工业生产过程控制1绪论

过程控制工程0.绪论0.1过程工业过程工业：化工、核电、制药、造纸、酿造等工业过程工业生产特性：多输入多输出，多变量，非线性，时变，关联性.过程生产形式：连续生产、间歇生产过程工业原料能源产品副产品过程工业输入输出示意主要控制举例流体输送控制PCQxQrQx+rFCFKFC原动机离心泵吸入排出压缩机流体流量控制F,ZA,XB,D调和过程氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统混合器TCFC氧化炉÷预热器空气氨气换热过程控制蒸气加热器工艺物流载热体冷凝液物料出口烟气给水过热蒸汽过热器空气预热器省煤器喷嘴炉墙热空气燃料汽包炉膛锅炉系统减温器液氨气态氨氨冷却器物料反应过程控制精馏过程控制过程工业影响因素1）一般影响因素原料组成、流量、温度等变化产品质量要求过程设备的可使用性、特性漂移、关联关系影响2）控制过程影响因素信号测量及数据处理（实时性、准确性等）被控过程的滞后性、时变性、非线性、耦合性关系控制方案的合理性、控制系统稳定性执行器特性0.2生产过程自动化技术1）自动化设备发展历史50年代：电子管时代主要仪表技术：气动仪表控制器主要应用对象：化工、钢铁、造纸行业60年代：半导体时代主要仪表技术：DDZ-Ⅱ型仪表、DDC(DirectlyDigitalControl)主要应用对象：石油化工、大型电站70年代：集成电路微处理器时代主要仪表技术：DDZ-Ⅲ型仪表、DCS(DistributedControlSystem)80年代：数字化技术时代主要仪表技术：DCS、网络通讯技术、工业电视81年开始我国引入并开始应用DCS技术90年代：现场总线技术主要仪表技术：智能控制，分析仪表在线应用、优化控制2）自动化控制技术模型预测控制内膜控制自适应控制专家系统控制模糊控制神经网络控制鲁棒控制前馈控制串级控制比值控制均匀控制分程控制选择控制解偶控制优化控制常规控制先进控制优化监控复杂控制PID控制单回路控制控制技术关系图：优化层先进控制常规PID控制生产过程测量执行自动控制技术关系图示0.3本课程介绍0.3.1课程性质、目的课程性质：控制理论与实际相结合的一门工程技术性课程。研究对象：过程系统。如石油化工过程，制药，造纸，酿造等过程工业。本课程目的：了解工业过程控制的基本方法，控制方案，以及控制系统的分析、设计和研究方法。建立系统及系统工程的初步概念0.3.2课程本基本内容：1）单回路控制系统控制回路的基本构成、基本控制规律，被控变量、控制变量选择原则，控制参数整定方法等基本知识。简单介绍主要控制对象的过程特性。2）复杂控制系统了解过程系统复杂控制及特殊控制的基本控制思想、基本方案及实施。各种复杂控制的构成方法、特性和应用范围。主要介绍：串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、分程控制、选择控制、解偶控制。3）典型单元操作过程控制控制工程技术的实际应用分析和研究。主要内容：典型单元控制对象的特性及控制系统设计与实施主要单元控制：流体输送设备控制、传热设备控制、化学反应过程控制、精馏过程控制4）先进控制方法概述先进控制基本思想、主要方法0.3.3本课程的基础知识自动控制原理、检测技术及仪表、控制仪表与装置、过程原理。主要参考书王树青等《工业过程控制工程》化学工业出版社何衍庆、俞金寿、蒋慰孙《工业生产过程控制》化学工业出版社俞金寿、蒋慰孙《过程控制工程》电子工业出版社翁维勤、周庆海《过程控制系统及工程》化学工业出版社王骥成、祝和云《化工过程控制工程》化学工程出版社1.