单回路操纵系统原理.docx

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单回路操纵系统原理

单回路操纵系统原理

一、进程操纵的特点

与其它自动操纵系统相较，进程操纵的要紧特点是：

一、系统由工业上系列生产的进程检测操纵仪表组成。

一个简单的进程操纵系统是由操纵对象和进程检测操纵仪表（包括测量元件，变送器、调剂器和调剂阀）两部份组成。

如图1：

液位操纵系统

Q1

Q2

f（t）

x（t）e（t）p（t）q（t）y（t）

z（t）

测量变送Km

KC：

调剂器的静态放大系数

KV：

调剂阀的静态放大系数

K0：

被控对象的静态放大系数

Km：

变送器的静态放大系数

二、被控对象的设备是已知的，对象的型式很多，它们的动态特性是未知的或是不十分清楚的，但一样具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。

3、操纵方案的多样性。

有单变量操纵系统、多变量操纵系统；有线性系统、有非线性系统、；有模拟量操纵系统、有数字量操纵系统，等等。

这是其它自动操纵系统所不能比拟的。

4、操纵进程属慢进程，多半属参量操纵。

即需对表征生产进程的温度、流量、压力、液位、成份、PH等进行操纵。

五、在进程操纵系统中，其给定值是恒定的（定值操纵），或是已知时刻的函数（程序操纵）。

操纵的要紧目的是在于如何减少或排除外界扰动对被控量的阻碍。

工业生产要实现生产进程自动化，第一必需熟悉生产进程，把握对象特点；同时要熟悉进程参数的要紧测量方式，了解仪表性能、特点，依照生产工艺要求和反馈操纵理论的分析方式，合理正确地构建进程操纵系统；而且通过改变调剂仪表的PID特性参数，使系统运行在最佳状态。

进程操纵系统的品质是由组成系统的对象和进程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。

二、单回路操纵系统原理

如图1所示单回路操纵系统由对象、测量变送器、调剂器、调剂阀等环节组成。

由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能知足一样生产进程的操纵要求，因此应用十分普遍。

单回路操纵系统的设计原则一样适用于复杂操纵系统的设计，操纵方案的设计和调剂器整定参数值的确信，是系统设计中的两个重要内容。

若是操纵方案设计不正确，仅凭调剂器参数的整定是不可能取得较好的操纵质量的；反之，若是操纵方案设计专门好，可是调剂器参数整定不适合，也不能使系统运行在最佳状态。

1、选择被控参数

关于一个生产进程来讲，阻碍正常操作的因素是很多的，可是，并非对所有阻碍因素都需要加以操纵。

选择被控参数的一样原则为：

[1]、选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境爱惜等具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。

[2]、当不能用直接参数（如测量滞后过大）作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。

[3]、被控参数必需具有足够大的灵敏度。

[4]、被控参数的选取，必需考虑工艺进程的合理性和所采纳仪表的性能。

2、选择操纵参数

若生产工艺有几种操纵参数可供选择，一样希望操纵通道克服扰动的校正能力要强，动态响应应比扰动通道快。

操纵通道：

是指调剂作用与被控参数之间的信号联系。

即P（t）到y（t）。

扰动通道：

是指扰动作用与被控参数之间的信号联系。

即f（t）到y（t）。

扰动作用是由扰动通道对对象的被控参数产生阻碍的，使被控参数偏离给定值。

引入操纵作用的目的是为了克服扰动作用的阻碍，使被控参数恢复和维持在给定值上。

而操纵作用是由操纵通道对对象的被控参数施加阻碍，抵消扰动作用。

选择操纵参数的一样原则为：

[1]、选择操纵通道的静态放大系数K0要适当大一些，时刻常数T0应适当小一些，纯滞后时刻τ0则越小越好。

[2]、选择扰动通道的静态放大系数Kf应尽可能小，时刻常数Tf应大些，扰动引入系统的位置离被控参数越远，即越靠近调剂阀，操纵质量越好。

[3]、当操纵通道由几个一阶惯性环节组成时，为了提高系统的性能，应尽可能拉开各个时刻常数。

[4]、应注意工艺上的合理性。

3、系统中的测量及信号传递问题

在进程操纵系统中，测量变送环节起着信息获取和传送作用。

在具体分析测量变送环节对操纵质量的阻碍时，常常碰着测量、变送和信息传送中的滞后问题。

因为它会引发操纵指标的下降，系统失调，乃至产生事故。

测量变送中的滞后包括测量滞后，纯滞后和信息传送滞后等，这些滞后均与测量元件本身的特性、元件安装位置的选择和信息传送的方式有关。

A、测量滞后

测量滞后是测量元件本身的特性所引发的动态误差。

例如用热电偶或热电阻测量温度时，由于其爱惜套管存在着热阻和热容，因此具有必然的时刻常数，测温元件的输出信号老是滞后于被控参数的转变，引发被控参数的测量值与真实值之间产生动态误差，从而造成操纵质量下降。

