12/10/2013

1

فصل پنجم

سیستم کنترل پس خور و اجزاء آن

1

2

12/10/2013

2

سیستم های مدار باز و مدار بسته

3

-اتصاالت-پدال گازکاربراتور

متغییر ورودیموتورنیرو

متغییر خروجیسرعت

-اتصاالت-پدال گازکاربراتور

موتور سرعت خروجی

چشم وماهیچه های پامغز راننده

فرمان عصبی

سرعت مطلوبنیرو

کیلومتر 50)(در ساعت

سرعت سنج

W

T

Wجریان آب ورودیTi

A

D

BC

جریان بخار آب

55دما درجه است

The temperature

is: 55 ℃

کنترل گرمادهی مخزن توسط انساننمای شماتیک کنترل پس خور مخزن گرمادهی آب

4

12/10/2013

3

نمودار جعبه ای کنترل پس خور مخزن گرمادهی آب

دمای مایع خروجیT

Bفرد وCفرد

شیر بخار مخزن

Aترمومتر و فرد

اطالعات دما

میزان مقرر

(دمای مطلوب)

فرمان فرد B

انرژی آب ورودی به مخزن

5

انرژی بخار

اجزا سیستم کنترل پس خور

(Sensor-Measurement Element)عنصر اندازه گیر-1

(Transducer-Convertor)مبدل-2

(Transmitter)فرستنده یا انتقال دهنده -3

(Controller)کنترل کننده -4

(Final Control Element)جزء نهایی کنترل -5

6

12/10/2013

4

(Sensor-Measurement Element)اندازه گیرها

دماسنجترموکوپل ها-رزیستورها-ترمیستورها-ترمومترهای مقاومتی-پیرومترها-ترمومترهای جیوه ای-

هافشارسنج(Bellows)بلوز -

لوله های بوردون-دیافراگم-

اندازه گیری جریان سیالاورفیس-لوله های ونتوری-

اندازه گیری سطح مایعشناورها-اندازه گیرهای الکترونیکی-

7

مبدل ها و خطوط انتقال

کنترلسیستموفرآیندبینواسط-عالئمیبه(...ومکانیکیجابجاییوفشاراختالفولت،میلی)گیراندازهعالئمتبدیلدهندهانتقالوظیفه-

.است(....وولتمیلییافشار)مثلندارداستا:ازعبارتنددارندتوافقآنسربرالمللیبینسازندگانکهاستانداردیهایسیگنال-

ولت: 1-5 Vآمپر: 4-20 mAفشار: 3-15psig

یندفرآازدورمکانیدرکنترلهایاتاقودارندوجودکنترلاتاقدرهاکنترلرمعموالفرآیندهادرچون-.استضروریدهندهانتقالوجودباشند،می

حاصلودشاستفادهترموکوپلازدماگیریاندازهبرایفشردههوایباکنترلسیستمدراگر:مثالبرای-باکنترلربرای،تقویتازپسبایدجریاناینوباشدمیضعیفالکتریسیتهجریانترموکوپلباگیریانداره15-3محدودهدرهواییفشاربهتبدیلفشردههوای psigفشاربهجریاننوعازمبدلیبایدلذا.گردد(I/P)فشاربهولتیا(E/P)شوداضافهکنندهتقویتترموکوپلسیستمبه.

اندازه گیر انتقال دهندهTransmitter

مقادیر قابل اندازه گیریفرآیند

عالئم ارسالی برای کنترل کننده

Transducerمبدل

8

12/10/2013

5

(Transmission Lines)خطوط انتقال

وط انتقال جهت انتقال هوای فشرده از مبدل به کنترلر و از کنترلر به شیر کنترل، از خط-¾ inیا ¼inبا قطرPVCاین خطوط معموال لوله های مسی با پوشش . استفاده می شود

.است:زیر استاگر طول خطوط انتقال بلند باشد، دینامیک تابع انتقال خط انتقال به صورت-

