过程控制第三章(简单控制系统)

过程控制第三章简单控制系统简单控制系统是指单输入-单输出（SISO）的线性控制系统，是控制系统的基本形式。控制系统设计的基本准则是力求简单、可靠、经济和保证控制效果。3.1简单控制系统结构组成简单控制系统（单回路闭环控制系统）：被控对象、检测变送单元、控制器和调节阀（执行机构）。占控制回路的80%，往往作为最底层的控制系统。储液罐液位控制系统一般用在两个过程单元之间传输流体的中间存储器控制目标：从维持生产平衡考虑，保持h=hsp(给定值或设定值)。输入变量：搞清楚操纵变量和扰动变量（Qi和Q0），操纵变量的选择取决于过程单元1和2所进行的操作。输出变量（被控变量）：也称测量变量，液位h。入流出流hiQoQ来自过程单元1去过程单元2控制系统的设计（两种方案）（1）方案1--操纵变量为入口流量Qi,出口流量Q0为扰动变量方案1方框图hiQoQLTLCsphvPmh被控变量流量偏差e给定值控制器储液罐调节阀测量元件变送器sphhiQ流量oQvPmh测量值+-过程1为水解去离子过程过程2为蒸汽产生过程（2）方案2--操纵变量为出口流量Q0,入口流量Qi为扰动变量方案2方框图hiQLTLCsphvPmhoQ被控变量流量偏差e给定值控制器储液罐调节阀测量元件变送器sphhoQ流量iQvPmh测量值+-过程单元1产生化学混合物，通过中间存储罐，送至过程单元2进行进一步处理。控制方案1和2的各环节增益特性判断和选择被控变量流量偏差e给定值sphhiQ流量oQvPmh测量值+-1()cGs1()vGs1()mGs1()pGs被控变量流量偏差e给定值sphh0Q流量iQvPmh测量值+-2()cGs2()vGs2()mGs2()pGs注意：1、调节阀的气开气关特性2、控制器的正反作用两个方案传递函数每个环节增益的判断方法：（1）测量变送环节：输入为被控变量，输出为测量值的环节。h增加，hm也增加，Gm1(s)和Gm2(s)增益为正。（2）调节阀环节：输入为气压信号，输出为操纵变量的环节。对于方案1，操纵变量选的是入口流量，考虑实际情况调节阀为气开型（有气则开，无气则关），Gv1(s)增益为正；对于方案2，操纵变量选的是出口流量，考虑实际情况调节阀为气关型（有气则关，无气则开），Gv1(s)增益为负；（3）被控对象环节：输入为操纵变量，输出为被控变量的环节。对于方案1，操纵变量为入口流量，调节阀安装在储液罐入口，Qi增加，h也增加，被控对象Gp1(s)增益为正；对于方案2，操纵变量为出口流量，调节阀安装在储液罐出口，Qo增加，h减少，被控对象Gp2(s)增益为负；（4）控制器环节：可看成设定值不变仅以测量值为输入、控制器输出为输出的环节。对于方案1，外部扰动导致hm增大时，应减少Qi来降低液位，由于调节阀为气开型，此时控制器输出信号（气压Pv）应减小,为保证闭环构成负反馈，控制器应为反作用。对于方案2，外部扰动导致hm增大时，应增大Q0来降低液位，由于调节阀为气关型，此时控制器输出信号（气压Pv）应减小,为保证闭环构成负反馈，控制器也应为反作用。3.1简单控制系统结构组成控制目标：工艺介质出口温度达到规定的温度。输入变量：工艺介质流量、工艺介质入口温度、蒸汽流量和蒸汽温度蒸汽加热器温度控制系统工艺介质蒸汽冷凝水iT入口温度出口温度oT简单控制系统的结构组成控制方案：调节加热蒸汽流量来控制工艺介质出口温度蒸汽加热器温度控制系统冷凝水iToTTTTCmT入口温度spTvQ蒸汽流量被控变量蒸汽流量偏差e给定值spTvQvPmT测量值+-FQ0TiTvT()cGs()vGs()pGs()mGs操纵变量扰动变量QF、Tv被控变量测量变送环节（Gm(s)）：增益为正；调节阀环节（Gv(s)）：气关型，增益为负；被控对象环节（Gp(s)）：增益为正；控制器环节（Gc(s)）：正作用。简单控制系统的构成（单回路控制系统，控制目标通过调节操纵变量来保持在设定值）：被控对象、检测变送单元、执行器和控制器组成。执行器扰动通道检测变送控制器被控对象被控变量偏差操纵变量-+设定值控制变量被控对象：指被控制的生产装置、设备或过程。检测变送单元：用于测量被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。执行器：常用的调节阀，直接用于控制操纵变量的变化。控制器：用于将检测变送单元的输出信号与设定值进行比较，按一定控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器上。具体变量术语：（1）被控变量（ControlledVariable,CV）或受控变量（ProcessedVariable,PV）:它是指被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，如储液罐的液位，蒸汽加热器工艺介质的出口温度，常用的被控变量包括：液位、温度、压力、流量、成份等实际物理量。（2）设定值（Setpoint，SP）：它是指被控变量要求达到的期望值，作为控制器的参考输入信号，如期望液位高度，工艺介质期望的出口温度。一般设定值与工艺要求有关。（3）操纵变量（ManipulatedVariable,MV）:通常是由执行器控制的某一工艺流量，如前面的入口流量、出口流量、蒸汽流量等。操纵变量对被控变量的影响要求直接、灵敏、快速。（4）扰动变量（DisturbanceVariable,DV）:扰动指任何导致被控变量偏离设定值的输入变量，如：储液罐的出口入口流量，工艺介质的进料量和进料温度、控制阀前压力等。3.1简单控制系统结构组成简单控制系统（单回路控制系统）由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。控制器Gc(s)执行器Gv(s控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值r偏差e+_控制变量u操纵变量q受控变量y测量值z扰动D干扰通道GD(s)++受控对象简单控制系统传递函数的说明：（1）框图中的各个信号都是增量，增益（放大系数）和传递函数都是在稳态值为0的条件下得到的。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。