为了克服测量滞后的不良阻碍，在系统能够采纳以下方法：

[1]、合理选择快速测量元件。

[2]、正确利用微分环节。

B、纯滞后

纯滞后往往是由测量元件的安装位置不妥而引入的。

在生产进程中，温度测量和成份分析最容易引入纯滞后。

微分作用关于纯滞后是无能为力的。

为了克服纯滞后的阻碍，只有合理选择测量元件的安装位置，尽可能减小纯滞后。

当进程参数测量引发的纯滞后较大时，单回路操纵系统很难知足生产工艺要求，应考虑其它操纵方案。

C、信息传送滞后

测量信息传送滞后，主若是指气动单元组合仪表的输出信号在管路中传送所造成的滞后。

为了克服信号传送滞后，可采纳以下方法：

[1]、用气—电和电—气转换器，将气压信号转换为电信号再传送。

[2]、在气压信号管路上设置气动继动器或气动阀门定位器，以增大输出功率，减少传送滞后。

4、操纵规律的选择

调剂器的操纵规律有比例（P）、积分（I）、微分（D）这三种大体规律及其各类组合。

比例调剂（P）：

依据误差的大小来动作，其输出与输入误差的大小成正比。

比例调剂及时、有力、但有余差。

积分调剂（Ti）：

依据误差是不是存在来动作，它的输出与误差对时刻的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止。

积分的作用是排除余差，但积分作用使最大动误差增大，延长了调剂时刻。

积分时刻越小表明积分作用越强，积分作用太强时会引发震荡。

积分操纵通常与比例操纵或微分操纵联合作用，组成PI或PID操纵。

积分操纵能排除系统的稳态误差，提高操纵系统的操纵精度。

但积分操纵通常使系统的稳固性下降。

Ti过小系统将不稳固；Ti偏小，震荡次数较多；Ti太大对系统性能的阻碍减少。

微分调剂（Td）：

依据误差转变速度来动作，它的输出与输入误差转变的速度成比例，其作用是阻止被调参数的一切转变，有超前调剂的作用，对滞后大的对象有专门好的成效。

它能够克服调剂对象的惯性滞后、容量滞后，但不能克服调剂对象的纯滞后。

经常使用操纵系统

温度操纵系统：

时刻常数一样较大，为几分钟到几十分钟。

温度操纵系统的纯滞后一样也较大。

为了改善温度操纵系统的品质，测量元件应选历时刻常数小的元件，并尽可能的安装在测量纯滞后小的地址，调剂器一样选用PID调剂器，适当引入微分作用，能够加速调剂作用，改善因系统时刻常数较大对操纵系统造成的阻碍。

压力操纵系统：

气体压力对象大体上是单容的，时刻常数与系统容积成正比，一样为几秒钟到几分钟，调剂器常选用PI调剂器，积分时刻一样为几十秒到几分钟；液体压力对象具有不可紧缩性，时刻常数很小，一样为几秒钟，同时对象的纯滞后时刻很小，调剂进程中被控变量的振荡周期很短。

调剂器常选用PI调剂器。

流量操纵系统：

流量对象时刻常数很小，一样为几秒，对象的纯滞后时刻也很小，调剂进程中被控变量的振荡周期也很短。

调剂器常选用PI调剂器。

液位操纵系统：

一个设备或储罐的液位，代表了其流入量和流出量差的积存。

调剂器常选用P或PI调剂器。

调剂器的参数整定

调剂器参数的工程整定方式有响应曲线法、临界比例度法、衰减曲线法和现场体会法。

在现场咱们利用的是现场体会法来进行调剂器的参数整定。

关于由比例调剂器组成的进程操纵系统，其整定参数只有一个比例度δ，现在只需将比例度δ由大慢慢调小，观看系统过渡进程曲线，直到以为其曲线达到最佳为止。

关于由比例积分调剂器组成的进程操纵系统，其整定参数有比例度δ和积分时刻Ti。

现在，第一将Ti→∞，按纯比例作用整定调剂器的比例度，使其取得较好的过渡进程曲线。

然后，把比例度放大约倍，再引入积分作用并将积分时刻从大到小进行调整，使其取得较好的过渡进程曲线。

最后，在那个积分时刻下，再改变比例度，观看其曲线转变情形，如曲线转变，就按此方向再整定比例度；如曲线无转变，可将比例度再减小一点，改变积分时刻，观看曲线是不是转变。

