第1位數(shù)字表示工段號(hào)后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)儀表符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)字母表示儀表功能第1位字母表示測(cè)/控參數(shù)TC206LTLC簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)被控過(guò)程（對(duì)象）所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。工藝管道標(biāo)號(hào)第一位字母表示被測(cè)（控）變量T──溫度P──壓力L──物位F──流量A──成分后續(xù)字母表示儀表功能T──變送C──控制I──指示R──記錄A──報(bào)警E──檢測(cè)Y──運(yùn)算、信號(hào)轉(zhuǎn)換就地安裝盤面安裝盤后安裝簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)原理框圖給定值

SV＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器被控對(duì)象操作量被控參數(shù)干擾

fMVPV熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTC控制系統(tǒng)工藝流程圖過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)：包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、信息的獲取和變送、調(diào)節(jié)閥的選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律（算法）及正、反作用方式的確定等。工程設(shè)計(jì)：包括儀表選型、控制室和儀表盤設(shè)計(jì)、儀表供電供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。工程安裝和儀表調(diào)校調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)方案設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。生產(chǎn)過(guò)程對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的要求可簡(jiǎn)要?dú)w納為安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面。

被控參數(shù)與控制變量選擇1.

被控參數(shù)的選擇被控參數(shù)（或變量）

生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的過(guò)程參數(shù)（變量）。合理選擇被控參數(shù)，關(guān)系到生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過(guò)程能否達(dá)到保證安全、穩(wěn)定操作、保證質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等目的。例1

儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)LCTTh選擇被控參數(shù)的原則（1）根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控參數(shù)；生產(chǎn)工藝要求儲(chǔ)槽液位穩(wěn)定。那么設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就應(yīng)以儲(chǔ)槽液位為被控參數(shù)。例2

換熱器出口溫度控制系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求換熱器出口熱物料溫度為定值，那么設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)就應(yīng)以換熱器出口熱物料溫度為被控參數(shù)。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTC（2）當(dāng)直接工藝參數(shù)不能作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇與直接工藝變量有單值函數(shù)關(guān)系的工藝變量作為間接被控參數(shù)。例

3

化工的精餾物純度控制系統(tǒng)。精餾工藝是利用被分離混合物各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。如圖將苯—甲苯混合液進(jìn)行分離。苯—甲苯苯甲苯該精餾塔的工藝目標(biāo)是塔頂（或塔底）餾出物達(dá)到規(guī)定的純度。按照被控變量的選擇原則1，塔頂（或塔底）餾出物的組分應(yīng)作為被控變量。但是，沒(méi)有合適的儀表在線檢測(cè)餾出物的純度，因此不能作為直接被控參數(shù)。苯甲苯苯—甲苯只能在與餾出物的純度有單值關(guān)系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作為被控變量，進(jìn)行間接參數(shù)控制。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對(duì)餾出物純度有影響。需要對(duì)二者進(jìn)行比較試驗(yàn)，選出一個(gè)合適的變量作為間接被控參數(shù)。苯甲苯苯—甲苯間接被控參數(shù)的確定經(jīng)試驗(yàn)得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為間接被控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔頂餾出物苯的純度的間接控制。（3）被控參數(shù)必須有足夠高的靈敏度被控參數(shù)必須靈敏，容易被測(cè)量。（4）選擇被控參數(shù)(變量)時(shí)，必須考慮工藝合理性上例中，選擇塔內(nèi)溫度作產(chǎn)品純度被控參數(shù)，就是從工藝上考慮，塔內(nèi)壓力已經(jīng)被選作最佳分離效率控制的被控參數(shù)。2.控制變量選擇把用來(lái)克服干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為控制變量或操縱變量。最常見(jiàn)的操縱變量是介質(zhì)流量，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量情況。LCTTh控制變量的選擇被控參數(shù)（變量）選定以后，應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行分析，找出所有影響被控參數(shù)的過(guò)程變量（因素）。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。

控制變量選擇原則

從諸多影響被控參數(shù)的變量中，選擇一個(gè)對(duì)被控參數(shù)影響顯著且便于控制的過(guò)程變量作為控制變量。其它未被選中的變量則視為干擾變量（因素），如圖6-8所示。控制變量選擇原則：