نددر این کتاب از دینامیک خطوط انتقال صرفنظر شده وآن را برابر یک فرض می ک-

𝑃0(𝑠)

𝑃𝑖(𝑠)=𝑒−𝑡𝑑 𝑠

𝜏𝑠 + 1

𝑡𝑑𝜏≈ 0.25

9

(Controller)کنترل کننده

(.setpoint)در کنترلر کمیت مورد نظر روی مقداری مشخص تنظیم شده است -

را setpointدر کنترلر اطالعات رسیده از طریق مبدل ها را کنترل و اختتالف مقتدار رستیده و مقتدار -کته ) دستور تغییرات الزم را برای جزء کنترل نهایی ( ε، خطا)مقایسه می کند و در صورت وجود اختالف

.ارسال می کند( معموال شیر کنترل است

+کنترل کننده_

𝜺 = 𝑹 − 𝑩

کمیت اندازه گیری شدده و (B)ارسالی از انتقال دهنده

(R)مقدار مقرر Pفشار هوا

لمکانیزم کنتر

مقایسه گرComparator

10

12/10/2013

6

انواع کنترلر.در کنترلر ها رایج است( عملکرد)control actionسه نوع

(Proportional Control action)عمل کنترل تناسبی-1

(Derivative Control Action)عمل کنترل مشتقی -2

(Integral Control Action)عمل کنترل انتگرال-3

ترلر تناسدبی در صنعت عالوه بر استفاده کنترلر های باال به صورت تکی، به صورت ترکیبی با کن.نیز استفاده می کنند

PD (Proportional Derivative Controller)کنترلر تناسبی مشتقی -1

PI (Proportional Integral Controller)انتگرالی–کنترلر تناسبی -2

PID (Proportional Integral Derivative Controller)مشتقی–انتگرالی –کنترلر تناسبی -3

11

(Proportional Control action)عمل کنترل تناسبی-1

.در این حالت رابطه خطی بین خروجی و ورودی کنترل کننده وجود داد

.است( مانمشتق خطا نسبت به ز)خروجی کنترلر در این عمل متناسب با تغییرات ورودی نسبت به زمان

𝑃 𝑡 = 𝐾𝑐 𝜀(𝑡) 𝐾𝑐بهره تناسب

𝑃′(𝑠)

𝜀(𝑠)= 𝐾𝑐

𝑃′ 𝑡 = 𝑃 𝑡 − 𝑃𝑠 , 𝜀𝑠 = 0

+_

𝜺(𝒔)R(s)P’(s)

𝐾𝑐

B(s)

(Derivative Control Action)عمل کنترل مشتقی -2

𝑃 𝑡 = 𝜏𝐷𝑑𝜀(𝑡)

𝑑𝑡𝝉𝑫 (دقیقه یا ثانیه)زمان مشتق

𝑃′(𝑠)

𝜀(𝑠)= 𝜏𝐷 𝑠

الپالس گیری+_

𝜺(𝒔)R(s) P’(s)𝜏𝐷 𝑠

B(s)

12

12/10/2013

7

.در این عمل خروجی کنترلر متناسب با انتگرال خطای ورودی است

.فشار خروجی از این کنترلر به طور خطی متناسب با مجموع خطا و تغییرات خطا است .وجود داردKcدر کنترلر ها دو دگمه برای تنظیم

(Integral Control Action)عمل کنترل انتگرال-3

𝑃 𝑡 =1

𝜏𝐼 0

𝑡

𝜀 𝑡 . 𝑑𝑡الپالس گیری 𝑃′(𝑠)

𝜀(𝑠)=1

𝜏𝐼𝑠+_

𝜺(𝒔)R(s) P’𝜏𝐼 𝑠

B(s)

PD (Proportional Derivative Controller)کنترلر تناسبی مشتقی -1

𝑃 𝑡 = 𝐾𝑐(𝜀 𝑡 + 𝜏𝐷𝑑𝜀 𝑡

𝑑𝑡)

