过程控制系统概述解析

LOGO3过程控制系统概述主要内容3.2简单控制系统3.3常用高性能控制系统3.4实现特殊工艺要求的控制系统3.1被控过程的数学模型3.1.1被控过程的数学模型及其作用被控过程的数学模型是指过程的输入变量与输出变量之间定量关系的描述。其中：过程的输入变量至输出变量的信号联系称为通道；控制作用至输出变量的信号联系称为控制通道；干扰作用至输出变量的信号联系称为干扰通道；过程的输出为控制通道与干扰通道的输出之和。3.1被控过程的数学模型一般是在工艺流程和设备尺寸等都确定的情况，研究对象的输入变量是如何影响输出变量的。研究的目的是为了使所设计的控制系统达到更好的控制效果。在产品规格和产量已确定的情况下，通过模型计算，确定设备的结构、尺寸、工艺流程和某些工艺条件。（a）（b）（c）用于控制的数学模型（a、b）与用于工艺设计与分析的数学模型（c）不完全相同。数学模型的表达形式•非参量模型当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。特点：形象、清晰，比较容易看出其定性的特征缺点：直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难表达形式：对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。•参量模型被控过程的数学模型在过程控制中的作用：1.全面、深入地掌握被控过程的数学模型是控制系统设计的基础。2.良好数学模型的建立是控制器参数确定的重要依据。3.数学建模是仿真或研究、开发新型控制策略的必要条件。4.设计与操作生产工艺及设备时的指导。通过对生产工艺过程及相关设备数学模型的分析或仿真，可以为生产工艺及设备的设计与操作提供指导。5.工业过程故障检测与诊断的设计指导。利用数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故障及其原因，并提供正确的解决途径。3.1.2被控过程的特性•有自衡特性和无自衡特性当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人或无控制装置的干预下，能够自动恢复到原来或新的平衡状态，则称该过程具有自衡特性，否则，该过程则被认为无自衡特性。具有自衡特性的过程及其阶跃响应曲线进水量阶跃增大→水位升高→出水阀前的静压增大→出水量逐渐增大→出水量等于进水量→水位处于新的平衡状态。无自衡特性的过程及其阶跃响应曲线进水量阶跃增大→水位升高→出水量不随水位升高而增大（出水量由水泵决定）→水位一直上升。•振荡与非振荡过程的特性在阶跃输入作用下，输出会出现多种形式。图中，a)、b)和c)为振荡过程，d)和e)为非振荡过程。衰减振荡的传递函数一般可表示为22()(21)sKeGsTsTs(01)•具有反向特性的过程对过程施加一阶跃输入信号，若在开始一段时间内，过程输出先降后升或先升后降，即出现相反的变化方向，则其为具有反向特性的被控过程。锅炉汽包水位的变化过程为典型的具有反向特性的过程在给水量阶跃增大而燃料量和蒸汽负荷不变的情况下，由于蒸发率的降低，于是刚开始时水位会下降，然后才逐渐上升。3.1.3过程建模方法1.机理演绎法根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。2.试验辨识法先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列试验数据或曲线，最后再根据输入－输出试验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的参数。主要步骤3.混合法机理演绎法与试验辩识法的相互交替使用的一种方法3.2简单控制系统单回路控制系统：由一个测量元件、一个变送器、一个调节器、一个执行器和一个对象组成的单闭环控制系统。也称简单控制系统。LTLICM对象3.2.1概述TTTICM冷液热液蒸汽对以上两个控制系统可用下述方框图表示：简单控制系统组成被控对象测量变送器控制（调节）器控制阀（包括执行器）3.2.2简单控制系统设计④控制系统组建设计步骤一、被控变量选择①被控变量和操纵变量的选择②调节规律的选择③自动化仪表设备选择（包括软件编制）生产过程中希望保持恒定或按一定规律变化的变量一般选择对产品的质量、产量或安全生产具有决定性作用的关键变量。选择原则：①应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都为工艺过程中比较重要的变量。②该量在工艺操作过程中经常受到一些干扰而发生变化，为维持恒定需较频繁调节。③尽量选直接参数。如直接参数难以测量，则应选与直接参数成单值函数的间接参数。④该量应能够被测量出来，且有足够的灵敏度。⑤应考虑工艺合理性和国产仪表产品现状。⑥该量应是独立可控的。二、操纵变量的选择用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。选择原则：①操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。②操纵变量一般比其它干扰对被控变量的影响更加灵敏。