1.控制變量對(duì)應(yīng)控制通道放大系數(shù)K0大、時(shí)間常數(shù)T0小、純滯后τ0越小越好。2.控制變量應(yīng)是工藝上允許控制的變量，并且要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

例1，影響儲(chǔ)槽液位h的主要因素有：儲(chǔ)槽流入Qi量和流出量Qo，這兩個(gè)變量影響力相當(dāng)。工藝上液體流出量Qo可控，故選液體流出量Qo作為被控參數(shù)h的控制變量。LCLThQiQo例2，影響出口換熱器出口物料溫度T的因素有：載熱介質(zhì)溫度Tr、載熱介質(zhì)流量Qr、冷物料溫度Ti、冷物料流量Qi等。從熱交換器機(jī)理可知，載熱介質(zhì)流量Qi對(duì)溫度T影響大、速度快且可控。故選載熱介質(zhì)流量Qi作為被控參數(shù)T的控制變量。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTCTi，QiTr，QrT例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度T靈作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度T靈的因素主要有：TT進(jìn)料流量（Q入）、進(jìn)料成分（x入）、進(jìn)料溫度（T入），回流流量（Q回）、回流溫度（T回），加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度(T凝)等。Q入，x入，T入Q回,T回Q蒸T凝所有影響T的變量(因素)可分為可控與不可控兩大類：回流量Q回和蒸汽流量Q蒸為工藝容許的可控變量（因素）其它為工藝不容許或不可控變量（因素）提餾段溫度影響因素(變量)示意圖TTT靈Q回Q蒸Q入，x入，T入選擇依據(jù)蒸汽流量Q蒸對(duì)提餾段溫度T靈影響比回流量Q回對(duì)提餾段溫度影響更迅速、更顯著。從節(jié)能角度，控制蒸汽流量Q蒸比控制回流量Q回消耗量要小，有利于節(jié)能降耗。

在兩個(gè)可控因素中，選蒸汽流量Q蒸為被控參數(shù)T靈的控制變量（操縱變量）。TTQ入,x入,T入T靈Q蒸控制規(guī)律優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用P靈敏、簡(jiǎn)單，只有一個(gè)整定參數(shù)。存在靜差。負(fù)荷變化不顯著，工藝指標(biāo)要求不高的被控過(guò)程（對(duì)象）。PI能消除靜差，又控制靈敏。對(duì)于滯后較大的對(duì)象，比例積分控制太慢，效果不好。應(yīng)用于控制通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不大、精度要求高的被控過(guò)程(對(duì)象)，如流量控制系統(tǒng)。PD增進(jìn)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；可調(diào)小比例度，而加快控制過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)偏差和靜差。對(duì)高頻干擾特別敏感，控制器輸出易夾雜高頻干擾。應(yīng)用于控制通道容量滯后較大，但控制精度要求不高的被控程過(guò)（對(duì)象）。PID綜合了幾種基本控制作用的優(yōu)點(diǎn)，所以有更高的控制質(zhì)量。對(duì)于滯后很大，負(fù)荷變化很大的被控過(guò)程，PID控制無(wú)法滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)。應(yīng)用于控制通道容量滯后較大、負(fù)荷變化較大、精度要求高的被控過(guò)程（對(duì)象）。常規(guī)控制規(guī)律特點(diǎn)、適用條件及應(yīng)用調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法控制器參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使已建好的過(guò)程控制系統(tǒng)性能指標(biāo)最好的控制器參數(shù)值。具體來(lái)說(shuō)，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時(shí)間TI，和微分時(shí)間TD?？刂破鲄?shù)整定方法很多，常用的主要有兩種，一是理論計(jì)算法，另一種是工程整定法。下面討論幾種常用的控制器參數(shù)工程整定方法1.穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。1.置調(diào)節(jié)器TI

，TD=0，比例度P

較大值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。2.逐漸減小P，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅振蕩為止。記錄此時(shí)的臨界值Pm和Tm。PVTm

