过程控制技术-第四章 简单控制系统

过程控制技术被控变量与操纵变量的选择控制阀的选择4简单控制系统图4-1所示的热交换器的温度控制系统就是一个典型的单回路控制系统。图4-1简单温度控制系统4简单控制系统从系统的方块图看，只有一个闭环回路。如图4-2所示。图4-2简单控制系统的方块图在本章中，将要介绍单回路控制系统设计、运行中的有关问题。4简单控制系统被控变量与操纵变量的选择被控变量的选择被控变量应该能够最好地反映工艺生产状态的参数，所以它的选择是控制方案设计中的重要一环，对于保证生产稳定、高产、优质、低耗和安全运行起着决定性的作用。若被控变量选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的仪器仪表，均不能达到预期的控制效果。所以被控变量选择方法有两种：4简单控制系统（1）直接参数法选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如图4-1所示的温度控制系统，工艺生产要求介质的出口温度保持稳定，所以被控变量就直接选取介质的出口温度，一般这种方法较易确定。4简单控制系统（2）间接参数法选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。例如氨合成塔的控制，在合成塔中进行的化学反应是。这是一个可逆反应，在达到平衡时，只能有一部分的氢氮转化为氨。因而这个反应主要由平衡条件控制，即要把合成塔操作好，就必须要控制一定的转化率。转化率不能直接测量，但它和工作温度间有一定的关系。像中小型的合成塔中催化剂层用气体冷却，属外绝热反应，转化率和温度及催化剂床层深度之间的关系如图4-3所示，即在反应床中有最高温度点—热点温度。4简单控制系统图4-3催化剂层深度与温度关系4简单控制系统从上面的例子可以看出，要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求，在这个基础上，可归纳出选择被控变量的原则。（1）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决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。（2）当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数作为被控变量。满足工艺的合理性。具有尽可能大的灵敏度且线性好。测量变送装置的滞后小。4简单控制系统4.1.2操纵变量的选择被控变量所以要控制，就是因为生产过程中存在着影响被控变量偏离设定值的干扰。所谓选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数（见图4-2，对象方块的输入参数）中，选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。通过改变操纵变量去克服干扰的影响，使被控变量回到设定值。4简单控制系统被控对象特性可由两条通道来进行描述，即控制通道（操纵变量对被控变量影响的通道）和干扰通道（干扰变量对被控变量影响的通道）。在生产过程中可能有几个控制变量可供选择，这就需要通过分析比较不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出合理地选择，所以操纵变量的选择问题，实质上是组成什么样的被控对象的问题。因而在讨论操纵变量如何选择之前，先来研究对象特性对控制质量的影响。4简单控制系统4.1.2.1对象静态特性对控制质量的影响对象静态特性可用放大倍数进行描述。设控制通道放大倍数为K0，扰动通道放大倍数为Kf。在选择操纵变量构成自动控制系统时，一般希望K0要大些，这是因为的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度。大表明操纵变量对被控变量的影响显著，控制作用强，这是所希望的。但当过大，控制过于灵敏，超出控制器比例度所能补偿的范围时，会使控制系统不稳定，所以应适当大些。4简单控制系统另一方面扰动通道放大倍数Kf则越小越好。小表示扰动对被控变量的影响小，系统的可控性好。所以在选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数越小越好，而控制通道放大倍数希望适当大些，以使控制通道灵敏些。4简单控制系统4.1.2.2对象动态特性对控制质量的影响对象的动态特性一般可由时间常数T和纯滞后时间来描述。设扰动通道时间常数为Tf，纯滞后时间为，控制通道的时间常数为T0，纯滞后时间为，下面分别进行讨论。（1）扰动通道特性的影响首先讨论对控制质量的影响。当扰动为阶跃形式时，扰动通道的输出随的不同其响应曲线如图4-4所示.图中。图4-4不同时的响应曲线可知，曲线（1）的形式影响较大，曲线（2）的形式影响小。因而可以认为扰动通0f4简单控制系统4简单控制系统图4-5对响应曲线的影响•下面讨论纯滞后时间对控制质量的影响。同一输入对象有无纯滞后，对其输出特性曲线的形状无影响，只是滞后一段时间，如图4-5所示。由图可知扰动通道中存在纯滞后时不影响控制质量。图4-54简单控制系统（2）控制通道的影响控制通道中时间常数小，反应灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响，但时间常数过小（与控制阀和测量变送器时间常数相接近），容易引起过渡的振荡。时间常数过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡过程时间增长。4简单控制系统由于能量和物料的输送需要一定的时间，所以在控制通道中往往存在纯滞后时间。的存在使操纵变量对被控变量的作用推迟了这段时间。由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过度过程振荡加剧，结果过渡时间也增长。越大，这种现象越显著，控制质量就越坏。所以在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道中的尽量小些，并且设法减小。4简单控制系统(3)操纵变量的选择原则因为干扰是影响生产正常进行的破坏性因素，所以希望它对被控变量的影响越小越慢越好。而操纵变量是克服干扰影响使生产重新平稳运行的因素，因而希望它能及时克服干扰的影响。