简单控制系统的投运

《化工仪表及自动化》课程教学课件

化工仪表及自动化

授课时间：第 次课（2学时）

教学目的：掌握简单控制系统的投运及操作中的常见问题 教学重点：简单控制系统的投运

教学难点：控制器正、反作用的判定方法 教学过程：讲授

教学内容：第十二章 简单控制系统

上节课知识回顾：

12.1、由图可知，简单控制系统有着共同的特征，它们均由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送器、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方块图来表示。这就便于对它们的共性进行研究。

图 12-3 简单控制系统方块图

12、2、被控变量的选择（①掌握何谓被控变量；②必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分析个变量之间的相互关系，一般要遵循6项原则，见书P178）。

12.3、操纵变量的选择（①掌握操纵变量的定义；②掌握选择操纵变量的3项原则，见书P180）。

12.4、控制器控制规律的选择及参数整定（①掌握P、PI、PID三种控制器的特点；②掌握控制器的工程整定的3种基本方法：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）。

本节课程内容引入：

简单控制系统设计并按设计要求进行正确安装后，即可着手进行控制系统的投运和控制器参数的整定工作。但如何投运是一项很重要的工作，尤其是对一些重要的控制系统更应重视。

12.5.1、控制系统的投运

经过控制系统设计、仪表调校、安装后，接下去的工作是控制系统的投运。所谓控制系统的投运，就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。这一过程是通过将控制器上的手动一自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的。

控制器在手动位置时，控制阀接受的是控制器手动输出信号：当控制器从手动位置切换到自动位置时，将以自动输出信号代替手动输出信号控制控制阀，此时控制阀接受的是控制器根据偏差信号的大小和方向按一定控制规律运算所得的输出信号(称之为自动输出)。如果控制器在切换之前，自动输出与手动输出信号不相等，那么，在切换过程中必然会给系统引入扰动，这将破坏系统原先的平衡状态，是不允许的。因此，要求切换过程必须保证无扰动地进行。也就是说，从手动切换到自动的过程中，不应造成系统的扰动，不应该破坏系统原有的平衡状态，亦即切换过程中不能改变控制阀的原有开度。

由于在化工生产中普遍存在高温、高压、易燃、易爆、有毒等工艺场合，所以在这些地方投运控制系统，操作人员会担一定的风险。

12.5.1-1. 投入运行前的准备工作

自动控制系统安装完毕或是经过停车检修之后，都要(重新)投入运行。在投运每个控制系统前必须要进行全面细致的检查和准备工作。

投运前，首先应熟悉工艺过程，了解主要工艺流程和对控制指标的要求，以及各种工艺参数之间的关系，熟悉控制方案，对测量元件、调节阀的位置、管线走向等都要做到心中有数。投运前的主要检查工作如下所述。

①对组成控制系统的各组成部件，包括检测元件、变送器、控制器、显示仪表、控制阀等，进行校验检查并记录，保证其精确度要求，确保仪表能正常的使用。

②对各连接管线、接线进行检查，保证连接正确。例如，孔板上下游导压管与变送器高低压端的正确连接；导压管和气动管线必须畅通，不得中间堵塞；热电偶正负极与补偿导线极性、变送器、显示仪表的正确连接；三线制或四线制热电阻的正确接线等。

③如果采用隔离措施，应在清洗导压管后，灌注流量、液位和压力测量系统中的隔离液。

④应设置好控制器的正反作用、内外设定开关等；并根据经验或估算，预置δ，TI,TD参数值，或者先将控制器设置为纯比例作用，比例度δ置于较大的位置。

⑤检查控制阀气开、气关形式的选择是否正确，关闭控制阀的旁

路阀，打开上下游的截止阀，并使控制阀能灵活开闭，安装阀门定位器的控制阀应检查阀门定位器能否正确动作。

⑥进行联动试验，用模拟信号代替检测变送信号，检查控制阀能否正确动作，显示仪表是否正确显示等；改变比例度、积分和微分时间，观察控制器输出的变化是否正确。采用计算机控制时，情况与采用常规控制器时相似。