（2）各环节的增益有正、负之分，可以根据稳态条件下该环节输出增量与输入增量的比值来确定。当环节的输入增加，输出增加，该环节的增益为正，否则增益为负。测量变送环节：输入为被控变量，输出为测量值的环节，Gm(s)的增益一般为正；调节阀环节：输入为气压信号，输出为操纵变量的环节。气开/气关的选择一般从安全角度考虑，即失气时调节阀的状态。被控对象环节：只考虑控制通道输出与输入信号的关系。当操纵变量增加时，被控对象也增加增益为正，反之，对象增益为负。控制器环节：看成设定值不变，仅以测量值为输入，控制器输出为输出的环节。通过选择控制器的正、反作用达到负反馈。（3）简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道。控制通道是操纵变量作用到被控变量的通道，扰动通道是扰动作用到被控变量的通道。（4）设定值保持不变的反馈控制系统为定值控制系统。当扰动影响被控变量时，简单控制系统通过控制通道的调节，改变操纵变量来克服扰动对被控变量的影响。设定值任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控制系统。当控制系统的设定值变化时，控制系统通过控制通道的调节，改变操纵变量能跟随设定值的变化而变化。3.2简单控制系统的设计喷雾式干燥塔控制系统设计碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。生产工艺要求产品温度要求稳定，即含水量波动不能太大。设计要求1.选择被控变量与操纵变量2.过程检测、控制设备的选用选择被控变量直接参数----湿度（测量困难）间接参数----干燥塔出口温度选择操纵变量乳液流量V1旁路空气流量V2蒸汽流量V3简单控制系统的设计在本例中存在着下列三种干扰：ⅰ）干扰-----乳液流量的变化；ⅱ）干扰-----热交换器散热及温度变化；ⅲ）干扰-----蒸汽压力的变化。1f2f3f简单控制系统的设计0G0GcGcG31f2f3f1f2f3f方案Ⅰ方案Ⅱ2x1xyy0GcG1f2f3f100T100T3方案Ⅲ1x3x2xy表示干燥器，为调节器；为乳液流量或喷雾口热风温度的变化；为热交换器后热风温度的变化；为送入热交换器的蒸汽流量的变化。0GcG1x2x3x简单控制系统的设计根据对象动特性对调节质量影响的分析：方案Ⅰ的干扰作用点与对象的输入重合，因而其控制性能最佳；方案Ⅱ次之；方案Ⅲ最差。从控制的品质这方面考虑，应该选择方案Ⅰ，即选择乳液作为调节量。从工艺角度来考虑：方案Ⅰ并不是最有利的。因为若以乳液流量作为调节参数，则它就不能始终在最大值上工作，也就限制了该装置的生产能力。另外在乳液管线上装了调节阀，容易使浓缩乳液结块，降低产量和质量。因此，综合上述分析比较，选择方案Ⅱ是比较好的。方案选择：简单控制系统的设计综上所述，对象是调节系统的主要因素。从工艺的实际情况出发，分析干扰因素，合理选择调节参量，以组成控制性能较好的系统，这是调节系统设计的一个十分重要的工作。简单控制系统的设计简单控制系统的设计原则与步骤简单控制系统一般是在一个被控对象上用一个控制器来保持一个参数恒定，而控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。设计一个控制系统，首先应对被控对象全面了解，不仅要了解被控对象的静态特性和动态特性，还要对工艺过程和设备深入了解。在了解调节对象之后，下一步主要是解决控制方案和控制器最佳整定值。设计步骤包括：确定被控参数，确定调节量，确定控制规律和选择相应的控制器。简单控制系统的设计原则与步骤被控变量的选择方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参数。方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化率等。简单控制系统的设计原则与步骤被控变量的选择实例氨合成塔控制合成塔中进行的化学反应QNHHN32223LTTM催化剂层深度与温度关系催化剂层深度合成塔内温度热点要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求简单控制系统的设计原则与步骤被控变量的选择原则1.选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2.当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。⑴满足工艺的合理性⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好⑶测量变送装置的滞后小。简单控制系统的设计原则与步骤操纵变量的选择被控变量（输出量）扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数简单控制系统的设计原则与步骤操纵变量的选择原则⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。对象特性对控制质量的影响对象静态特性对控制质量的影响设：控制通道放大倍数为ＫＯ扰动通道放大倍数为ＫfＫＯ的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度Ｋf的大小表征了扰动对被控变量的影响程度小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。对象特性对控制质量的影响对象动态特性对控制质量的影响（一）设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间为τo时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡时间增长纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。对象特性对控制质量的影响对象动态特性对控制质量的影响（二）设:扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf对扰动通道特性的