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1、第二章 简单控制系统第1页，本讲稿共94页1、过程控制系统设计步骤n控制系统设计概述n首先首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；地熟悉所要控制的工艺装置对象；n其次其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；方案；n第三第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性。工
2、艺统的先进性和所用仪表及装置的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术的信心，特别人员要进一步建立对自动化技术的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意倾听自动化专业技术人员的建议；意倾听自动化专业技术人员的建议；n第四第四，设计一定要遵守有关的标准，设计一定要遵守有关的标准行规，按行规，按科学合理的程序进行。科学合理的程序进行。第2页，本讲稿共94页1、过程控制系统设计步骤n确定控制方案确定控制方案 n调研，论证调研，论证n包括被控变量的选择与确认包括被控变量的选择与确认操纵变量的选择与确认操纵变量的选择与确认检测点的检测点的初步选择、绘制
3、出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等等。说明书等等。n仪表及装置的选型仪表及装置的选型 n要考虑到供货方的信誉要考虑到供货方的信誉产品的质量产品的质量价格价格可靠性可靠性精度精度供货方便程度供货方便程度技术支持技术支持维护等因素。维护等因素。n相关工程内容的设计相关工程内容的设计n包括控制室设计包括控制室设计供电和供气系统设计供电和供气系统设计仪表配管和配线设仪表配管和配线设计和联锁保护系统设计等等，提供相关的图表计和联锁保护系统设计等等，提供相关的图表。第3页，本讲稿共94页1、过程控制系统设计步骤n初步设计n初步设计
4、的主要目的是上报审批，并为定货做准备。n施工图设计n是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。n设计文件和责任签字n包括设计校核审核审定各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。n参与施工和试车n设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。n设计回访n在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听取意见，总结经验。第4页，本讲稿共94页2023年1月19日 北京石油化工学院自动化系1、过程控制系统设计步骤以加热炉的控制为例以加热炉的控制为例ORCORCORCORC：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：
5、温度控制器：温度控制器：温度控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器确定控制目标确定控制目标确定控制目标确定控制目标 在安全运行条件下，保证在安全运行条件下，保证在安全运行条件下，保证在安全运行条件下，保证热热热热油出口温度油出口温度油出口温度油出口温度稳定；稳定；稳定；稳定；在安全运行条件下，保证在安全运行条件下，保证在安全运行条件下，保证在安全运行条件下，保证热油热油热油热油出口温度出口温度出口温度出口温度稳定、稳定、稳定、稳定、烟气含氧量烟气含氧量烟气含氧量烟气含氧量稳定；稳定；稳定；稳定；在安全运行条件下，保证在安全运行
6、条件下，保证在安全运行条件下，保证在安全运行条件下，保证热热热热油出口温度油出口温度油出口温度油出口温度稳定，而且稳定，而且稳定，而且稳定，而且加热炉热加热炉热加热炉热加热炉热效率效率效率效率最高；最高；最高；最高；第5页，本讲稿共94页1、过程控制系统设计步骤选择测量参数（被控量）选择测量参数（被控量）选择测量参数（被控量）选择测量参数（被控量）ORCORCORCORC：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：温度控制器：温度控制器：温度控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器对
7、于目标对于目标对于目标对于目标：对于目标对于目标对于目标对于目标 ：对于目标对于目标对于目标对于目标：热油出口温度热油出口温度热油出口温度热油出口温度 热油出口温度、烟气含氧量热油出口温度、烟气含氧量热油出口温度、烟气含氧量热油出口温度、烟气含氧量 热油出口温度热油出口温度热油出口温度热油出口温度、加热炉热加热炉热加热炉热加热炉热 效率（效率（效率（效率（烟气含氧量、排烟烟气含氧量、排烟烟气含氧量、排烟烟气含氧量、排烟 温度、一氧化碳含量等综合计温度、一氧化碳含量等综合计温度、一氧化碳含量等综合计温度、一氧化碳含量等综合计算算算算）第6页，本讲稿共94页1、过程控制系统设计步骤操作量的选择操作
8、量的选择ORCORCORCORC：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：温度控制器：温度控制器：温度控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器对于目标对于目标对于目标对于目标：对于目标对于目标对于目标对于目标 ：对于目标对于目标对于目标对于目标：燃油流量燃油流量燃油流量燃油流量 或或或或 热油流量热油流量热油流量热油流量 燃油流量燃油流量燃油流量燃油流量 或或或或 热油流量、热油流量、热油流量、热油流量、氧气流量氧气流量氧气流量氧气流量（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟
