1、仪表维修第6章 典型控制系统内容提要6.1概述6.2简单控制系统6.2.1被控变量的选择6.2.2操纵变量的选择6.2.3控制阀的选择6.2.4控制器的选择6.2.5 控制系统的投运及操作中的常见问题6.3复杂控制系统6.3.1串级控制系统6.3.2 其他复杂控制系统6.1概述 借助一些自动化的仪器仪表，将人工控制完全由自动控制所代替，从而实现自动控制操作。图6-1 简单控制系统方框图6.1概述控制系统专业术语1、被控对象（工艺对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。2、被控变量：被控过程中要求保持设定值的工艺参数。3、操纵变量：用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作
2、用的变量，即：使被控变量保持设定值的物料量或能量。4、扰动：除操纵变量外，所以能引起被控变量变化的因素。5、测量值z：测量变送器的输出信号。6.1概述6、设定值x：与要求的（期望的）被控变量相对应的信号值。7、偏差e：在过程控制系统中。规定偏差值是设定值与测量值之差，即：e=x-z。但在仪表制造厂中，习惯取偏差e/=-e=z-x，即把zx称为正偏差，zx称为负偏差，两者差一个负号，需注意。8、控制器输出p（控制信号）：在控制器内，设定值与测量值进行比较得出偏差，按一定的控制规律（比例、比例积分、比例积分微分）发出相应的输出信号p，去推动执行器（控制阀）。9、控制阀：控制阀执行控制器的控制信号，
3、通过阀门开度变化将控制信号的变化转化成操作变量的变化。6.1概述10、反馈控制系统：把系统输出信号通过测量变送器又引回到系统的输入端，称为反馈。过程控制系统又称反馈控制系统。当反馈信号与设定值相减，即取负值与设定值相加，属于负反馈，当反馈信号取正值与设定值相加，属于正反馈。过程控制系统一般采用负反馈。11、闭环系统：凡是系统的输出信号对控制作用有直接影响的控制系统，就称作闭环控制系统。闭环控制系统是一个反馈控制系统。12、开环系统：系统的输出信号对控制作用没有影响，称作开环控制系统。即：系统的输出信号不反馈到输入端，不形成信号传递的闭合回路。开环控制系统不是反馈控制系统。6.2简单控制系统 简
4、单控制系统简单控制系统是由一个测量变送器、一个控制器、是由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个对象构成的一个执行器和一个对象构成的单闭环控制系统单闭环控制系统。这是最。这是最基本、应用最广泛的控制系统，占实用控制系统的基本、应用最广泛的控制系统，占实用控制系统的80%左右。左右。图6-1 简单控制系统方框图6.2简单控制系统 测量元件及变送器测量元件及变送器 自动化装置自动化装置 自动控制器（调节器）自动控制器（调节器）自动控制系统自动控制系统 （起控制作用）（起控制作用）执行器（控制阀）执行器（控制阀）被控对象被控对象 受控制的物理装置（生产设备）受控制的物理装置（生产设备）（对象）
5、（对象）图图6-2 液位控制系统液位控制系统 图图6-3 温度控制系统温度控制系统6.2简单控制系统 简单控制系统实例简单控制系统实例图图6-4 简单液位控制系统组成示意图简单液位控制系统组成示意图字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量电流时间或时间程序物位水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置差比（分数）积分、累积安全报警控制（调节）检测元件指示自动-手动操作器积分、累积记录或打印开关、联锁传送阀、挡板、百叶窗套管继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号6.2简
6、单控制系统6 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。被控变量是“关键”变量。6.2.1被控变量的选择6.2简单控制系统 直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），如物料平指标（温度、压力、流量、液位、成分等），如物料平衡控制衡控制。间接指标控制：选取与直接质量指标有单值对应关间接指标控制：选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变
7、量，作为间接控制指标，进行间系而反应又快的另一变量，作为间接控制指标，进行间接指标控制，如产品质量指标控制。接指标控制，如产品质量指标控制。2、被控变量的控制形式：6.2简单控制系统3、被控变量的选择、被控变量的选择实例：实例：精馏过程精馏过程 塔顶（或塔底）馏出物塔顶（或塔底）馏出物的组分的组分xD（或（或xW）应作为）应作为被控变量，进行直接指标被控变量，进行直接指标控制。但有困难！控制。但有困难！图图6-5 精馏过程示意图精馏过程示意图1-精馏塔；精馏塔；2-蒸汽加热器蒸汽加热器 6.2简单控制系统分析1、精馏塔的操作是要使塔顶馏出物达到规定的纯度，那么XD应作为被控变量，应为它就是工艺