𝑃′(𝑠)

𝜀(𝑠)= 𝐾𝑐(1+ 𝜏𝐷𝑠)

𝝉𝑫 ,

+_

𝜺(𝒔)R(s) P’𝐾𝑐(1+𝜏𝐷𝑠)

B(s) 13

کنترلر های ترکیبی

𝐿( 0

𝑡

𝑓 𝑠 ) = 𝑓(𝑠)/𝑠

.فشار خروجی از این کنترلر به طور خطی متناسب با مجموع خطا و انتگرال خطا است •

.وجود داردKcدر کنترلر ها دو دگمه برای تنظیم •دقیقه می باشد0/1-50محدوده معموال بین •

.فشار خروجی از این کنترلر به طور خطی متناسب با مجموع خطا، مشتق خطا و انتگرال خطا است

.وجود داردKcدر کنترلر ها سه دگمه برای تنظیم

+_

𝜺(𝒔)R(s) P’(s)𝐾𝑐(1+𝜏𝐼𝑠)

B(s)

PI (Proportional Integral Controller)انتگرالی–کنترلر تناسبی -2

𝝉𝑰 ,

𝑃 𝑡 = 𝐾𝑐(𝜀 𝑡 +1

𝜏𝐼 0

𝑡

𝜀 𝑡 . 𝑑𝑡)

𝑃′(𝑠)

𝜀(𝑠)= 𝐾𝑐(1+

1

𝜏𝐼𝑠)

𝝉𝑰

PID (Proportional Integral Derivative Controller)مشتقی–انتگرالی –کنترلر تناسبی -3

𝝉𝑰 ,𝝉𝑫 ,

𝑃 𝑡 = 𝐾𝑐(𝜀 𝑡 + 𝜏𝐷𝑑𝜀 𝑡

𝑑𝑡+1

𝜏𝐼 0

𝑡

𝜀 𝑡 . 𝑑𝑡)

𝑃′(𝑠)

𝜀(𝑠)= 𝐾𝑐(1+ 𝜏𝐷𝑠 +

1

𝜏𝐼𝑠)

+_

𝜺(𝒔)R(s) P’(s)𝐾𝑐(1+𝜏𝐼𝑠 +

1

𝜏𝐼𝑠)

B(s) 14

12/10/2013

8

P&IDنمادهای تجهیزات اندازه گیری در

Instrument diagram

15

حرف اول نشانگر متغیر مورد اندازه گیری است

حروف بعدی برای معرفی عملکردهتردستگاه و یا اصالح و تعریف ب

.حرف اول است

P&IDجدول شناسایی حروف مورد استفاده در

16

Identification Letters (proposed for the next revision of ISA S5.1 [now ANSI/ISA-5.01.01]

12/10/2013

9

P&IDعالئم و نشانه های

17

Instrument supply or

connection to process

Pneumatic Signal

Electric Signal

آشنایی با اتصاالت

18

Air to Open Valve (A-O)

Or Fail Close Valve

Air to Close Valve (A-C)

Or Fail Open Valve

12/10/2013

10

19

P&IDنحوه استفاده از شیر کنترل ها در

P&IDنحوه استفاده از شیر کنترل ها در

20

12/10/2013

11

کنترل سطح مایع

21

مخزن

انتهای یک برج تقطیر

کندانسور باالی یک برج تقطیر

طریقه رسم نمودار جعبه ای سیستم کنترل پس خور

است و دارای یک خروجیGpفرآیند ما دارای تابع انتقال -1.و یک ورودی است

نترل کننده کمیت تحت کنترل یا خروجی فرآیند را ابتدا اندازه گرفته و سپس اطالعات را به سیستم ک-2.انتقال می دهد