9、道挡板、送 风挡板）风挡板）风挡板）风挡板）燃油流量燃油流量燃油流量燃油流量 或或或或 热油流量热油流量热油流量热油流量、氧气流量氧气流量氧气流量氧气流量（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟道挡板、送 风挡板）风挡板）风挡板）风挡板）第7页，本讲稿共94页控制方案的确定控制方案的确定控制方案的确定控制方案的确定ORCORCORCORC：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器：氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：温度控制器：温度控制器：温度控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器对于目标对于目标对于目标对于目
10、标：对于目标对于目标对于目标对于目标 ：对于目标对于目标对于目标对于目标：a a a a:温度单回路控制系统温度单回路控制系统温度单回路控制系统温度单回路控制系统 b:b:b:b:温度流量串级控制系统温度流量串级控制系统温度流量串级控制系统温度流量串级控制系统 a:a:a:a:温度单回路温度单回路温度单回路温度单回路和和和和烟气含氧烟气含氧烟气含氧烟气含氧 量单回路控制系统量单回路控制系统量单回路控制系统量单回路控制系统 b:b:b:b:将系统看作将系统看作将系统看作将系统看作MIMOMIMOMIMOMIMO进行建模进行建模进行建模进行建模 与目标与目标与目标与目标中中中中a a a a方案类
11、似，但方案类似，但方案类似，但方案类似，但 烟气含氧量的控制属于随烟气含氧量的控制属于随烟气含氧量的控制属于随烟气含氧量的控制属于随 动系统动系统动系统动系统1、过程控制系统设计步骤第8页，本讲稿共94页选择控制算法选择控制算法选择控制算法选择控制算法PIDPIDPIDPID、内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制、内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制、内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制、内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制等等等等等等等等执行器的选择执行器的选择执行器的选择执行器的选择设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系统根据工艺介质
12、等要求选择调节阀的气开、气关方式，根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方式，根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方式，根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方式，流量特性等流量特性等流量特性等流量特性等控制系统的调试和投运控制系统的调试和投运控制系统的调试和投运控制系统的调试和投运控制参数整定等控制参数整定等控制参数整定等控制参数整定等1、过程控制系统设计步骤第9页，本讲稿共94页一个简单控制系统方案的分析一个简单控制系统方案的分析设计，需考虑的问题：设计，需考虑的问题：首先，应分析生产过程中各个变量的性质及其相首先，应分析生产过程中各个变量的性质及其相应关系，分析应关系，分析被控对
13、象被控对象的特点；的特点；然后，根据工艺的要求选择然后，根据工艺的要求选择被控变量被控变量、操纵变量操纵变量，合理合理选择选择控制系统中的控制系统中的测量变送装置、控制器和测量变送装置、控制器和执行器执行器，建立一个较为合理的控制系统。，建立一个较为合理的控制系统。对有多个控制系统的生产过程，还要考虑各个控对有多个控制系统的生产过程，还要考虑各个控制系统之间的相互关联和影响，并按可能使每个制系统之间的相互关联和影响，并按可能使每个控制系统对其它控制系统的影响为最小的原则来控制系统对其它控制系统的影响为最小的原则来建立各个控制系统。建立各个控制系统。为了使一个简单控制系统能够正常的运行，还要为了
14、使一个简单控制系统能够正常的运行，还要考虑考虑控制系统的参数整定及投运控制系统的参数整定及投运等问题。等问题。第10页，本讲稿共94页控制系统的设计目标控制系统的设计目标2 2被控变量的选择被控变量的选择即，要控制什么即，要控制什么基于工艺要求，选择的结果直接影响生产基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）（产品产量、质量、生产安全）第11页，本讲稿共94页分类分类分类分类2 2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择直接控制直接控制直接控制直接控制 最基本的热工参数，一般是可以直接进最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数行测量和控制的参数
15、 温度、压力、液位、流量温度、压力、液位、流量间接控制间接控制间接控制间接控制 质量指标，以及一些特殊的参数质量指标，以及一些特殊的参数成成份份、物物性性参参数数等等，在在一一般般条条件件下下，无法直接测量和控制无法直接测量和控制 应根据工艺参数的关系，用可测应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制的参数，间接进行控制第12页，本讲稿共94页2 2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择例例例例1 1：质量指标是最重要的控制参数质量指标是最重要的控制参数 如塔顶产品的纯度如塔顶产品的纯度 x xD D 但但 x xD D 目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控