8、上的质量指标。2、检测XD尚有困难，或滞后太大，这是可在与XD有关的参数中找出合适的变量作为被控变量，进行间接制备控制。3、在二元系统的精馏中，当气液两相并存石，塔顶易挥发组分的浓度XD、塔顶温度TD、压力P三者之间有一定的关系。6.2简单控制系统 间接指标控制间接指标控制 被控变量的选取被控变量的选取图图6-6 苯苯-甲苯溶液的甲苯溶液的T-x图图 图图6-7 苯苯-甲苯溶液的甲苯溶液的p-x图图6.2简单控制系统 在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板
9、上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。96.2简单控制系统10 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。6.2简单控制系统 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。被控变量应是独立可控的。116.2简单控制系统6.2.2操纵变量的选择图图6-
10、8 干扰通道与控制通道之间的关系干扰通道与控制通道之间的关系 由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；6.2简单控制系统图6-9精馏塔流程图如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。6.2简单控制系统 分析：1、灵敏板为温度变化最灵敏的板；2、自动控制系统的任务是通过维持灵敏板上温度恒定，来保证塔釜产品的成分满足工艺要求。6.2简单控制系统进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。14图6-
11、10影响提馏段温度各种因素示意图6.2简单控制系统 分析：3、影响因素分为可控和不可控。4、回流量和蒸汽流量为可控因素，其他一般为不可控因素。5、蒸汽流量对提馏段温度影响比起回流量对提馏段温度影响来说更及时更显著。6、从节能角度讲，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量小。6.2简单控制系统操纵变量的选择原则 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。6.2简单控制系统6.2.3控制阀的选择 执行器是自动控制系统的终端控制元件之一，其性能对系统的控制质量影响很大。执行器
12、的选择需考虑：执行器的选择需考虑：执行机构的种类 调节机构的结构形式 控制阀的作用方式 调节机构的流量特性 调节机构的口径以及控制阀材料6.2简单控制系统max(/)(/)d Q QKd l L控制阀的流量特性选择直线流量特性：控制阀的相对开度与相对流量间成直线关系。K为常数分析：1、阀门放大系数在全行程范围内为一定值，当控制阀相对开度 变化10%引起的流量变化总是10%。2、直线流量特性的控制阀在小开度时，其相对流量变化大，控制作用太强，易引起超调，产生震荡。/l L6.2简单控制系统分析：3、在大开度工作时，其相对流量变化小，控制作用太弱，会造成控制作用不及时。4、在使用直线流量特性控制阀
13、时，应尽量避免控制阀工作在这两个区域。5、当流过控制阀的介质含有固体悬浮物、易造成阀芯、阀座磨损而影响控制阀的使用寿命，由于直线型控制阀阀芯曲面形状较瘦，流线性好，不易磨损，宜选用直线流量特性控制阀6.2简单控制系统等百分比（对数）流量特性：是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比。maxmax(/)(/)d Q QQKd l LQ分析：1、控制阀放大系数与流过控制阀介质流量Q成正比。2、阀相对开度变化时引起的Q/Qmax增量总是相等的。3、等百分比流量特性控制阀相对流量和相对行程的关系是非线性的，相对开度较小时，流量变化较小；在相对开度较大时，流量变化较大。4、全行程范
14、围内相对流量的百分比变化率相同，所以控制过程平稳，适用范围较广，更适用于负荷变化大地工艺对象。6.2简单控制系统6.2.4控制器的选择1、控制规律的选择、控制规律的选择 工业上常用的控制器主要有工业上常用的控制器主要有三种控制规律三种控制规律：比例控制规律比例控制规律(P)；比例积分控制规律；比例积分控制规律(PI)；比例；比例积分微分控制规律积分微分控制规律(PID)。图图6-11 简单控制系统简化方块图简单控制系统简化方块图6.2简单控制系统特点特点适用于适用于比例控比例控制器制器控制器的输出与偏差成比例,阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时,比例控制器克服干扰能力强,过渡过程时
15、间短。纯比例控制器在过渡过程终了时存在余差。调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。比例积比例积分控制分控制器器积分作用使控制器输出与偏差的积分成比例,过渡过程结束时无余差。但使稳定性降低。调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。比例积比例积分微分分微分控制器控制器微分作用使控制器的输出与偏差变化速度成比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性,再加上积分作用可以消除余差。容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统 6.2简单控制系统2、控制器正、反作用的确定 作用方向作用方向：输入变化后，输出的变化方向。：输入变化