.تفریق می کنندYRرا از میزان مقرر Ymکمیت اندازه گیری شده -3ارسال می شود و خروجی آن بتر استان نتوع (P or PI or PD or PID)این اختالف به کنترل کننده

.فرستاده می شود( معموال شیر کنترل)جزء کنترل نهایی 22

فرآیندGp

ورودی خروجیY

فرآیندGp

ورودی Y

اندازه گیر و انتقالHدهنده

Ym

𝜀 = 𝑌𝑅 −𝑌𝑚

Q

T

Q

Ti

PT PC

12/10/2013

12

23

کنترلرGc

شیر کنترل

Gv

فرآیندGp

اندازه گیر و

Hانتقال دهنده

فشار هوا جریان سیال 𝑌

𝑌𝑚 𝑌

𝜀 = 𝑌𝑅 − 𝑌𝑚𝑌𝑅_

+

𝑄(𝑠)

𝑃′(𝑠)= 𝐺𝑣 𝑠 = 𝐾𝑣

𝑄(𝑠)

𝑃′(𝑠)= 𝐺𝑣 𝑠 =

𝐾𝑣𝜏𝑣𝑠 + 1

تابعوواهفشارورودیدارایکنترلشیر.شودمیمنتقلکنترلشیربهکنترلرازخروجیهوایفشار-4.باشدمیسیالجریانمیزان،کنترلشیرخروجی.استGvانتقال

:در این حالت می توان نوشت

.در این حالت از دینامیک شیر صرفنظر شده است

ع انتقال آن را به ولی اگر این دینامیک قابل صرفنظر نباشدو معموال با توجه به خصوصیات و عملکرد شیر تاب.صورت درجه اول در نظر می گیرند

𝐾𝑣𝜏𝑣

بهره شیرثابت زمانی شیر

24

Q

T

Q

Ti

PT PC

فرض کنیم که شیر کنترل جریتان بختار ورودی بته جتداره یتک -5. مخزن حرارت دهی را باز و بسته می کند

در سیستم گرمتادهی مختزن مقتداری از انترری ورودی بته سیستتم جریدان مدایع و مقتداری نیتز توستط توسط بخار جداره مخزن

.به داخل مخزن تامین می شودورودی

ن جریان بخار ورودی به جداره که توسط شیر کنتترل مقتدار آ -الف.کنترل می شود

.جریان سیال ورودی به مخزن که جریان آن کنترل نمی شود-ب

سیستم است loadبه مخزن بار یا دمای سیال ورودی ورودی های بدون کنترل را بار یا اغتشاش می نامند پس

+کنترلر+

Gc

شیر کنترل

Gv

فرآیندGp

اندازه گیر و

Hانتقال دهنده

فشار هوا جریان سیال𝑌

𝑌𝑚 𝑌

𝜀 = 𝑌𝑅 − 𝑌𝑚𝑌𝑅_

+

𝐿تابع انتقال بار

12/10/2013

13

نمودار جعبه ای عناصر کنترل

.اگر فرض شود که تابع انتقال ترموکوپل و انتقال دهنده درجه اول باشد•𝑇𝑚′ (𝑠)

𝑇′(𝑠)=

𝐾𝑚𝜏𝑚𝑠 + 1

.نمودار جعبه ای آن به صورت زیر است

نمودار جعبه ای آن به صورت زیر است.اگر از کنترل کننده تناسبی استفاده شود

25

ترموکوپل

𝐾𝑚𝜏𝑚𝑠 + 1

𝑇𝑚′ (𝑠)𝑇′(𝑠)

℃

کنترل کننده

𝑃′(𝑠)

𝜀(𝑠)= 𝐾𝑐(1+

1

𝜏𝐼𝑠)

𝑃𝑠′(𝑠)𝜀(𝑠)

𝑚𝐴𝐾𝑐(1 +

1

𝜏𝐼𝑠)

𝑚𝐴

𝑚𝐴

𝑚𝐴

𝑇𝑚′ (𝑠)