16、制。目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。根据精馏原理，根据精馏原理，x xD D=f(T=f(TD D,p),p),即与温度和压力成非线性函数关系。即与温度和压力成非线性函数关系。理论上，固定一项，就可用另一项控制理论上，固定一项，就可用另一项控制x xD D 。一般的，实际中都采用恒定一般的，实际中都采用恒定p p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。苯、甲苯二元精馏系统苯、甲苯二元精馏系统第13页，本讲稿共94页2 2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择选择原则选择原则：（1 1）测量滞后测量滞后 P P （2 2）工艺合理性
17、工艺合理性 T T工艺合理性：工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率规定塔压稳定，保证分离度，保证效率 各块塔板压力恒定，各块塔板压力恒定，X XD D与与T T有对应关系有对应关系选择选择X XD D=F=F（T T）050100%苯、甲苯百分含量（苯、甲苯百分含量（苯、甲苯百分含量（苯、甲苯百分含量（%）050100%T TP一定T一定一定P P第14页，本讲稿共94页2 2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择选择被控变量的原则选择被控变量的原则选择被控变量的原则选择被控变量的原则（1 1 1 1）尽可能选择直接质量指标参数；）尽可能选择直接质量指标参数；）尽可
18、能选择直接质量指标参数；）尽可能选择直接质量指标参数；（2 2 2 2）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好；的可控参数，单值对应关系最好；的可控参数，单值对应关系最好；的可控参数，单值对应关系最好；（3 3 3 3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；（4 4 4 4）考虑工艺
19、的合理性、测量仪表的选择。）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。操纵变量的选择：操纵变量的选择：操纵变量的选择：操纵变量的选择：（1 1 1 1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；（2 2 2 2）不止一个，重要因素）不止一个，重要因素）不止一个，重要因素）不止一个，重要因素第15页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控
20、制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性分析对象特性分析对象特性分析对象特性分析精馏塔精馏塔:影响塔顶成分的有影响塔顶成分的有影响塔顶成分的有影响塔顶成分的有,温度、压力、温度、压力、温度、压力、温度、压力、进料流量、进料成分等进料流量、进料成分等进料流量、进料成分等进料流量、进料成分等 对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（际上都是多输入
21、系统（际上都是多输入系统（际上都是多输入系统（MIMO)MIMO)F1F2FnY第16页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择设计单回路控制系统设计单回路控制系统设计单回路控制系统设计单回路控制系统:必须从影响被控量的诸多影响参数中必须从影响被控量的诸多影响参数中 选择一个，作为选择一个，作为操纵变量操纵变量 其它影响量则只能视作干扰量了其它影响量则只能视作干扰量了控制：控制：控制：控制：用操纵量克服干扰量对被控变量的影响用操纵量克服干扰量对被控变量的
22、影响F1(s)F2(s)U(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1(s)+GPD2(s)F2(s)第17页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择操纵量操纵量操纵量操纵量输出：控制通道输出：控制通道输出：控制通道输出：控制通道干扰量干扰量干扰量干扰量输出：干扰通道输出：干扰通道输出：干扰通道输出：干扰通道干扰作用与控制作用相互对立而存在干扰作用与控制作用相互对立而存在干扰作用与控制作用相互对立而存在干扰作用与控制作用相互对立而存在
23、问题：如何选择一个良好的操纵变量。问题：如何选择一个良好的操纵变量。问题：如何选择一个良好的操纵变量。问题：如何选择一个良好的操纵变量。分析通道特性分析通道特性分析通道特性分析通道特性通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路第18页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 干扰通道特性分析干扰通道
24、特性分析干扰通道特性分析干扰通道特性分析Gc(s)Gc(s)GGPCPC(s)(s)GGPDPD(s)(s)R(s)R(s)E(s)E(s)F(s)F(s)Y(s)Y(s)=GGPDPD(s)(s)1+1+Gc(s)Gc(s)GGPCPC(s)(s)Y(s)Y(s)F(s)F(s)干扰作用下的闭环传递函数为：干扰作用下的闭环传递函数为：第19页，本讲稿共94页1.1.对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1 1）放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数KKf f的影响的影响的影响