单回路控制系统1)控制系统组成1.1控制系统的组成及系统控制指标控制器Gc(s)执行器Gv(s)被控对象Gp(s)测量变送Gm(s)euqYzrf构成（四个环节）:被控对象、测量变送、控制单元、执行单元信号变量：被控变量(Y)、测量变量(z)、设定值(r)、偏差(e)、控制变量(u)、操纵变量(q)、扰动变量(f)2)控制系统性能指标阶跃响应性能指标评价控制系统性能偏差积分性能指标指导控制系统整定①阶跃响应性能指标阶跃响应曲线Yr(t)(a)给定值阶跃变化过渡过程AB1B2Y(∞)Ye(∞)Cr(t)(b)扰动阶跃变化过渡过程τstpB1B2Y(∞)e(∞)τstpa.超调量（最大偏差）：超调量(最大动态偏差)是反映控制系统对干扰的瞬间响应或瞬间偏离程度的衡量量，是衡量系统可行性的指标。随动控制系统(超调量)：Y(∞)(C)Ye(∞)r(t)(a)给定值阶跃变化过渡过程tpB11()()()pytyByC超调量描述式：定义：系统最大振幅与最终稳态值之比的百分数。定值控制系统一般采用最大动态偏差（A）作为衡量指标。定义：最大偏差在数值上定义为动态响应的最大振幅（B）与响应最终稳态值（C）之和的绝对值。描述式：AY(∞)Ye(∞)Cr(t)扰动阶跃变化过渡过程tpB()pABCytyt过渡过程衰减比：相邻二波峰值之比。B1B2Y(∞)τs过渡过程性质：n1：发散震荡；n=1：等幅震荡；n1：衰减震荡n=∞：非周期性控制过程12BnB描述式：恢复时间(τs)：过渡过程时间。被控变量变化范围达到保持在稳定值的±5%之内的时间点。余差：新的稳定值与设定值之差。y(∞)Y(∞)τs5%b.偏差积分性能指标偏差绝对值积分（IAE）特点：对偏差值敏感，按其整定参数则过渡过程不会呈现大偏差偏差平方积分（ISE）min)(02dtteJ0()minJetdtmin)(0dttetJ特点:面积积分，按其整定参数过渡过程偏差平均值小时间与偏差绝对值乘积的积分（ITAE）特点：随时间推移，控制越趋严格。过渡过程可能出现大的偏差，但是恢复时间较短。1.2典型受控过程1.2.1纯滞后过程纯滞后的表现输出变量的变化在时间上落后于输入变量的变化（测量值的变化在时间上滞后于真值的变化）描述：'sY(s)G(s)eY(s)jwG(jw)e传递函数频率特性纯滞后举例：pH值调节CpH2l纯滞后对象(pH控制）pH121pH(t)pH(t)l/vty纯滞后曲线中和罐内曲线u测量点处曲线τ纯滞后影响无控制曲线上限y纯滞后的影响示意图t无滞后控制曲线t+τ0有滞后控制曲线1.2.2容量过程----单容过程只含有一个容量装置的过程容量过程特性分类：有自衡过程无自衡过程hVQiQo►自衡：自动平衡、均衡。►自衡能力：系统在干扰作用时，依靠自身的力量、性能力图克服干扰影响，保持平衡的能力。1）无自衡单容过程特点：系统输出流量恒定不变。过程描述：传递函数hVQiQoa.无自衡单容过程计量泵1dV=Qi-QoQo:dtdhAQiQoA:dthQiQodtA常量截面11AsH(s)Qi(s)Qo(s)Qi(s)H(s)G(s)Qi(s)AsTsQihtt1/AsH(s)Qi(s)2)有自衡单容过程特点：系统出口流量的推动力为罐内液位h。系统输出流量随系统液位变化。关系式0QahhVQiQo特性推导出口流量与液位关系：液位变化描述：Qoah22aQo(s)aQohH(s)hhVV1/As1/R112111dVQiQodtAsH(s)Qi(s)Qo(s)aQi(s)H(s)RRhH(s)RTARQi(s)As/RTs方框图有自衡过程曲线hVQiQoQiht1.2.3容量过程-----多容过程具有两个或两个以上容量设备构成的过程。多容过程的相互关系：a.无相互影响多容过程b.