系統(tǒng)臨界振蕩曲線t注

經(jīng)驗(yàn)公式雖然是從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中歸納出來(lái)的，但有一定的理論依據(jù)。以表中PI控制參數(shù)整定為例，可以看出PI控制比例度較純比例控制時(shí)增大，這是因?yàn)榉e分作用產(chǎn)生一定滯后相位，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定度，需要降低比例增益予以補(bǔ)償?shù)木壒省８鶕?jù)Pm和Tm，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算控制器參數(shù)整定值。整定參數(shù)控制規(guī)律P(%)TITDP2Pm______________PI2.2Pm0.85Tm_______PID1.7Pm0.50Tm0.125Tm表6.1穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計(jì)算表穩(wěn)定邊界方法在下面二種情況下不宜采用臨界比例度Pm過(guò)小時(shí)，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開(kāi)或全關(guān)位置，對(duì)生產(chǎn)工藝不利或不容許。例如一燃料為燃油的加熱爐，如閥門出現(xiàn)全關(guān)狀態(tài)就要熄火。工藝約束條件嚴(yán)格時(shí)，等幅振蕩將可能威脅到生產(chǎn)安全。1.把調(diào)節(jié)器設(shè)成比例作用（TI=∞，TD=0），置于較大比例度，投入自動(dòng)運(yùn)行。2.在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以5%左右為宜），觀察調(diào)節(jié)過(guò)程曲線。3.適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，直到出現(xiàn)滿意的衰減曲線（一般為n=4:1），并記錄。記錄此時(shí)的比例度Ps及周期Ts。

n=10:1時(shí)，記錄P’s與TrTsTrPVPV02.衰減曲線法

也屬于閉環(huán)整定，不需要控制系統(tǒng)達(dá)到等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找到最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。4.按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）計(jì)算對(duì)應(yīng)控制規(guī)律的整定參數(shù)。表6.2衰減比為4:1時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表表6.3衰減比為10:1時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表整定參數(shù)控制規(guī)律P(%)TITDPPs______________PI1.2Ps0.5Ts_______PID0.8Ps0.3Ts0.1Ts整定參數(shù)控制規(guī)律P(%)TITDPP's______________PI1.2P's2Tr_______PID0.8P's1.2Tr0.4Tr3.響應(yīng)曲線法屬于開(kāi)環(huán)整定方法。以廣義被控過(guò)程（對(duì)象）控制通道階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式求得控制器最佳參數(shù)整定值。按照下圖所示方法，作廣義控制通道階躍響應(yīng)曲線。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象被控參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得階躍響應(yīng)曲線，計(jì)算廣義對(duì)象特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算整定參數(shù)。此法在手動(dòng)控制的開(kāi)環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于容易失控（開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定）非自衡生產(chǎn)過(guò)程，不能使用。整定參數(shù)控制規(guī)律P(%)TITDP______________PI3.3τ0_______PID2τ00.5τ0T0τ0y0x0表6.4響應(yīng)曲線法整定參數(shù)計(jì)算公式4.經(jīng)驗(yàn)整定法憑經(jīng)驗(yàn)試湊，其關(guān)鍵是看曲線，調(diào)參數(shù)。憑經(jīng)驗(yàn)先將閉環(huán)控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，通過(guò)改變給定值施加擾動(dòng)，在記錄儀上觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，以P、TI

、TD對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，對(duì)比例度P

、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿意的響應(yīng)曲線為止。整定參數(shù)被控參數(shù)過(guò)程特點(diǎn)及常用控制規(guī)律比例度P(%)積分時(shí)間TI/min微分時(shí)間TD/min液位(P控制)

過(guò)程時(shí)間常數(shù)較大，一般不用微分，精度要求不高時(shí)選擇P控制；P可在一定范圍選擇。20~80——流量(PI控制)

過(guò)程時(shí)間常數(shù)小，被控參數(shù)有波動(dòng)，一般選擇PI控制；P要大一些，TI要短；不用微分。40~1000.1~1—壓力(PI控制)

過(guò)程有容量滯后不大，一般選擇PI控制；不用微分。30~700.4~3—溫度(PID控制)