25、的影响结论：结论：KKf f越大，系统的余差也越大，越大，系统的余差也越大，控制质量越差控制质量越差Y(Y()=)=KKf f1+K1+KCCKKo o分析过程：分析过程：Y(s)=Y(s)=GGPDPD(s)(s)1+1+Gc(s)Gc(s)GGPCPC(s)(s)F(s)F(s)第20页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（2 2）时间常数时间常数时间常数时间常数T Tf f的影响的影响的影响的影响 结结论论：T Tf f越越大大，个个数数越越多
26、多，干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响越越小小，系统的动态偏差越小，系统的动态偏差越小，控制质量提高控制质量提高 干扰进入系统的位置干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大被控变量的影响也越大 第21页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3 3）纯滞后纯滞后纯滞后纯滞后f f的影响的影响的影响的影响 结论结论：干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，干扰
27、通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，只是滞后了干扰对控制的影响只是滞后了干扰对控制的影响只是滞后了干扰对控制的影响只是滞后了干扰对控制的影响 Y(s)=Y(s)=GGPDPD(s)e(s)e-s s1+1+Gc(s)Gc(s)GGPCPC(s)(s)F(s)F(s)第22页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 控制通道特性分析控制通道特性分析控制通道特性分析控制通道特性分析Gc(s)Gc(s)GGPCPC(s)
28、(s)GGPDPD(s)(s)R(s)R(s)E(s)E(s)F(s)F(s)第23页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1 1）放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数KK0 0的影响的影响的影响的影响静态静态：控制通道放大倍数控制通道放大倍数K K0 0大，控制系统稳态余差小，见式（大，控制系统稳态余差小，见式（1-71-7）动态动态：控制系统衰减比：控制系统衰减比与与Kc Kc 与与K K0 0的乘积有关，见式（的乘积有关，见式（1-181-18），
29、且），且 Kc Kc K K0 0越大，越大，越小，稳定性差，因此，要保证越小，稳定性差，因此，要保证Kc KKc K0 0=常数。常数。在在Kc KKc K0 0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，从控制角度看，K K0 0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望一般希望K K0 0大些好大些好第24页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的
30、选择（2 2）时间常数时间常数T T0 0的影响的影响从控制系统传递函数推导进行分析从控制系统传递函数推导进行分析 结结论论：控控制制通通道道的的时时间间常常数数大大，经经过过的的容容量量数数多多，系系统统的的工工作作频频率率低低，控控制制不不及及时、系统控制质量差，如温度系统。时、系统控制质量差，如温度系统。一般一般希望控制通道时间常数小些好希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统差，如流量系统 第25页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对
31、控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3 3）纯滞后纯滞后 0 0的影响的影响 结论结论：纯滞后纯滞后0 0的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，降低稳定性。降低稳定性。控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。须重视。第26页，本讲稿共94页3 3对象特性对控制质量的影响及操纵变
32、量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择操纵变量的选择操纵变量的选择操纵变量的选择操纵变量的选择 兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。宜作为操纵变量。实质上是决定了控制通道的选择。实质上是决定了控制通道的选择。原则原则：（1 1）操纵变量必须可控操纵变量必须可控（2 2）选择通道放大倍数相对大的选择通道放大倍数相对大的（3 3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道）选择通道时间常数相对小的（干扰通道时间常数大些）时间常数大些）（4 4
33、）选择通道的纯滞后尽量小）选择通道的纯滞后尽量小（5 5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀第27页，本讲稿共94页4 4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制系统的执行部件控制系统的执行部件控制系统的执行部件控制系统的执行部件接受控制器的命令执行控制任务。接受控制器的命令执行控制任务。接受控制器的命令执行控制任务。接受控制器的命令执行控制任务。选择内容：选择内容：选择内容：选择内容：口径大小、开闭形式、流量特性、结构形口径大小、开闭形式、流量特性、结构形口径大小、开闭形式、流量特性、结构形口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式式式式第28