有相互影响多容过程h1V1QiQ2Q1h2V2a)无相互影响双容过程h1V1QiQ2h2V2Q1b)有相互影响双容过程1)无相互影响双容过程h1V1QiQ2Q1h2V21/As1/R1/A1s1/R11/A2s1/R2QiH1H2Q1Q2Q1单容过程方框图双容过程方框图过程数学描述传递函数22121212212121111iiH(s)H(s)Q(s)RQ(s)Q(s)Q(s)TsTsRTTs(TT)sgg一阶特性1/A1s1/R11/A2s1/R2QiH1H2Q1Q2Q1二阶特性1111iH(s)RQ(s)Ts容器1容器22）具有相互影响的双容过程h1V1Qih2V2Q1Q2过程微分方程及拉氏变换11111111211211221222122222221111()()()()()()()()()()()()iidhAQQAsHsQsQsdtQhhQsHsHsRRdhAQQAsHsQsQsdtQhQsHsRR方框图传递函数（二液位相对于系统输入Qi）1/A2s1/R2sH2Q21/R1s1/A1sQ1H1Qi12112212121222212121211iiH(s)TRsRRQ(s)TTs(TTAR)sH(s)RQ(s)TTs(TTAR)s其中：T1=A1R1，T2=A2R2，影响因子：A1R21.2.4反向响应过程系统对阶跃信号的响应具有响应初期和响应终期的响应方向相反的性质反向响应曲线描述Y1(s)Y2(s)Y(s)Y1(s)、Y2(s)：干扰作用下产生的二相反方向的响应曲线Y(s)：反向响应曲线Y1(s)与Y2(s)的合成曲线反向响应方框图2112112111KKG(s)sTsKTKsKsTs反向响应条件：相应初期有K2T1K1成立K2sK1T1s+1Y(s)Y1(s)Y2(s)Q(s)反向响应数学描述例：锅炉汽包水位对蒸汽输出变化的响应QiQo(蒸汽)Qo+△QQo+△Qa.稳态b.响应初期c.响应终期hhh燃料燃料燃料QiQi给水输出流量增大——汽包内压力减小——溶解于水中的气体体积膨胀——液位上升（初期）——水大量蒸发——水位下降（终期）液位变化分析1.3被控变量的选择----以简单控制系统为例控制系统方框图：过程工业被控参数：温度、压力、流量、液位及成分等被控变量分类：直接参数：工艺要求的控制参数间接参数：与工艺要求的控制参数有关联的其他参数。控制器Gc(s)执行器Gv(s)被控对象Gp(s)测量变送Gm(s)euqYzrf主要确定问题：被控变量操作变量执行器类型及操作方式控制器控制规律及动作方式测量变送方式及仪表被控变量选择原则：1）尽可能选用直接参数作为被控变量。由于温度、压力、流量以及液位参数可以方便、快速的测量，因此对于以这些参数为控制目的的过程，可以直接选用它们（直接参数）作为被控变量2）选用与直接参数具有单值关系、具有足够灵敏度，且易于测量、快速可靠的间接参数作为被控变量。对于多数成分控制系统来说，由于物质成分不能在线测量或是在线测量具有极大的滞后，而决定了无法选取直接参数作为被控变量，而只能选用其他参数（间接参数）作为被控变量构成控制系统。3）所选用的被控变量应是独立变量。独立变量判断：自由度F=C–P+2F：自由度，C：组分数，P：相数例：饱和蒸汽系统自由度：F=C–P+2=1–2+2=1过热蒸汽系统自由度：F=C–P+2=1–1+2=24）应注意选用的被控变量与可能的操作变量之间的动、静态影响关系特性。5）要考虑工艺合理性以及控制仪表生产水平。1.4对象特性的影响及操纵变量的选择选择操纵变量的目的：保证控制质量使控制过程快速、平稳影响通道及参数：▲对象特性通道：控制通道：控制信号到被控变量间的信号连接关系干扰通道:干扰到被控变量间的信号连接关系控制器Gc(s)执行器Gv(s)被控对象Gp(s)测量变送Gm(s)euqYzrf控制器Gc(s)控制通道Gpc(s)测量变送Gm(s)eU(s)Y(s)zrF(s)干扰通道Gpd(s)▲参数：静态放大倍数，Kp时间常数，T滞后时间，τ1.4.1干扰通道对控制质量的影响系统方框图控制器Gc(s)控制通道Gpc(s)测量变送Gm(s)eU(s)Y(s)zrF(s)干扰通道Gpd(s)()1fPDfKGsTs