16、后，输出的变化方向。自动控制系统中自动控制系统中某环节某环节：输入增加，输出也增加，该环节为输入增加，输出也增加，该环节为“正正”作用方向；作用方向；输入增加，输出减小，该环节为输入增加，输出减小，该环节为“反反”作用方向。作用方向。测量元件及变送器的测量元件及变送器的作用方向：一般为作用方向：一般为“正正”作用。作用。6.2简单控制系统被控对象的被控对象的作用方向：当操纵变量作用方向：当操纵变量增加（或减小）增加（或减小）时被控变量也时被控变量也增加（或减小）增加（或减小）的对象属于的对象属于“正正”作用；反之属于作用；反之属于“反反”作用。作用。被控对象的作用方向由被控对象的作用方向由工艺
17、机理工艺机理确定。确定。执行器执行器的作用方向：的作用方向：“气开型气开型”为为正正方向，方向，“气气关型关型”为为反反方向。方向。执行器的作用方向由执行器的作用方向由工艺安全条件工艺安全条件确定。确定。7.5 控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择 控制器控制器的作用方向：的作用方向：如果将控制器的输入量（偏差）定义为如果将控制器的输入量（偏差）定义为“偏差偏差=测测量值量值 给定值给定值”，那么，当那么，当偏差增加偏差增加时，其时，其输出输出信号也信号也增加增加的的控制器称为控制器称为“正正作用作用”控制器；控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减反之，控制器的输出信号随偏差的增加
18、而减少的控制器称为少的控制器称为“反反”作用控制器。作用控制器。注意：注意：如果定义如果定义“偏差偏差=给定值给定值 测量值测量值”，则，则 偏差增加，控制器输出减少，为偏差增加，控制器输出减少，为“正正”；偏差增加，控制器输出增加，为偏差增加，控制器输出增加，为“反反”。7.5 控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择 给定值不变（定值控制系统）给定值不变（定值控制系统）被控变量测量值增加，控制器输出增加，被控变量测量值增加，控制器输出增加，“正正”；被控变量测量值增加，控制器输出减少，被控变量测量值增加，控制器输出减少，“反反”。测量值不变（随动控制系统）测量值不变（随动控制系统）给定值增
19、加，控制器输出减少，给定值增加，控制器输出减少，“正正”；给定值增加，控制器输出增加，给定值增加，控制器输出增加，“反反”。7.5 控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择控制器正、反作用的选择控制器正、反作用的选择 自动控制系统是具有被控变量自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环控制负反馈的闭环控制系统。系统。控制作用对被控变量的影响与干扰作用对被控变量的影响控制作用对被控变量的影响与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回复到给定值。相反，才能使被控变量回复到给定值。控制系统各环节（主要是控制器、执行器、对象三个控制系统各环节（主要是控制器、执行器、对象三个环节）的作用方向应合理组合
20、，才能使系统处于环节）的作用方向应合理组合，才能使系统处于负反馈负反馈作作用。用。7.5 控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择 控制器正、反作用的控制器正、反作用的选择步骤选择步骤：首先首先，按生产过程，按生产过程工艺机理工艺机理，由操纵变量对被控变量的，由操纵变量对被控变量的影响方向来影响方向来确定确定对象对象的正、反作用方向；的正、反作用方向；其次其次，由，由工艺安全条件工艺安全条件来来确定确定执行器执行器的气开、气关型式；的气开、气关型式；最后最后，由对象、执行器、控制器三个环节作用方向组合，由对象、执行器、控制器三个环节作用方向组合为为“反反”来来选择选择控制器控制器的正、反作用。
21、的正、反作用。6.2简单控制系统2、控制器参数的工程整定 按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度、积分时间TI和微分时间TD。控制器参数的整定方法：理论计算法（少用）；工程整定法。6.2简单控制系统 在在纯比例纯比例（TI置置“”位置，位置，TD置置“0”位置）运位置）运行下，通过试验（在阶跃干扰下，从大到小逐渐改变控行下，通过试验（在阶跃干扰下，从大到小逐渐改变控制器比例度，直至系统产生制器比例度，直至系统产生临界等幅振荡临界等幅振荡，如图，如图6-12所所示），得到临界比例度示），得到临界比例度 k和临界周期和临界周期Tk，然后根据经验，然后根据经