34、页，本讲稿共94页口径大小口径大小口径大小口径大小 直接决定介质流过的能力直接决定介质流过的能力直接决定介质流过的能力直接决定介质流过的能力1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择 通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。的可控范围。的可控范围。的可控范围。口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径过大，正常流量时阀门处于小
35、的开度，阀的特性不好；口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。第29页，本讲稿共94页开闭形式开闭形式开闭形式开闭形式 气动控制阀：气动控制阀：气动控制阀：气动控制阀：1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择 电动控制阀：电动控制阀：电动控制阀：电动控制阀：一般均为电开式（电机带动阀门）一般均为电开式（电机带动阀门）一般均为电开式（电机带动阀门）一般
36、均为电开式（电机带动阀门）气开式气开式气开式气开式输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度增大；阀的开度增大；阀的开度增大；阀的开度增大；气闭式气闭式气闭式气闭式输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度减小；阀的开度减小；阀的开度减小；阀的开度减小；第30页，本讲稿共94页控制阀的气开、闭形式的选择原则：控制阀的气开、闭形式的选择原则：控制阀的气开、闭形式的选择原则：控制阀的气开、闭形式的选择原则：4 4
37、控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择（1 1）安全角度：）安全角度：）安全角度：）安全角度：即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）门全闭（气开
38、式）或阀门全开（气闭式）门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）如：锅炉燃气控制阀如：锅炉燃气控制阀如：锅炉燃气控制阀如：锅炉燃气控制阀气开式气开式气开式气开式（2 2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量（3 3）消耗角度：原料、成品及动力消耗）消耗角度：原料、成品及动力消耗）消耗角度：原料、成品及动力消耗）消耗角度：原料、成品及动力消耗（4 4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素）介质特点：特殊
39、介质，考虑气结晶、蒸发等因素）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要求时，可以任选求时，可以任选求时，可以任选求时，可以任选第31页，本讲稿共94页1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择流量特性流量特性流量特性流量特性 流量特性：
40、指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系之间的关系Q/Qmax=f(L/Lmax)Q/Qmax相对流量相对流量f(L/Lmax)相对开度相对开度第32页，本讲稿共94页1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择流量特性流量特性流量特性流量特性 目前控制阀的特性有三种：目前控制阀的特性有三种：目前控制阀的特性有三种：目前控制阀的特性有三种：线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性 L/Lm
41、axL/LmaxF/FmaxF/Fmax第33页，本讲稿共94页 一般的，生产负荷变化一般的，生产负荷变化对象特性发生变化对象特性发生变化 如，热交换器：如，热交换器：负荷（被加热的流体）增大：负荷（被加热的流体）增大：通过热交换器的时间缩短，通过热交换器的时间缩短，纯滞后减小；纯滞后减小；特性改变特性改变 流速增大，传热效果变好流速增大，传热效果变好 控控制制系系统统投投运运时时，已已经经整整定定好好了了PIDPID参参数数，一一旦旦对对象象特特性发生变化时，原来好的性发生变化时，原来好的PIDPID参数就变得不好了参数就变得不好了1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择
42、流量特性流量特性流量特性流量特性 什么时候选择非线性特性？什么时候选择非线性特性？什么时候选择非线性特性？什么时候选择非线性特性？第34页，本讲稿共94页（1 1）选择自整定调节器，代价大）选择自整定调节器，代价大（2 2）通过控制阀的特性选择进行弥补）通过控制阀的特性选择进行弥补 K 1 /K K 1 /K0 0G G0 0如对象负荷静态部分如对象负荷静态部分K K0 0与控制阀流量与控制阀流量F F成反比，成反比，对象负荷动态部分对象负荷动态部分G G0 0与控制阀流量与控制阀流量F F成正比，成正比，控制阀特性取线性；控制阀特性取线性；P15 P15 表表1-1 1-1 控制阀流量特性的
43、选择控制阀流量特性的选择 课本课本P15P15分析的例子分析的例子P16 P16 表表1-2 1-2 控制阀流量特性经验选择控制阀流量特性经验选择4 4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择流量特性流量特性流量特性流量特性 解决办法：解决办法：第35页，本讲稿共94页4 4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择结构形式结构形式结构形式结构形式 直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、隔膜阀、三通阀隔膜阀、三通阀适用于不同工艺场合适用于不同工艺场合表表1-41-4 ABC第36页，本讲稿共94页4 4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择
