作用，组成PI或PID控制。积分控制能消除系统稳态误差，提升控制系统控制精度。但积分控制通常使系统稳定性下降。Ti太小系统将不稳定；Ti偏小，震荡次数较多；Ti太大对系统性能影响降低。微分调整（Td）：依据偏差改变速度来动作，它输出和输入偏差改变速度成百分比，其作用是阻止被调参数一切改变，有超前调整作用，对滞后大对象有很好效果。它能够克服调整对象惯性滞后、容量滞后，但不能克服调整对象纯滞后。常见控制系统温度控制系统：时间常数通常较大，为几分钟到几十分钟。温度控制系统纯滞后通常也较大。为了改善温度控制系统品质，测量元件应选择时间常数小元件，并尽可能安装在测量纯滞后小地方，调整器通常选择PID调整器，合适引入微分作用，能够加紧调整作用，改善因系统时间常数较大对控制系统造成影响。压力控制系统：气体压力对象基础上是单容，时间常数和系统容积成正比，通常为几秒钟到几分钟，调整器常选择PI调整器，积分时间通常为几十秒到几分钟；液体压力对象含有不可压缩性，时间常数很小，通常为几秒钟，同时对象纯滞后时间很小，调整过程中被控变量振荡周期很短。调整器常选择PI调整器。流量控制系统：流量对象时间常数很小，通常为几秒，对象纯滞后时间也很小，调整过程中被控变量振荡周期也很短。调整器常选择PI调整器。液位控制系统：一个设备或储罐液位，代表了其流入量和流出量差累积。调整器常选择P或PI调整器。调整器参数整定调整器参数工程整定方法有响应曲线法、临界百分比度法、衰减曲线法和现场经验法。在现场我们使用是现场经验法来进行调整器参数整定。对于由百分比调整器组成过程控制系统，其整定参数只有一个百分比度，此时只需将百分比度由大逐步调小，观察系统过渡过程曲线，直到认为其曲线达成最好为止。对于由百分比积分调整器组成过程控制系统，其整定参数有百分比度和积分时间Ti。此时，首先将Ti，按纯百分比作用整定调整器百分比度，使其得到很好过渡过程曲线。然后，把百分比度放大约1.2倍，再引入积分作用并将积分时间从大到小进行调整，使其得到很好过渡过程曲线。最终，在这个积分时间下，再改变百分比度，观察其曲线改变情况，如曲线改变，就按此方向再整定百分比度；如曲线无改变，可将百分比度再减小一点，改变积分时间，观察曲线是否改变。这么反复数次，直到认为其曲线达成最好为止。对于由百分比积分微分调整器组成过程控制系统，先使微分时间Td=0，再按上述百分比积分调整器整定方法，得到较满意过渡过程曲线，然后引入微分作用，使微分时间由小到大进行调整，逐步凑试，直到得到最好整定参数值5、 调整阀特征选择调整阀是过程控制系统中一个关键组成步骤。调整阀选择关键是流量特征选择、流通能力选择、结构形式选择和开关形式选择。应依据对象特征、负荷改变情况和生产工艺要求出发，来确定所需要调整阀。关键介绍气动调整阀，正确选择气动调整阀应考虑工艺操作条件（温度、压力、流量、介质特征等）和过程控制系统质量要求。调整阀对经过流体流量控制是基于改变阀芯和阀座之间流通截面大小，即改变其阻力大小来达成。所以，从流体力学见解来看，调整阀是一个局部阻力能够改变节流元件。A、调整阀尺寸选择调整阀尺寸通常见公称直径D和阀座直径d来表示。D和d是依据计算出来流通能力C来选择。流通能力C表示调整阀容量，其定义为：调整阀全开，阀前、阀后压差为0.1MPa流体重度为1g/cm3时，每小时经过阀门流体流量m3数。C = Q r /（p1-p2）式中：r 流体重度； Q 流体体积流量p1-p2调整阀前后压差依据调整所需物料量Qmax、Qmin，流体重度r及调整阀上压降p1-p2能够求得最大流量、最小流量时Cmax和Cmin值。依据Cmax，在所选择产品型式标准系列中，选择大于Cmax值，并最靠近一级C值。B、气开、气关选择气动调整阀分气开、气关两种。有控制气压信号（即有输出信号）时阀开、无控制气压信号时阀关叫气开式；有控制气压信号（即有输出信号）时阀关、无控制气压信号时阀开叫气关式。在具体选择调整阀气开、气关形式时，应考虑以下情况1、考虑事故状态时人身和工艺设备安全2、在事故状态下降低生产原料或动力消耗浪费，和确保产品质量。3、考虑介质性质（预防物料结晶、凝固和堵塞）C、调整阀流量特征选择调整阀流量特征是指介质流过阀门相对流量和阀门相对开度之间关系。从过程控制角度来看，调整阀最关键特征是它流量特征。