22、验总结出来的关系总结出来的关系(表表6-4)，求出控制器各参数整定值。，求出控制器各参数整定值。临界比例度法临界比例度法 6.2简单控制系统图6-12 临界振荡过程控制作用控制作用比例度比例度/%/%积分时间积分时间TI/min微分时间微分时间TD/min比例比例比例比例+积分积分比例比例+微分微分比例比例+积分积分+微分微分22k2.22.2k1.8k1.7k0.850.85T Tk k0.50.5T Tk k0.10.1T Tk k0.1250.125T Tk k表 6-4临界比例度法参数计算公式表 比较简单方便，容易掌握和判断，适用于比例度较大的一般控制系统。6.2简单控制系统衰减曲线法
23、衰减曲线法 4:1衰减衰减曲线曲线 在在纯比例纯比例（TI置置“”位置，位置，TD置置“0”位置）运行位置）运行下，先将比例度预置较大的数值上，在系统达到稳定后，下，先将比例度预置较大的数值上，在系统达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观测被控变量记录用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观测被控变量记录曲线的衰减比，从大到小改变比例度，直至出现曲线的衰减比，从大到小改变比例度，直至出现4 1的的衰减比衰减比为止，见图为止，见图6-13（a）。记录下此时的比例度）。记录下此时的比例度 s（称为（称为4:1衰减度），并从曲线上得到衰减周期衰减度），并从曲线上得到衰减周期Ts。然。然后根据经验公
24、式表后根据经验公式表6-5，求出控制器的参数整定值。，求出控制器的参数整定值。6.2简单控制系统10:1衰减衰减曲线曲线 同样，可得到同样，可得到10:1衰减衰减曲线，曲线，见图见图6-13（b），记录下此时的），记录下此时的比例度比例度 s和最大偏差时间（又称和最大偏差时间（又称上升时间）上升时间）T升升，然后根据经验，然后根据经验公式表公式表6-6，求出控制器相应的参，求出控制器相应的参数整定值。数整定值。衰减曲线法比较简单，适合衰减曲线法比较简单，适合于一般情况下的各种参数的控制于一般情况下的各种参数的控制系统。对于干扰频繁的系统不适系统。对于干扰频繁的系统不适用用 图6-1341和10
25、1衰减振荡过程6.2简单控制系统控制作用/%TI/minTD/min比例s比例+积分1.2s 0.5TS比例+积分+微分0.8s 0.3TS0.1TS控制作用/%TI/minTD/min比例s 比例+积分1.2s 2T升比例+积分+微分0.8s 1.2T升0.4T升表6-541衰减曲线法控制器参数计算表表6-6101衰减曲线法控制器参数计算表6.2简单控制系统s6.2简单控制系统23（1 1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的来定，一般为额定值的5 5左右，也有例外的情况。左右，也有例外的情况。（2 2）必须在工艺参数稳定情况
26、下才能施加干扰，否）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的则得不到正确的S、TS或或S和和T升升值。值。（3 3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4141衰减衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到定，就可以近似地认为达到4141衰减过程了。衰减过程了。6.2简单控制系统根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过
27、程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。6.2简单控制系统控制变量特 点/%TI/minTD/min流量对象时间常数小，参数有波动，对象时间常数小，参数有波动，要大；要大；TI要短；不用微分要短；不用微分401000.3 1温度对象容量滞后较大，即参数受干扰对象容量滞后较大，即参数受干扰候变化迟缓；候变化迟缓；应小；应小；TI要长；一要长；一般需加微分般需加微分20 603 100.5 3压力对象的容量滞后一般，不算大，一对象的容量滞后一般，不算大，一般不加微分般不加微分30 700.4 3液位对象
28、时间常数范围较大。要求不高对象时间常数范围较大。要求不高时，时，可在一定范围内选取，一般可在一定范围内选取，一般不用微分不用微分20 80表6-7 各类控制系统中控制器参数经验数据表6.2简单控制系统6.2简单控制系统图6-14三种振荡曲线比较图6-15比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，产生的周期性激烈振荡。如果比例度过大或积分时间过大，过渡过程变化缓慢的情形。6.2简单控制系统（2）先按表6-7中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。方法简单，适用于各种控制系统。特别是外界
29、干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。6.2简单控制系统 对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值。可能得出不同的参数值。在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器大变化，被控对象的
