【正文】 劉玉長(zhǎng) 1 第四章 單回路控制系統(tǒng) 控制裝置 執(zhí)行器 過 程 + r(t) e(t) _ 檢測(cè)元件 、 變送器 比較機(jī)構(gòu) 控制器 q(t) 被控變量 c(t) 擾動(dòng) f(t) 廣義對(duì)象 測(cè)量值 y(t) u(t) 劉玉長(zhǎng) 2 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的正確與否，直接影響到工程能否投入正常運(yùn)行。因此要求過程控制專業(yè)人員必須根據(jù) 生產(chǎn)過程的特點(diǎn) 、工藝對(duì)象的特性 和 生產(chǎn)操作的規(guī)律 ，只有正確運(yùn)用 過程控制理論 ，合理選用 自動(dòng)化技術(shù)工具 ，才能設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、符合生產(chǎn)要求的控制系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)要求： 安全性 穩(wěn)定性 經(jīng)濟(jì)性 劉玉長(zhǎng) 3 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體 步驟 為： （ 1）根據(jù)工藝要求和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)變量 （ 2）建立數(shù)學(xué)模型 （ 3）確定控制方案 （ 4）選擇硬件設(shè)備 （ 5）選擇控制算法，進(jìn)行控制器設(shè)計(jì) （ 6）軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行設(shè)備安裝、調(diào)試與整定，再投入運(yùn)行。 對(duì)于過程控制系統(tǒng)而言， 控制方案的選擇和 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 是其兩個(gè)重要的內(nèi)容。 劉玉長(zhǎng) 4 過程控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)。 單回路控制系統(tǒng) 包含一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)執(zhí)行器和對(duì)象，對(duì)對(duì)象的某一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)負(fù)反饋控制。 多回路控制系統(tǒng) 內(nèi)部包含兩個(gè)以上的單回路系統(tǒng)，對(duì)過程兩個(gè)以上的參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)負(fù)反饋控制，其控制目標(biāo)保證被控過程的被控參數(shù)滿足工藝要求。 劉玉長(zhǎng) 5 在系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和整定中，單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最基本的方法，適用于其他各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、整定和投運(yùn)。 通常在選擇控制方案時(shí)，只有在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)過程控制的要求時(shí)，才考慮采用兩個(gè)回路以上組成的復(fù)雜控制系統(tǒng)。 單回路控制系統(tǒng)適用于被控對(duì)象滯后時(shí)間較小，負(fù)載和干擾不大，控制質(zhì)量要求不很高的場(chǎng)合。 劉玉長(zhǎng) 6 主要內(nèi)容 概述 被控量與操縱量的選擇 檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)的考慮 控制閥的選擇 控制器控制規(guī)律及作用方向的選擇 控制器參數(shù)的工程整定 控制系統(tǒng)的投運(yùn) 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 劉玉長(zhǎng) 7 換熱器的溫度控制 熱交換器是常見的一種傳熱設(shè)備，通過它可以將冷物料加熱 (或冷卻 )到預(yù)定的溫度。圖示為一個(gè)列管式換熱器，其中載流體的熱量首先傳給套管的內(nèi)壁，經(jīng)管壁傳導(dǎo)后再傳給冷流體。傳熱過程中存在幾個(gè)串聯(lián)的熱阻，故換熱器是一個(gè)多容量對(duì)象，時(shí)間常數(shù)和滯后都比較大。 劉玉長(zhǎng) 8 換熱器的溫度控制 根據(jù)工藝要求，需要控制的參數(shù)是冷流體被加熱后的出口溫度 T1O，此溫度要求保持在某一設(shè)定數(shù)值。影響出口溫度 T1O的擾動(dòng)因素主要有：冷流體進(jìn)口溫度 T1i 和流量 F載熱體入口溫度 T2i和流量 F2等。常見控制方案有下面兩種： (a) 方案一：控制載熱體流量 (b) 方案二：控制冷流體分流量 冷 流 F1,T1i 體 載熱體 F2,T2i T1O T20 TC F’1, T1 F1 T1O F2 TC 換熱器溫度控制 劉玉長(zhǎng) 9 離心泵的流量控制 離心泵是液體輸送的常用設(shè)備。