_

+𝑇𝑅′(𝑠)

(I/P)مبدل جریان به فشار

.مبدل جریان به فشار به صورت خطی عمل می کند𝑃𝑡′(𝑠)

𝑃′ (𝑠)= 𝐾𝐼𝑃

شیر کنترل.فشار خروجی از مبدل به سر شیر کنترل منتقل می شود

26

𝑃𝑡′(𝑠)𝑃′(𝑠)

𝑚𝐴𝐾𝐼𝑃

𝑝𝑠𝑖فشار هوا

𝑃𝑡′(𝑠)

𝑃𝑉′ (𝑠)

𝑃𝑡′ (𝑠)

=𝐾𝑣

𝜏𝑣𝑠 + 1

𝐾𝑣𝜏𝑣𝑠 + 1

𝑃𝑡′(𝑠)

𝑝𝑠𝑖فشار هوا

𝑝𝑠𝑖فشار بخار

12/10/2013

14

نکات کلی در مورد بهره ها

.می نویسندمی شود و آن را به صورت فقط بهره آن دینامیک شیر صرفنظر به طور معمول از -1. صرفنظر می شود و آن را به صورت می نویسنددینامیک اندازه گیر به طور معمول از -2

گرفته شود بته به طور کلی در صورت مسئله وقتی قرار باشد دینامیک اندازه گیر و یا شیر کنترل نیز در نظر.آن اشاره می کند در غیر این صورت همان مقادیر باال در نظر گرفته می شود

برای بدست آوردن یا : مثال

متر، در اندازه گیر و انتقال دهنده ، سبب تغییر فشار از 0/25اگر محدوده تغییرات ارتفاع مایع به ازای psig 3 تاpsig 15مقدار را بدست آوردید. شود.

شدت حجمی مایع عبوری psig15-3دقیقه باشد و به ازای تغییرات فشار سرشیر 0/5اگر ثابت زمانی شیر .مقدار را بدست آوردید. به طور خطی تغییر می کندm3/min0/4از ان

27

𝐾𝑣

𝐾𝑚

𝐾𝑚𝐾𝑣

𝐾𝑚𝐾𝑚 =

15 − 3

0.25= 48

𝐾𝑣

𝐾𝑣 =0.4

15 − 3= 0.033 𝑚3/min𝑝𝑠𝑖𝑔

𝐾 =خروجی

ورودی

تابع . به صورت شکل زیر در نظر می گیریم Aسیستم کنترل سطح مایع را در مخزنی با سطح مقطع ثابت : مثال.همچنین نمودار جعبه آن را رسم کنید.انتقال آن را بدست آورید

28

h

LT LC

𝑞1 𝑞2

Rخطی𝑞3

ℎ𝑚

12/10/2013

15

سیستم کنترل دمای سیال یک مخزن دارای کویل بخار :مثال

ط می خواهیم دمای مایع خروجی از مخزن را توس. مخزنی توسط منبع بخار به عنوان گرم کن عمل می نماید.نگهداریمTR، کنترل نموده و در میزان مقرر Pvفشار بخار

29

کنترلربهTTتوسطکهاستالکتریکیجریانترموکوپلخروجیوبودهدما،ترموکوپلگیراندازه20-4جریانالکتریکیکنترلرازخروجی.شودمیفرستادهالکتریکی mAمبدلتوسطکهبودخواهد

15-3معادلفشاریبه(I/P)فشاربهجریان psigالگپورفتهشیرسربهفشاراینوگشتهتبدیل.دادخواهدتغییربخارفشارودادهوضعیتتغییرآنمعادلشیر

.آوردیدبدستراآنجعبهنموداروانتقالتابع

w

T

w Ti

TT TC

I/P

بخار

Pv

T

.به سواالت پایان فصل حل شودمربوط پیشنهاد می شود جهت تمرین بیشتر مسائل زیر

•3-5•6-5•8-5

30