30、特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。的参数必须重新整定。6.2.5 控制系统的投运及操作中的常见问题 一、控制系统的投运 对于工艺人员与仪表人员来说 对于仪表人员来说6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 投运前要在现场校验仪表一次,确认正常后可考虑投运。对于,除了要观察测量指示是否正常外,还特别要对控制器控制点进行复校。6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系统成为负反馈闭环系统的重要一环。正作用？正作用？反作用？反作用？图6-16 控制器正、反作用开关示意图6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题举例加热炉出口温度控制系统图
31、6-17 加热炉出口温度控制 为了在控制阀气源突然断气时,炉温不继续升高,采用了气开阀(停气时关闭),是“正”方向。炉温是随燃料的增多而升高的,以炉子也是“正”方向作用的。变送器是随炉温升高,输出增大,也是“正”方向。所以控制器必须为“反方向”,才能当炉温升高时,使阀门关小,炉温下降。6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题举例液位控制系统图6-18 液位控制 控制阀采用了气开阀,在一旦停止供气时,阀门自动关闭,以免物料全部流走,故控制阀是“正”方向。当控制阀打开时,液位是下降的,所以对象的作用方向是“反”的。变送器为“正”方向。这时控制器的作用方向必须为“正”才行。6.2.5控制系统的投运
32、及操作中的常见问题图6-19 控制阀安装示意图1上游阀；2下游阀；3旁路阀；4控制阀6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 开车时的两种操作步骤：开车时的两种操作步骤：6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 先将截止阀先将截止阀1和截止阀和截止阀2关闭关闭,手动操作旁路阀手动操作旁路阀3,使工况使工况逐渐趋于稳定逐渐趋于稳定;用手动定值器或其他手动操作器调整控制阀上的气压用手动定值器或其他手动操作器调整控制阀上的气压P,使它等于某一中间数值或已有的经验数值使它等于某一中间数值或已有的经验数值;先开上游阀先开上游阀1,再逐渐开下游阀再逐渐开下游阀2,同时逐渐关闭旁路阀同时逐渐关闭旁路阀3
33、,以尽量减少波动以尽量减少波动(亦可先开下游阀亦可先开下游阀2);观察仪表指示值观察仪表指示值,改变手动输出改变手动输出,使被控变量接近给定值。使被控变量接近给定值。6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 远距离人工控制控制阀叫手动遥控,可以有三种不同的情况:控制阀本身是遥控阀控制阀本身是遥控阀,利用定值器或其他手动操作器遥利用定值器或其他手动操作器遥控控;控制器本身有切换装置或带有副线板控制器本身有切换装置或带有副线板,切至切至“手动手动”位位置置,利用定值器或手操轮遥控利用定值器或手操轮遥控;控制器不切换控制器不切换,放在放在“自动自动”位置位置,利用定值器改变给定利用定值器改变给定值
34、而进行遥控。但此时宜将比例度置于中间数值值而进行遥控。但此时宜将比例度置于中间数值,不加积分不加积分和微分作用。和微分作用。6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 通过手动遥控控制阀,使工况趋于稳定以后,控制器就可以由手动切换到自动,实现自动操作。6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 不管采用哪种方法进行整定,所得到的自动控制系统,在正常工况下,由于经常受到各种扰动,被控变量不可能总是稳定在一个数值上长期不变。如果出现记录曲线是一条直线或一个圆,就要检查一下测量记录仪表有否故障,灵敏度是否足够等。6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 一、控制系统操作中的常见问题图6-20 精馏
35、塔控制系统之间的干扰6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题图6-21 压力和流量控制系统之间的干扰图6-22 负荷分配系统6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题记录曲线突变。记录曲线突然大幅度变化。记录曲线出现不规则变化。记录曲线出现等幅振荡。记录曲线不变化,呈直线状(或圆状)。6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题图6-23 不规则变化的记录曲线图6-24 记录曲线的等幅振荡6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题6.2.5控制系统的投运及操作中的常见问题 出现问题时，除了要考虑前面所讲的测量系统可能出现的故障以外,特别要注意被控对象