生產(chǎn)工藝往往對(duì)輸送的流體流量有定量的要求。此時(shí)被控量是離心泵的實(shí)際排出液體的流量，擾動(dòng)因素主要有管道阻力特性的變化和泵的供電電壓的變化等。 離心泵流量控制 劉玉長(zhǎng) 10 離心泵的流量控制 離心泵是液體輸送的常用設(shè)備。生產(chǎn)工藝往往對(duì)輸送的流體流量有定量的要求。此時(shí)被控量是離心泵的實(shí)際排出液體的流量，擾動(dòng)因素主要有管道阻力特性的變化和泵的供電電壓的變化等。控制方案常見的有如下三種： (a) 直接節(jié)流方案 (b) 控制旁路流量方案 (c) 控制轉(zhuǎn)速方案 離心泵流量控制 FC FC FC 劉玉長(zhǎng) 11 概述 檢測(cè) /變送 控制器 執(zhí)行器 對(duì)象 實(shí)際值 期望值 SP 圖 41 單回路控制系統(tǒng) 單回路 （ 系統(tǒng) ） :反饋控制中的最基本系統(tǒng) 特點(diǎn)： 簡(jiǎn)單 、 有效 、 應(yīng)用最成熟 、 最普遍 占 90%以上 劉玉長(zhǎng) 12 系統(tǒng)組成及分析 系統(tǒng)組成 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 蒸汽 汽包 給水 省煤器 LT LC 被控變量：汽包液位 過程（被控對(duì)象）：鍋爐汽包 操縱變量：進(jìn)水流量 主要擾動(dòng)：蒸汽量的變化 被控對(duì)象（被控過程）、測(cè)量變送、 控制器、控制閥 劉玉長(zhǎng) 13 被控量和操縱量的選擇 被控量的選擇原則 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) : 即，要控制什么 基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響生產(chǎn)（產(chǎn)量、質(zhì)量、安全） ?選直接參數(shù) 即能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運(yùn)行的參數(shù) (如鍋爐水位控制 ) 。 ?選間接參數(shù) 當(dāng)選直接參數(shù)有困難時(shí)采用，間接指標(biāo)與直接指標(biāo)之間必須是一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 (如鋅精礦沸騰爐的爐溫控制，爐溫是反映焙砂質(zhì)量的一個(gè)間接指標(biāo) )。 劉玉長(zhǎng) 14 直接指標(biāo)選擇 1） 表征其質(zhì)量指標(biāo)是一個(gè)變量 ， 應(yīng)選用這個(gè)受控變量 。 如汽包液位 L 2） 表征其質(zhì)量指標(biāo)是兩個(gè)變量 ， 應(yīng)根據(jù)自由度選擇 劉玉長(zhǎng) 15 被控變量選擇原則 直接指標(biāo)測(cè)量滯后小 ， 選擇直接指標(biāo)為受控變量 選擇間接指標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮 ① 工藝合理性 ② 測(cè)量滯后小 ， 對(duì)直接指標(biāo)有最大靈敏度 ③ 實(shí)施方便 直接指標(biāo)信號(hào)微弱 ， 可選用間接指標(biāo) 考慮國內(nèi)外儀表狀況 劉玉長(zhǎng) 16 操縱量的選擇 操縱量是克服擾動(dòng)影響、使系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行的積極因素，應(yīng)該遵循快速、有效地克服干擾的原則去選擇操縱量。 輸入 輸出 加熱爐 :燃料油成分、燃料油壓力、燃料油霧化、燃料油流量、煙筒抽力、原油溫度、原油流量 劉玉長(zhǎng) 17 操縱量的選擇 如何選？ (從對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響入手，完成下表） 放大系數(shù) 時(shí)間常數(shù) 滯后時(shí)間 通道 1 通道 2 劉玉長(zhǎng) 18 操縱量的選擇原則 ?控制通道對(duì)象放大系數(shù)適當(dāng)?shù)卮笮?，時(shí)間常數(shù)適中，純滯后越小越好； ?擾動(dòng)通道對(duì)象的放大系數(shù)應(yīng)盡可能小，時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能大； ?擾動(dòng)作用點(diǎn)應(yīng)盡量靠近控制閥或遠(yuǎn)離檢測(cè)元件，增大擾動(dòng)通道的容量滯后，可減少對(duì)被控量的影響； ?操縱量的選擇不能單純從自動(dòng)控制的角度出發(fā)，還必需考慮生產(chǎn)工藝的合理性 、 經(jīng)濟(jì)性 。 劉玉長(zhǎng) 19 檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)的考慮 檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)任務(wù)、作用及要求 ?任務(wù) : 對(duì)被控量進(jìn)行正確測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 ?要求 : 能 正確、及時(shí) 地反映