因为调整阀特征对整个过程控制系统品质有很大影响。不少控制系统工作不正常，往往是因为调整阀特征选择不适宜，或是阀芯在使用中受腐蚀、磨损使特征变坏引发。调整阀理想流量特征，就是在调整阀前后压差一定情况下得到流量特征。它取决于阀芯形状，阀芯形状有快开、直线、抛物线和等百分比四种。而在生产过程中，常常见有直线、等百分比和快开三种。抛物线流量特征通常可用等百分比特征来替换，快开特征常见于程序控制及二位式控制中。所以调整阀流量特征选择实际是直线和等百分比流量特征选择。调整阀流量特征选择标准：1、当对象放大系数为线性时，应选择直线流量特征调整阀，不然就选择等百分比流量特征调整阀2、在负荷改变较大场所，选择等百分比流量特征调整阀为宜。这是因为等百分比流量特征调整阀放大系数是随阀芯位移改变而改变，其流量改变率恒定，所以，能适应负荷改变情况。3、当调整阀常常工作在小开度时，宜选择等百分比流量特征调整阀。这是因为直线流量特征调整阀在小开度情况下，流量改变率很大，不宜进行微调。D、调整阀结构形式和材料选择调整阀结构形式和材料可依据不一样工艺操作条件和使用要求（如温度、压力、介质物理、化学特征）来选择。常见多个调整阀结构形式和特点：1、直通单座调整阀：阀体内只有一个阀芯和一个阀座。特点是泄露量小，不平衡力大。适适用于对泄露量严格要求、压差较小场所。2、直通双座调整阀：阀体有二个阀芯和阀座。它和同口径单座调整阀相比，流通能力约大2025%。其优点是许可压差大，缺点是泄露量大。适适用于阀两端压差较大，泄露量要求不高场所。不适适用于高粘度和含纤维场所。3、套桶型调整阀（又叫笼式阀）：阀内有一个圆柱形套筒，依据流通能力大小，套筒窗口可分为四个、二个或一个。利用套筒导向，阀芯可在套筒中上、下移动，因为这种移动改变了节流孔面积，从而实现流量调整。优点是含有不平衡力小，稳定性好、噪声低、交换性和通用性强，拆装、维修方便等特点，得到广泛应用。缺点是不适适用于高温、高粘度、含颗粒和结晶介质控制。4、偏心旋转调整阀：球面阀芯中心线和转轴中心偏移，转轴带动阀芯偏心旋转，使阀芯向前下方进入阀座。其优点是含有体积小，重量轻、使用可靠、维修方便、通用性强，流体阻力小等优点，适适用于粘度较大场所，含有很好使用性能。5、角形阀：阀体为直角形，其流路简单，阻力小，适适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物料流量控制。通常使用于底进侧出，此时调整阀稳定性好。但在高压场所下，为了延长阀芯使用寿命，可采取侧进底出，但这时使用在小开度时轻易发生震荡。 6、调整器正、反作用方法选择调整器正、反作用方法选择同被控对象特征和调整阀气开、气关形式相关。被控对象特征按其作用方向也分为正、反两种。当调整介质增加（或降低）时，被控参数亦增加（或降低），此时称被控对象为正作用；反之，称被控对象为反作用。调整阀按其作用方向也有气开、气关两种类型。一个过程控制系统要能正常工作，则组成该系统各个步骤极性（用静态放大系数表示）相乘必需为一个正号，因为变送器静态放大系数Km通常为正极性，故只需将调整器KC、调整阀KV和调整对象K0静态放大系数相乘为正号即可。各步骤极性要求：正作用调整器，其静态放大系数KC取负，反作用调整器，其静态放大系数KC取正。气开式调整阀，其静态放大系数KV取正，气关式调整阀，其静态放大系数KV取负。正作用被控对象，其静态放大系数K0取正，反作用被控对象，其静态放大系数K0取负。选择调整器正、反作用次序为：先依据生产工艺安全标正确定调整阀开、关形式；然后根据被控对象特征，决定其正、反作用；最终按组成该系统三个步骤静态放大系数相乘必需为一个正号标准，决定调整器正、反作用。例：有一个水箱，其流入量为Q1，流出量为Q2，在生产过程中，工艺要求其液位稳定在某一数值物料不能溢出水箱，试决定调整阀气开、气关形式和调整器正、反作用。图一1、确定调整阀气开、气关形式：依据工艺要求其液位稳定在某一数值物料不能溢出水箱要求，当供气中止（无控制信号）时，要求调整阀全关，这么能够避免液体介质损失，故调整阀为气开式，即KV取正；2、确定被控对象正、反作用：当调整介质Q1增大时，其被控参数H也增大，故被控对象为正作用，即K0取正。3、确定调整器正、反作用：为确保KV K0KC乘积为正号，则KC应为正，即调整器选反作用。