36、特性的变化以及控制阀特性变化的可能性,要结合仪表和工艺两个方面去找原因。针对适应对象特性的变化,一般可以通过重新整定控制器参数,以获得较好的控制质量。例题分析1.试总结归纳一下控制器参数整定的方法、特点与使用场合。工程上常用的整定方法的特点与使用场合列表如下:整定整定方法方法特特 点点使使 用用 场场 合合临界临界比例比例度法度法方法简单、容易掌握、容易判断临界方法简单、容易掌握、容易判断临界振荡振荡;产生临界振荡时产生临界振荡时,对生产影响较对生产影响较大大广泛用于一般自动控制系统广泛用于一般自动控制系统,对对不允许产生等幅振荡的系统不允许产生等幅振荡的系统,特特别是临界比例度较小的系统不适
37、别是临界比例度较小的系统不适用用经验经验法法方法简单、方便可靠方法简单、方便可靠;实质上是实质上是“看看曲线、调参数曲线、调参数”,因此取决于现场调因此取决于现场调试经验试经验;对对PIDPID三作用控制器整定时可三作用控制器整定时可能花时间较长能花时间较长应用广泛应用广泛,特别适用于记录曲线特别适用于记录曲线不规则不规则,外界干扰很频繁的系统外界干扰很频繁的系统衰减衰减曲线曲线法法对生产的影响较小对生产的影响较小,可按一定衰减比可按一定衰减比直接整定直接整定;在记录曲线不规则的情况在记录曲线不规则的情况下下,难于判断衰减比难于判断衰减比可用于不允许产生等幅振荡的对可用于不允许产生等幅振荡的对
38、象象,对于外界干扰频繁、记录曲对于外界干扰频繁、记录曲线不规则的控制系统不适用线不规则的控制系统不适用例题分析2.下图是锅炉的压力和液位控制系统的示意图,试确定系统中控制阀的气开、气关型式及控制器的正反作用。图6-25 锅炉控制在液位控制系统中,如果从安全角度出发,主要是要保证锅炉水位不能太低,则控制阀应选择气关型,以便当气源中断时,能保证继续供水,防止锅炉烧坏。如果要保证蒸汽的质量,汽中不能带液,那么就要选择气开阀,以便气源中断时,不再供水,以免水位太高。例题分析 本题我们假定是属于前者的情况，控制阀应选择气关型，为“-”方向；当供水流量增加时，液位是升高的，故对象为“+”方向；测量变送器一
39、般都是“+”方向，故在这种情况下，液位控制器LC应为正作用方向。在蒸汽压力控制系统中，为了保证气源中断时，能停止燃料供给，以防止烧坏锅炉，故控制阀应选择气开型，为“+”方向；当燃料量增加时，蒸汽压力是增加的，故对象为“+”方向；测量变送器为“+”方向，故压力控制器PC应为反作用方向。6.3复杂控制系统复杂控制系统复杂控制系统串级串级控制控制系统系统 均匀均匀控制控制系统系统比值比值控制控制系统系统分程分程控制控制系统系统 前馈前馈控制控制系统系统 选择选择控制控制系统系统 三冲量三冲量控制系控制系统统 6.3.1 串级控制系统 一、串级控制系统概述 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考
40、当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。虑采用串级控制系统。举例举例说明串级控制系统的结构及其工作原理说明串级控制系统的结构及其工作原理 可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可保证后面精馏分离的质量。可保证后面精馏分离的质量。图6-26 管式加热炉出口温度控制系统6.3.1串级控制系统 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 6.3.1串级控制系统 当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料炉膛的温度，然后通过传热过程才
41、能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约约15min左右，反应缓慢，而温度控制器左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。还需对加热炉的工艺作进一步分
42、析。6.3.1串级控制系统 图6-27管式加热炉出口温度串级控制系统6.3.1串级控制系统图6-28管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图6.3.1串级控制系统 串级控制系统的串级控制系统的工作过程工作过程:干扰干扰F2进入副回路进入副回路 燃料油的压力或组分波动燃料油的压力或组分波动(F2)使使 2变升高：变升高：T2C输出减小输出减小,阀门关小阀门关小,燃料油流量减小燃料油流量减小,2下降下降,1变化很小，基本消变化很小，基本消除干扰除干扰F2的影响；的影响；1升高，升高，T1C 输出减小，输出减小，T2C 给定值减小，给定值减小，T2C输出减小，阀门进一输出减小，阀门进一步关小，燃料油流
