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燕山石化教育培训中心仪表自动化成玉青2007.11.2燕山石化教育培训中心中石化催化裂化装置高级技师培训班技师/高级技师要会初级工、中级工、高级工和技师/高级技师所有的题库内容。基本要求燕山石化教育培训中心简单调节系统又称单回路反馈控制系统，是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器和一只调节阀所组成的单回路闭合控制系统。它是石油、化工等许多部门生产过程中最常见、应用最广泛、数量最多的控制系统。简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程控制要求，因而应用很广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后小，时间常数小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分等五种控制系统。燕山石化教育培训中心中间贮槽液位人工调节示意图燕山石化教育培训中心燕山石化教育培训中心自动调节系统方块图自动调节系统是一个带负反馈的闭环系统。燕山石化教育培训中心任何一个简单的自动调节系统，可以概括成由两大部分组成：一部分是为实现自动调节所必须的自动化装置；另一部分是自动化装置控制下的生产设备。最基本的自动化装置主要由三部分构成：测量元件与变送器：其作用就是测量并将测量结果转化为一种特定的信号，传送给自动调节器。自动调节器：接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将结果用特定信号发送给执行器。执行器：根据自动调节器发出的信号改变阀门的开启度。燕山石化教育培训中心简单控制系统由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成。燕山石化教育培训中心自控系统基本类型按照给定值是否变化以及如何变化，可以分三类：（1）定值控制系统（给定值不发生变化）（2）随动控制系统（给定值随机变化）（3）程序控制系统（给定值是时间的函数）燕山石化教育培训中心(1).被控对象和过程变量I.被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。II.被控变量：对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。III.控制变量（操纵变量）：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。术语介绍燕山石化教育培训中心Ⅳ.干扰（前馈）：除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。Ⅴ.偏差：偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。燕山石化教育培训中心(2).系统运行的基本要求自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的(3).正作用与反作用输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器燕山石化教育培训中心(4).静态（稳态）和动态静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。若控制系统是稳定的，设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，或称为“稳态”。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。如果系统原来处于静态，当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，改变调节器输出，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。燕山石化教育培训中心(5).过渡过程过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程XX√？一般是不允许的除开关量控制回路X燕山石化教育培训中心过渡过程的品质指标过渡过程品质指标示意图燕山石化教育培训中心最大偏差在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值A，上图所示。当然，最大偏差是越小越好，其值越大就表示被调参数偏离给定值也越大，偏离的时间也越长。即系统离开规定的工艺参数指标也越远，但不能超过工艺规定的被调参数的短暂最大偏离值，否则就会影响产品质量或引起事故。故工艺技术人员和操作人员，要提出允许最大偏差值。有时也用超调量B来表示被调参数偏离给定值的程度，即图中第一个峰值A与新稳定值C的差值，即B=A-C。燕山石化教育培训中心衰减比衰减比是表示过渡过程振荡剧烈程度的一个指标。用它可以判断是否衰减以及衰减的程度，实际上就是判断调节系统能否建立新的平衡状态，以及建立平衡状态的快慢程度。衰减比就是衰减振荡过程前后两个波的峰值之比，在上图中，就是B:B’，习惯上表示为n:1。一般希望衰减比为4:1，即被调参数在经过两个波峰以后就可以认为是稳定下来了。根据工艺情况不同，一般取n为4到10之间。燕山石化教育培训中心余差和过渡时间当过渡过程结束后，被调参数的新稳态值与给定值的差值，叫做余差。在上图中以C表示。一般希望余差越小越好，但在实际生产中也并不是要求任何调节系统的余差都很小。从干扰作用发生的时刻起，直到系统又建立新的平衡稳态值的±5％这一范围之内所经历的时间，叫过渡时间或调节时间，如上图中的Tp。显然，过渡时间力求短一些为好。燕山石化教育培训中心振荡周期振荡周期Ts就是衰减过程振荡一次所需要的时间，即被调参数变化从第一个波峰到同侧第二个波峰之间的时间。在相同的衰减比下，例如4：1，参数都是经过两次振荡之后就可以回到稳态值，因此振荡周期短，则被调参数达到稳态值的时间就短，一般希望Ts小一点，但也不能太小，否则被调参数波动频率就高，仪表的工作就频繁，会使仪表使用寿命缩短。以上五项指标中，只有余差是静态特性，其余的都是属于动态特性。