過(guò)程容量滯后較大，被控參數(shù)受擾后變換遲緩，需加微分，一般選擇PID控制；P應(yīng)小，TI要長(zhǎng)。20~603~100.5~3表6.5控制器整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值范圍控制器參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響比例度逐漸減小→積分時(shí)間逐漸減小→微分時(shí)間逐漸增大→幾種整定方法的比較整定方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)曲線法方法簡(jiǎn)單系統(tǒng)開(kāi)環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會(huì)出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計(jì)算需要經(jīng)驗(yàn)1.變送器測(cè)量范圍(量程)、精度等級(jí)滿足要求按照生產(chǎn)過(guò)程工藝要求，首先確定傳感器/變送器量程與精度等級(jí)與確定。OtTmx(t)y(t)OtTmx(t)y(t)檢測(cè)環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及控制器正負(fù)作用選擇一、傳感器、變送器選擇x(t)—被測(cè)量實(shí)際變化曲線y(t)—儀表測(cè)量(顯示)值變化曲線2.測(cè)量?jī)x表響應(yīng)時(shí)間Tm滿足要求

儀表測(cè)量值y(t)響應(yīng)慢，會(huì)造成測(cè)量失真。應(yīng)盡可能選擇時(shí)間常數(shù)(Tm)小的傳感器/變送器，以滿足生產(chǎn)工藝和控制精度要求。3.合理選擇檢測(cè)點(diǎn)，避免測(cè)量造成純滯后τ0下圖中，傳感器（pHT）安裝位置（檢測(cè)點(diǎn)）不合理。如果將安裝位置移到中和槽出口附近，就可消除傳輸管路（長(zhǎng)度為l0）帶來(lái)的純滯后。

pHT

LC

pHC中和槽貯酸槽l0堿性廢液

LT排放口4.測(cè)量信號(hào)處理

對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行校正、補(bǔ)償、測(cè)量噪聲抑制與線性化處理，以保證測(cè)量精度。二、執(zhí)行器的選擇1.調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間選擇正常工況下，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度應(yīng)在最大開(kāi)度的15%～85%的區(qū)間工作，據(jù)此計(jì)算閥門流量系數(shù)、確定調(diào)節(jié)閥口徑尺寸。2.調(diào)節(jié)閥流量特性選擇按補(bǔ)償被控（對(duì)象）過(guò)程特性的原則選取。3.調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)工作方式選擇按控制信號(hào)中斷時(shí)，按照保證人身、設(shè)備安全，保證產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約資源與環(huán)保原則，確定調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)工作方式。三、控制器正反作用的選擇（負(fù)）反饋控制系統(tǒng)的控制作用對(duì)被控變量的影響，應(yīng)與擾動(dòng)作用對(duì)被控參數(shù)的影響相反，才能使被控參數(shù)值回復(fù)并保持在給定值（附近）。為了保證負(fù)反饋，必須正確選擇控制（調(diào)節(jié)）器的正反作用方式。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器被控過(guò)程(對(duì)象)操作量被控參數(shù)干擾/擾動(dòng)

fSVPVMV首先定義控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的正反作用當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)輸入增加時(shí)，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為“正作用”；反之，稱為“反作用”，按此定義：變送器一般都是正作用氣開(kāi)閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用被控對(duì)象有的是正作用，有的是反作用控制器正、反作用以測(cè)量輸入（PV）值與控制器輸出（MV）值的關(guān)系定義：正作用：偏差e=測(cè)量值（PV）–

給定值（SV）反作用：偏差e=給定值（SV）–

測(cè)量值（PV）

上面定義式也可簡(jiǎn)單理解為，MV與PV變化方向一致，控制器為正作用；反之，控制器為反作用?？刂葡到y(tǒng)中，如果各個(gè)環(huán)節(jié)的正反作用組合不當(dāng)，會(huì)使控制系統(tǒng)形成正反饋，不但不能起到控制作用，反而會(huì)破壞生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定。

因?yàn)閳?zhí)行器和被控（對(duì)象）過(guò)程有