44、控制阀的选择阀门定位器阀门定位器阀门定位器阀门定位器 控制阀的辅助装置控制阀的辅助装置 接受控制器信号，输出控制控制阀接受控制器信号，输出控制控制阀 作用：作用：提高控制阀控制精度，准确定位；提高控制阀控制精度，准确定位；功率放大；功率放大；可改变控制阀流量特性；可改变控制阀流量特性；可实现分程控制可实现分程控制 第37页，本讲稿共94页5 5 测量及传送滞后的影响及消除方法测量及传送滞后的影响及消除方法测量及传送滞后的影响及消除方法测量及传送滞后的影响及消除方法第38页，本讲稿共94页检测变送环节的性能检测变送环节的性能n检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和检测元件和变送器的基本要求是准
45、确、迅速和可靠。可靠。按照生产过程的工艺要求，首先确定传按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。等级。n选择检测元件时应考虑该元件能否适应工业生选择检测元件时应考虑该元件能否适应工业生产过程环境；能否长期稳定运行；产过程环境；能否长期稳定运行；测量仪表反测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器，考虑数小的传感器、变送器，考虑精确度和响应的精确度和响应的快速性等。还应考虑检测元件和变送器的线性快速性等。还应考虑检测元件和变送器的线性特性等。特性等。
46、第39页，本讲稿共94页n仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合理选择仪表的精应合理选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要求为原则确度，以满足工艺检测和控制要求为原则。检测变送仪表的。检测变送仪表的量程量程应满应满足读数误差的精确度要求，同时应尽量选用足读数误差的精确度要求，同时应尽量选用线性特性线性特性,仪表量程大仪表量程大Km小，而仪表量程小则小，而仪表量程小则Km大大。n检测元件和变送器增益检测元件和变送器增益Km的线性度与整个闭环控制系统输入的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关输出的线性度有关，当控制回路的前向增益足够大时，整个闭环
47、控，当控制回路的前向增益足够大时，整个闭环控制系统输入输出的增益是制系统输入输出的增益是Km的倒数。的倒数。例如，采用孔板和差压变送器检测变送流体的流量时，由于差压例如，采用孔板和差压变送器检测变送流体的流量时，由于差压与流量之间的非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整与流量之间的非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整个控制系统开环增益非线性。个控制系统开环增益非线性。第40页，本讲稿共94页n相对于过程的时间常数，大多数相对于过程的时间常数，大多数检测变送环节的时间常数是较检测变送环节的时间常数是较小小的。但的。但成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大成分检测变送环节的时间常数和时滞
48、会很大；气气动仪表的时间常数较电动仪表要大动仪表的时间常数较电动仪表要大；采用保护套管温度计检采用保护套管温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。n此外，应考虑此外，应考虑时间常数随过程运行而变化时间常数随过程运行而变化的影响。的影响。例如，由于保护套管结垢，造成时间常数增大，保护套管磨损，例如，由于保护套管结垢，造成时间常数增大，保护套管磨损，造成时间常数减小等。造成时间常数减小等。对检测变送环节时间常数的考虑主要应根据检测变送、被控对检测变送环节时间常数的考虑主要应根据检测变送、被控对象和执行器三者时间常数的匹配，
49、即增大最大时间常数与次大对象和执行器三者时间常数的匹配，即增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值。时间常数之间的比值。第41页，本讲稿共94页对检测变送信号的处理对检测变送信号的处理n检测变送信号的数据处理包括信检测变送信号的数据处理包括信号补偿、线性化、信号滤波、数号补偿、线性化、信号滤波、数学运算、信号报警和数学变换等。学运算、信号报警和数学变换等。42/49第42页，本讲稿共94页 信号补偿信号补偿n热电偶检测温度时，由于产生的热电势不仅与热端温度有关，热电偶检测温度时，由于产生的热电势不仅与热端温度有关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温
50、度补偿；n热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，所用连接导线的类热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，所用连接导线的类型和规格不同，线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿；型和规格不同，线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿；n气体流量检测时，若检测点温度、压力与设计值不一致，因此需气体流量检测时，若检测点温度、压力与设计值不一致，因此需要进行温度和压力的补偿；要进行温度和压力的补偿；n精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持恒定，可直接用温度进行控制，当塔压变化时，需要用塔压对恒定，可直接用温度进行控制，当塔压变化时，需要用塔压