如此反复多次，直到以为其曲线达到最佳为止。

关于由比例积分微分调剂器组成的进程操纵系统，先使微分时刻Td=0，再按上述比例积分调剂器的整定方式，取得较中意的过渡进程曲线，然后引入微分作用，使微分时刻由小到大进行调整，慢慢凑试，直到取得最佳整定参数值

5、调剂阀特性的选择

调剂阀是进程操纵系统中的一个重要组成环节。

调剂阀的选择主若是流量特性的选择、流通能力的选择、结构形式的选择和开关形式的选择。

应依照对象特性、负荷转变情形和生产工艺的要求动身，来确信所需要的调剂阀。

要紧介绍气动调剂阀，正确选用气动调剂阀应考虑工艺操作条件（温度、压力、流量、介质特性等）和进程操纵系统的质量要求。

调剂阀对通过的流体流量的操纵是基于改变阀芯与阀座之间的流通截面大小，即改变其阻力大小来达到的。

因此，从流体力学的观点来看，调剂阀是一个局部阻力能够转变的节流元件。

A、调剂阀的尺寸选择

调剂阀的尺寸通经常使用公称直径D和阀座直径d来表示。

D和d是依照计算出来的流通能力C来选择。

流通能力C表示调剂阀的容量，其概念为：

调剂阀全开，阀前、阀后压差为流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量m3数。

C=Qr/（p1-p2）

式中：

r—流体重度；

Q—流体的体积流量

p1-p2——调剂阀前后压差

依照调剂所需的物料量Qmax、Qmin，流体重度r及调剂阀上的压降p1-p2能够求得最大流量、最小流量时的Cmax和Cmin值。

依照Cmax，在所选用产品型式的标准系列中，选取大于Cmax值，并最接近一级的C值。

B、气开、气关的选择

气动调剂阀分气开、气关两种。

有操纵气压信号（即有输出信号）时阀开、无操纵气压信号时阀关叫气开式；有操纵气压信号（即有输出信号）时阀关、无操纵气压信号时阀开叫气关式。

在具体选用调剂阀气开、气关形式时，应考虑以下情形

[1]、考虑事故状态时人身和工艺设备的安全

[2]、在事故状态下减少生产原料或动力的消耗浪费，和保证产品质量。

[3]、考虑介质的性质（避免物料结晶、凝固和堵塞）

C、调剂阀流量特性的选择

调剂阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系。

从进程操纵的角度来看，调剂阀最重要的特性是它的流量特性。

因为调剂阀的特性对整个进程操纵系统的品质有专门大的阻碍。

很多操纵系统工作不正常，往往是由于调剂阀的特性选择不适合，或是阀芯在利用中受侵蚀、磨损使特性变坏引发的。

调剂阀的理想流量特性，确实是在调剂阀前后压差必然的情形下取得的流量特性。

它取决于阀芯的形状，阀芯的形状有快开、直线、抛物线和等百分比四种。

而在生产进程中，常经常使用的有直线、等百分比和快开三种。

抛物线流量特性一样可用等百分比特性来代替，快开特性经常使用于程序操纵及二位式操纵中。

因此调剂阀流量特性的选择实际是直线与等百分比流量特性的选择。

调剂阀流量特性的选择的原则：

[1]、当对象的放大系数为线性时，应选择直线流量特性调剂阀，不然就选择等百分比流量特性调剂阀

[2]、在负荷转变较大的场合，选择等百分比流量特性调剂阀为宜。

这是因为等百分比流量特性调剂阀的放大系数是随阀芯位移的转变而转变的，其流量转变率恒定，因此，能适应负荷的转变情形。

[3]、当调剂阀常常工作在小开度时，宜选择等百分比流量特性调剂阀。

这是因为直线流量特性调剂阀在小开度情形下，流量转变率专门大，不宜进行微调。