燕山石化教育培训中心常见执行器执行器的作用接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量的目的。气动执行器电动执行器液动执行器气动阀电动阀在过程控制领域应用很少按阀门的输出：连续式(0～100％)开关式(ON/OFF)调节阀分类－按使用的能源形式：燕山石化教育培训中心电磁阀是利用电磁力的作用，推动阀芯换位，以实现气流或液流换向的阀类。注意燕山石化教育培训中心执行器的组成气动执行器（调节阀）由执行机构（膜头）和调节机构（阀体）组成。燕山石化教育培训中心气动薄膜式执行机构基本结构气源PO气源PO正作用式执行机构气动执行机构的输入气信号增加时，其推杆向下移动反作用式执行机构气动执行机构的输入气信号增加时，其推杆向上移动燕山石化教育培训中心气动活塞式执行机构基本结构和工作原理基本部件：活塞和气缸活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。P1P2燕山石化教育培训中心薄膜式和活塞式薄膜式活塞式燕山石化教育培训中心调节机构调节机构（阀体）是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀座内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。按照不同的使用要求，调节阀主要有以下几种:直通单座调节阀、直通双座调节阀、角型调节阀、高压调节阀、隔膜调节阀、蝶阀、三通调节阀、球阀、偏心旋转阀、笼式阀（套筒阀）。燕山石化教育培训中心偏心阀特别适用于高粘度，高压差，流通能力大，以及调节系统要求密封，可调范围宽（100：1）的场合。控制阀所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值，称为控制阀的可调范围或可调比。燕山石化教育培训中心正反作用正作用（正装）：阀芯向下，流通面积减少反作用（反装）：阀芯向上，流通面积增大燕山石化教育培训中心反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小气动调节阀通常称为气关阀正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大气动调节阀通常称为气开阀执行器的作用方式调节阀阀芯的正反装正装：调节阀阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间的流通面积减小。反装：调节阀阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间的流通面积增大。燕山石化教育培训中心执行机构和阀体的组合形式图号执行机构阀体气动调节阀(a)正作用正装气关式(b)正作用反装气开式(c)反作用正装气开式(d)反作用反装气关式燕山石化教育培训中心选用原则：从安全生产的角度来确定正反作用。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。另外，还要考虑：事故状态下，减少原料或动力消耗，保证产品质量；考虑介质的特性。燕山石化教育培训中心储罐液位调节系统，当调节阀装在出口管线上时，应选风开式调节阀。燕山石化教育培训中心流量特性直线：阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。也就是说，当阀门在小开度时控制作用太强；而在大开度时控制作用太弱，不利于控制系统的正常运行。等百分比（对数）：阀的相对开度与相对流量成对数关系。在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；流量大时，流量变化大，控制灵敏有效。抛物线：阀的相对流量与相对开度成抛物线关系，介于直线与对数之间。快开：在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化大，；流量大时，流量变化小，当阀门在小开度时控制作用太强；而在大开度时控制作用太弱，只适用于特殊要求的场合。燕山石化教育培训中心调节器的调节规律，是指调节器的输入和输出之间的关系。调节器的输入信号是给定值x(t)与测量值y(t)之差，即偏差e(t)。e(t)＝x(t)-y(t)调节器的输出信号是送到执行机构的控制命令p(t)。因此，调节器的输出信号p(t)随输入信号e(t)变化的规律，即调节器的调节规律。PID控制器燕山石化教育培训中心调节器的基本调节规律有比例，积分和微分等几种。工业上所用的调节规律是其基本规律之间不同的组合。不同的调节规律适用不同特性和要求的工艺生产过程。若对调节器的选用不当，不是白白增加投资，就是不能满足工业生产要求。燕山石化教育培训中心双位调节的动作规律是当测量值大于给定值时，调节器的输出为最小（或最大），而当测量值小于给定值时，则输出为最大（或最小），即调节器只有两个输出值。相应的调节机构也只有开和关两个极限位置。燕山石化教育培训中心比例控制器（P）输出信号的变化量与输入信号的变化量之间成比例关系，这种控制规律称为“纯比例控制”比例控制器的作用是调整系统的开环比例系数，提高系统的静态精度，加快系统的响应速度，但对于高于二阶的系统，比例系数过大会造成系统的不稳定。比例控制最大的优点是反应快，控制作用及时最大的缺点是控制结果存在余差燕山石化教育培训中心纯比例控制用数学形式表示，可写成：P=Kpe式中P—比例调节器的输出变化Kp—比例系数，e一调节器偏差输入值在一般比例调节器的刻度盘上，都不直接用比例系数Kp作为刻度，而习惯用比例度δ(或称比例带，比例范围)来刻度。燕山石化教育培训中心比例度的意义就是使调节器输出变化满刻度时，偏差输入对应于满刻度的百分数。是调节器放大倍数的倒数，即δ=1/Kp×100%。比例度δ越小，调节器的放大倍数Kp就越大，它的动作就越灵敏。反之，比例度越大，放大倍数就越小，调节器的动作就越不灵敏。调节器的比例作用功能有两点：一是把测量值和给定比较，得出偏差；二是发出一个与偏差大小成比例的输出信号去控制调节阀。燕山石化教育培训中心积分控制器（I）调节器的输出是偏差随时间的积分积分控制器的作用是消除系统的静态误差，只要有偏差存在，调节器输出会不断变化，直到偏差为0。但积分控制有时会改变系统的稳定性，降低系统响应速度，所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。积分控制最大的优