12.5.1-2.控制器的正、反作用的确定方法（相关知识） 如简单控制系统方块图12-3所示。从控制原理知道，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到扰动时，其过渡过程将会是一个衰减过程；反之，如果系统是正反馈，那么系统是不稳定的，一旦遇到扰动作用，过渡过程将会发散，在工业过程控制中，这种情况是不希望发生的。因此，一个控制系统要实现正常运行，必须是一个负反馈系统，而控制器的正、反作用方式决定着系统的反馈形式，所以必须正确选择。

为了保证能构成负反馈，系统的开环放大倍数必须为负值，而系统的开环放大倍数是系统中各个环节放大倍数的乘积。这样，只要事先知道了过程对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负，再根据系统开环放大倍数必须为负的要求，就可以很容易地确定出控制器的正、反作用。

1. 系统中各环节正、反作用方向的规定

在控制系统方块图中，每一个环节(方框)的作用方向都可用该环节放大系数的正、负来表示。如作用方向为正，可在方框上标“+”；如作用方向为负，可在方框上标“－”。

控制系统中各环节的作用方向(增益符号)是这样规定的：当该环节的输入信号增加时，若输出信号也随之增加，则该环节为正作用方向；反之，当输入增加时，若输出减小，即输出与输入变化方向相反，则为负作用方向。

（1）被控对象环节。被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当过程的输入(操纵变量)增加时，若其输出(被控变量)也增加则属于正作用，取“+”；反之则为负作用，取“－”号。

（2）执行器环节。对于控制阀，其作用方向取决于是气开阀还是气关阀。当控制器输出信号(即控制阀的输入信号)增加时，气开阀的开度增加，因而流过控制阀的流体流量也增加，故气开阀是正方向的，取“+”号；反之，当气关阀接收的信号增加时，流过控制阀的流量反而减少，所以是反方向的，取“一”号。控制阀的气开、气关作用形式应按其选择原则事先确定。

（3）测量变送环节。对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。因为当其输入量(被控变量)增加时，输出量(测量值)一般也是增加的，所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可以不考虑测量元件及变送器的作用方向，只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。因此该环节在判别式中并没有出现。

（4）控制器环节。由于控制器的输出取决于被控变量的测量值与设定值之差，所以被控变量的测量值与设定值变化时，对输出的作用方向是相反的。对于控制器的作用方向是这样规定的：当设定值不变、被控变量的测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”，或者当测量值不变、设定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”，取“+”号；反之，如果测量值增加(或设定值减小)时，控制器的输出减小的称为“反作用”，取“－”号。这一规定与控制器生产厂的正、反作用规定完全一致。

2. 控制器正、反作用方式的确定方法

由前述可知，为保证使整个控制系统构成负反馈的闭环系统，系统的开环放大倍数必须为负，即

(控制器±)×(执行器±)×(被控对象±)= “－”

确定控制器正、反作用方式的步骤如下；

1根据工艺安全性要求，确定控制阀的气开和气关形式，气开 ○

阀的作用方向为正，气关阀的作用方向为负；

2根据被控对象的输入和输出关系，确定其正、负作用方向； ○

3根据测量变送环节的输入，输出关系，确定测量变送环节的 ○作用方向；

4根据负反馈准则，确定控制器的正、反作用方式。 ○

例如，在锅炉汽包水位控制系统中，为了防止系统故障或气源中断时锅炉供水中断而烧干爆炸，控制阀应选气关式，符号为“－”；当锅炉进水量(操纵变量)增加时，液位(被控变量)上升，被控对象符号为“+”；根据选择判别式，控制器应选择正作用方式。如图12-23所示。

又如，换热器出口温度控制系统，为避免换热器因温度过高或温差过大而损坏，当操纵变量为载热体流量时，控制阀选择气开式，符号为“+”；在被加热物料流量稳定的情况下，当载热体流量增加时，物料的出口温度升高，被控对象符号为“+”。则控制器应选择反作用方式。如图12-2所示。