过程控制工程he

过程控制系统及工程绪论●过程（Process）--生产过程基本概念历经一段时间一般工业生产伴随物质能量变化●过程（Process）的特点连续过程(ContinuousProcess)批量（间歇）过程(BatchProcess)离散过程(DiscreteProcess)流程工业(FlowManufacturingIndustry)离散制造业(DiscreteIndustry)●过程控制(ProcessControl）针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分（如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。●被控参数种类基本概念温度压力流量液位成分（氧含量，产品组份等）物性（粘度，干点，冰点等）●过程控制领域基本概念石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨电力：火电厂冶金：冶金加热炉，热处理炉生化：啤酒，制药轻工：食品，漂染环境：水处理，大气监测其它：农业，养殖业被控对象控制变量设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u是指被控制的装置或者设备。施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u表示。被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。偏差信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e表示。使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f表示。设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u设定值（给定值）希望系统输出达到的数值，一般用符号x表示。2、控制系统的组成定值元件控制器执行元件用来产生设定值或参考输入。或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。比较元件用以产生偏差信号2、控制系统的组成设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u3、对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性稳定性•控制系统设计的首要条件•系统自身的属性•有界输入，有界输出精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。快速性控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间。单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择第1章1.1单回路系统的结构组成●单回路反馈控制系统四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀反馈控制中的最基本系统特点：简单、有效、应用最成熟、最普遍---占70%以上例1：恒温箱的人工控制1.1单回路系统的结构组成人工控制的恒温箱加热电阻丝~220V调压器温度计●观测恒温箱内的温度（被控制量）●与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向●根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值●人工控制恒温箱调节过程1.1单回路系统的结构组成人工控制过程的实质：检测偏差，调节操纵变量，缩小偏差期望温度大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度温度计例2：水槽液位控制系统LCF1F2F1F21.1单回路系统的结构组成F1增加→L增加→变送器输出信号增加→偏差（测量值-设定值）为正、增加→控制器输出增加→阀开度增加→F2增加→L降低；工作过程：1.1单回路系统的结构组成控制器控制阀被控对象测量变送偏差给定测量液位●给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。●被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。●输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。1.1单回路系统的结构组成●控制系统的原理和作用（定值）●维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好●偏差控制：纠正偏差过程工业中，此类系统占大多数●按被控参数分类：温度控制回路、压力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路常规PID控制系统组成PID控制器调节阀工艺对象检测仪表给定值偏差被测变量A/DD/A•PID控制器：它是各类自动控制系统的核心部分。由于控制对象的不同，以及对系统静、动态特性的要求和应用的控制规则的不同，可以构成各种类型P,PI,PID控制器。•比例（P）控制器：适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。如：中间储罐液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力。•比例积分(PI)控制器：它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。比例积分(PI)控制器是使用最多、应用最广的控制器。•比例积分微分（PID）控制器：适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，目前应用较多的是温度系统。常规PID控制系统常规PID（ProportionalIntegralDerivative）控制器是过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器，它具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，而且PID调节规律对相当多的工业控制对象，特别是对于线性定常系统的控制非常有效。即使在现代控制技术飞速发展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。由于计算机的广泛使用，控制器的实现大都有微机实现控制算法。PID控制算法PID算法是根据给定值SP与实际输出值PV构成控制偏差e(t)=SP-PV，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：比例作用•比例部分：由数学表达式Kpe(t)表示，比例系数Kp越大，则过渡过程越快，控制结果的静态偏差也越小;但Kp越大，也越容易产生振荡。因此，比例系数Kp选择必须恰当，才能取得过渡时间少，静差小而又稳定的结果。•积分作用•从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，它的控制作用就会不断增加;只有在偏差e(t)=0时，它的积分才会为一个常数。•可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间Ti对积分的作用影响极大。当Ti较大时，积分作用较弱;这时系统的过渡时间不会产生振荡;但是消除偏差的时间较长。当Ti较小时，则积分作用较强，系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差的时间较短。微分作用•微分部分的作用由微分时间Td决定;Td越大，它抑制偏差e(t)变化的作用越强;Td越小，它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统的动态过程有很大的作用。PID参数的整定•PID控制器参数整定的实质是，寻找或者选择控制器的三项参数值，使控制器的特性与被控过程的特性得到良好的匹配，从而使控制系统的特性满足期望的目标。•PID控制器参数整定的方法很多，工程上常用的方法有：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法临界比例度法•临界比例度法：先通过试验得到临界比例度δk和临界周期TK，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。•具体做法：先只加纯比例作用，在干扰作用下，从大到小逐渐改变比例度，直到系统产生等幅振荡，这时的比例度叫临界比例度δk，振荡周期为临界周期TK，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min微分时间/minP2δkPI2.2δk0.85TKPID1.7δk0.5TK0.125TK衰减曲线法•衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的。•具体做法：先只加纯比例作用，将控制器比例度放在较大的数值上，在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度Δs，并从曲线上得出衰减周期TS，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。衰减曲线法法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min微分时间/minPδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS经验凑试法•经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，按照规定顺序，对比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。经验数据表被控变量特点δ/%Ti/minTd/min流量对象时间常数小，参数有波动，40~1000.3~1温度对象容量滞后较大20~603~100.5~3压力对象容量滞后一般30~700.4~3液位对象时间常数范围较大，20~80过程控制系统及工程第二章串级控制系统串级控制系统2.1概述2.2串级控制系统2.3投运和整定2.4串级控制系统的特点2.5串级系统副回路的设计第2章2.1概述●复杂控制系统单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求—复杂控制系统复杂控制系统—串级控制系统、比值控制系统、均匀、前馈、选择、分程等●串级控制系统原理精馏控制过程：P42图2-1提馏段温度控制—通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定2.1概述TC精馏塔提馏段温度控制：结果：温度控制不稳定2.1概述分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路可控制温度情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀门开度情况下，加热蒸汽量不同。解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制流量稳定。问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。2.1概述TCFC串级控制系统：两套控制系统的协调控制特点：两个控制器，一个调节阀一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀2.1概述TCFC2.1概述温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器特点：两个闭环环路，内环和外环内环：副环，副控制器、副对象、副变送器（流量）外环：主环，主控制器、主对象、主变送器（温度）主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀2.1概述●串级控制系统工作过程控制系统处于稳定的平衡状态2.1概述气开式控制阀反作用的流量控制器反作用的温度控制器●情况1:——副环内出现干扰流量控制器：“粗调”温度控制器：“细调”2.1概述蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响）→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）→流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。●情况2:——主环内出现干扰进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加）→提馏段温度回升2.1概述2.1概述●情况3:——主环和副环同时（1）副环干扰使蒸汽流量增大，主环干扰使提馏段温度降低；（1）副环干扰使蒸汽流量增大，主环干扰使提馏段温度升高。FCFCspsp结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。2.1概述2.2.1串级控制系统控制方案电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机（1）一般的串级方案（2）能实现主控–串级切换的串级方案温度控制器流