43、量减小，步关小，燃料油流量减小，2进一步下降，进一步下降，1升高降低，彻底消除干扰升高降低，彻底消除干扰F2的影响的影响 干扰干扰F1作用于作用于主对象主对象 主回路控制，主回路控制，及时改变副变量的数值及时改变副变量的数值，稳定主变量。稳定主变量。干扰（干扰（F2、F1）同时作用于副对象和主对象）同时作用于副对象和主对象 作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快；作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快；作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。6.3.1串级控制系统 在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自
44、对象不同部位的测量信号1和2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。工艺控制指标，在串级控制系统中起主导工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。作用的被控变量。6.3.1串级控制系统为主变量表征其特性的生产设备。为主变量表征其特性的生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。按主变量的测量值与给定值而工作，其输按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。出作为副变量给定值的那个控制器。串级控制系统中为了稳定主变量或因某串级控制系统中为了稳定主变量或因
45、某种需要而引入的辅助变量。种需要而引入的辅助变量。6.3.1串级控制系统由主变量的测量变送装置，主、副控制器，由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。执行器和主、副对象构成的外回路。由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。控制器。6.3.1串级控制系统图6-29串级控制系统典型方块图6.3.1串级控制系统 二、串级控制系统的特点及应
46、用 串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。6.3.1串级控制系统 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量中间变量作为副变量;另一类选择的副变量就是操纵变量本身另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这这样能及时克服它的波动样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。减小对主变量的影响。6.3.1串级控制系统 通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定
47、不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。图6-30精馏塔塔釜温度串级控制系统1精馏塔；2再沸器6.3.1串级控制系统 在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。6.3.1串级控制系统(1)(1)干扰作用于副回路干扰作用于副回路F2引起2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来；如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度1；
48、如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。6.3.1串级控制系统 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应该使副回路包
49、括主要干扰，可能条件下应力求包括较该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较多的次要干扰。多的次要干扰。6.3.1串级控制系统图6-31 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统如果燃料油的压力比较稳定如果燃料油的压力比较稳定,而燃料油的组分波动较大而燃料油的组分波动较大,那那么么,该图串级控制系统的副回该图串级控制系统的副回路作用就不大。路作用就不大。6.3.1串级控制系统(2)(2)干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。回复设定值副控制器的输出给定值测量值主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度
50、1126.3.1串级控制系统主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。副控制器输出不变，偏差为零时副控制器的测定值主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度212,6.3.1串级控制系统在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。用于主对象上的干扰也能加速克服过程。因此，在串级控因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发