通过以上的分析可以总结出操纵变量的选择原则有以下几条：（1）设计构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。（2）系统主要扰动通道特性应具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。（3）应考虑工艺上的合理性。如果生产负荷直接关系到产品的质量，那么就不宜选为操纵变量。4简单控制系统4.2控制阀的选择控制阀是控制系统中十分重要的一个环节，因为它最终执行控制任务，且和工艺介质直接接触，工作条件比较恶劣。控制阀选择的好坏，对系统能否很好地起控制作用关系甚大。在学过控制仪表的基础上，将继续探讨控制阀中的一些工程应用问题。在工程设计中，主要从以下诸方面加以选择。4简单控制系统①控制阀的结构形式的选择，例如在高温或者低温介质时，要选用高温或低温控制阀;在高压差时选用角形控制阀;在大口径、大流量、低差压，而泄漏量要求不高时，选用蝶阀，并配用角行程执行机构；在控制强腐蚀性、或易结晶介质时，选用隔膜控制阀；在分流或合流控制时，选用三通控制阀等等。4简单控制系统②控制阀公称直径的选择，控制阀的机械尺寸是以公称直径DN来表示的，它和工艺管道的公称直径不是一回事。应根据工艺生产过程所提供的常用流量或者最大流量、以及控制阀在工作时，两端的压差，正常流量下的压差或者最大流量下的最小压差，通过控制阀流量系数C的计算，经过圆整后，从控制阀产品手册中查取流量系数C100，进而得到控制阀的公称直径4简单控制系统③控制阀的公称压力PN，一般为1.6、4.0、6.4、16.0和大于16.0（MPa）几种等级，它应和工艺管道的压力等级相同。如果选择趋于保守，将造成投资急剧上升，控制阀十分笨重，于安装维护不利。④控制阀气开、气关的选择；4简单控制系统⑤控制阀流量特性的选择等等。见图4-6气动控制阀由两部分组成，即气动薄膜执行机构和控制阀，前者接受控制器的输出信号，获得能量使阀杆移动，后者通过阀门开度的变化来改变通过阀门的流量。气动薄膜控制阀的特性，一般可以用一阶惯性环节的形式来表示。放大系数KV是阀的静特性，时间常数TV是阀的动特性。为了克服负荷变化对控制质量的影响，要认真研究阀特性。4简单控制系统4简单控制系统4.2.1控制阀的流量特性控制阀的流量特性，是指流体通过阀门的相对流量，与阀门相对开度之间的关系，即式中Q/Qmax——相对流量，是指控制阀在某一开度下的流量与最大流量的比值；l/L——相对开度，即控制阀在某一开度下的行程与全行程之比。LlfQQmax4简单控制系统一般来说，改变控制阀的阀芯、阀座间的节流面积，便可以控制流量。但实际上由于各种因素的影响，如在节流面积改变的同时还会引起阀前后差压的变化，而差压的变化也会引起流量的变化，因此为了分析方便，假设阀前后差压是固定的，即△p=常数4简单控制系统4.2.1.1控制阀理想流量特性一般理想流量特性是由阀芯的形状确定的。图4-8所示的四种阀芯，分别对应着四种典型4简单控制系统直线流量特性和对数流量特性控制阀是工业上最常用的两种流量特性，下面重点介绍这两种阀流量特性的特点。（1）直线流量特性直线流量特性是指控制阀的相对开度与相对流量间成直线关系，其数学表达式为式中K——常数。KLldQQd)()(max4简单控制系统（2）等百分比（对数）流量特性等百分比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。数学表达式为：)()()(maxmaxQQKLldQQd4简单控制系统从上述计算结果可见，对数流量特性的控制阀相对开度变化时引起的Q/Q增量总是相等的。根据这一特性，习惯上又称对数流量特性为等百分比流量特性。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。因此它在全行程范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。4简单控制系统（3）快开流量特性快开流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与该点相对流量值的倒数成正比关系。数学表达式为：1maxmax)()()(QQKLldQQd4简单控制系统（4）抛物线流量特性抛物线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相对流量值的平方根成正比。数学表达式为：21maxmax)()()(QQKLldQQd4简单控制系统4.2.1.2控制阀工作流量特性在实际生产中，同控制阀一起串联着的设备、阀门、管道等，都是阻力元件。因此当流量变化时控制阀两端的压差是变化的。在这种情况下，控制阀的相对开度和相对流量之间的关系，称为工作流量特性。为了表明工艺配管对控制阀流量特性的影响，定义一个称为阻力比的系数s值。它的意义是控制阀全开时阀门上的压力降与包括控制阀在内的整个管路系统的压力降的比值。4简单控制系统式中——控制阀全开时阀上的压力降;——包括控制阀在内的全部管路系统总的压力降。阀全开P总P过程控制技术第十讲控制阀的选择（二）4简单控制系统4.2.2控制阀流量特性的选择4.2.2.1根据对象特性选择控制阀的流量特性图4-11换热器出口温度控制系统在实际生产中，负荷往往是会发生变化的，而负荷的变化又往往会导致对象特性发生变化。例如图4-11所示的换热器，被加热液体的出口温度是通过改变蒸汽量来保持的，其设备负荷为被加热的液体流量。先讨论负荷对静特性的影响。该换热器的静态平衡关系由热量平衡方程而得。4简单控制系统4简单控制系统由式（4-7）得图4-12控制阀特性补偿示意图对于一个换热器来说，当被加热的液体流量（即生产负荷）增大时，其通过热交换器的时间将会缩短，纯滞后时间因此会减小。同时，由于流速增大，传热效果变好。于是容量滞后，时间常数也会减小。FdFdTS1图4-12控制阀特性补偿示意图4简单控制系统由于目前我国生产的控制阀，只有直线、等百分比、快开三种流量特性，并且对于快开特性，一般应用于双位和程序控制系统，因此，控制阀流量特性的选择，实际上是如何选择直线和等百分比流量特性。4简单控制系统如果忽略对象动特性的变化，则控制阀流量特性的选取的原则是：使广义对象总的放大系数为常数，即广义对象的静特性呈线性。也就是适当选择阀的特性，以阀的放大系数变化来补偿对象放大系数的变化，从而保持广义对象总的放大