PID调节规律：）（dtdeTdedtTieKpy1三、调节规律的选择PID调节规律特点综述：PID调节规律阶跃响应特性曲线四、自动化仪表选择1.测量元件选择①测量元件时间常数（主要指测温元件时间常数）会造成测量滞后②测量元件纯滞后（主要由测量元件安装位置引起）例a：温度控制系统例b：PH值控制系统图2.调节器选择主要依据：调节规律、输入通道数3.其它仪表选择变送器、配电器、执行器、记录仪、显示仪、计算机等五、自动控制系统组建调节器执行器测量变送对象给定值Z被控变量-XI操纵变量3.2.3参数整定参数整定：对某一具体的控制系统，确定最合适的比例度、积分时间和微分时间。整定方法理论计算法工程整定法（实验整定法）一、临界比例度法二、衰减曲线法三、经验凑试法3.3常用高性能控制系统主要内容串级控制系统大滞后过程控制系统前馈控制系统3.3.1串级控制系统一、组成及工作原理㈠反应釜温度控制1.反应釜原理冷却液原料（混合）产品T℃反应槽夹套槽壁冷却液输出2.温度控制方案⑴单回路控制系统冷却液原料（混合）产品TTTCM冷却液输出T⑵串级控制系统T′冷却液原料（混合）产品TT1TC1M冷却液输出TT2TC2外给T㈡、管式加热炉温度控制1.管式加热炉原理炉膛T出口燃料原料油2.控制方案⑴单回路控制系统炉膛出口燃料原料油TTTCMT⑵串级控制系统炉膛出口燃料原料油TT1TC1MTT2TC2外给TT′㈢、锅炉主蒸汽温度控制1.锅炉原理⑴单回路控制系统2.控制方案TTTCMT给定饱和蒸汽过热蒸汽减温水给水T′⑵串级控制系统MTT2TC2外给T′TT1TC1T给定饱和蒸汽过热蒸汽减温水给水二、串级控制系统典型方框图系统结构特点：两个闭会回路（主回路、副回路），两个变量（主变量、副变量），两个调节器（主调节器、副调节器，一个调节器的输出作为另一个调节器的设定值），两个测量变送器（主测量变送器、副测量变送器）。三、应用范围1.容量滞后较大的过程2.纯延时较大的过程3.干扰变化激烈且幅度较大的过程4.参数相关联的过程5.非线性过程3.3.2前馈控制系统一、问题的提出TTTCM以下介绍两个反馈控制实例※反馈控制系统控制滞后、不及时。※为了改变反馈控制不及时的状况及不稳定的内在因素，提出了前馈控制理论LTMLCFCFT1前馈控制又称为扰动控制，它与反馈控制原理完全不同，它是按引起被控变量变化的干扰大小进行控制的，在这种系统中，要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就发出调节信号，使操纵变量作相应变化，使两者（干扰与操纵变量）抵消于被控变量发生偏差之前。因此，前馈控制对干扰的克服比反馈控制要快。二、前馈控制概念三、组成及原理MFTFC四、特点及局限性1.特点：⑴、前馈控制是一种开环控制。⑵、前馈控制按干扰大小进行补偿。⑶、前馈控制的调节规律不同于常规PID调节规律。⑷、前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响。2.局限性：⑴、不可能针对每一个干扰都设计并应用一套独立的前馈控制系统。⑵、对不可测的干扰无法实现前馈控制。⑶、前馈控制调节规律难以实现。五、前馈控制的几种形式1.单纯前馈控制控制系统TTTCMFTFC∑⑴换热器温度控制⑵锅炉汽包液位控制LTMLCFC∑FT1FT1※前馈控制一般不单独使用（因为达不到预期效果），实际上常与反馈控制混合使用，即组成前馈—反馈控制系统。2.前馈—反馈控制系统TTTCMFTFC∑⑴换热器温度控制⑵锅炉汽包液位控制LTMLCFC∑FT1FT13.3.3大滞后过程控制系统纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测量等。纯滞后的程度：τ/T＜0.3，称为一般纯滞后；τ/T＞0.3，称为大纯滞后。大纯滞后难于控制，其主要原因如下：1）测量纯滞后使调节作用不及时；2）控制介质传输滞后使调节动作不及时；3）纯滞后的存在使系统的开环频率特性相角滞后随频率的增大而增大，结果使闭环系统的稳定裕度下降。而要保证其稳定裕度，只能减小调节器的放大倍数，但这将导致调节质量的下降。解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等。3.4实现特殊工艺要求的控制系统主要内容比值控制系统分程控制系统均匀控制系统选择性控制系统3.4.1比值控制系统一、概述加热炉煤气空气TTTICMFTFfFICM比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统煤气：主物料、主动量、主流量——Q1空气：副物料、副动量、副流量——Q2作用：使副物料Q2与主物料Q1成一定的比例关系即：Q2/Q1=K（K为比例系数）二、常见比值控制系统1.开环比值控制系统加热炉煤气Q1空气Q2FTFfFICM①原理图②方框图调节器执行器对象测量变送给定比例系数Q1Q2③特点A、优点：设备少，投资省；B、缺点：只能保证Q2的阀门开度与Q1成比例，不能保证Q2与Q1成比例。2.单闭环比值控制系统①原理图FT2加热炉FTFfFICM煤气Q1空气Q2②方框图调节器执行器对象测量变送1Q1Q2比值给定器测量变送2-③特点A、缺点：设备多，投资多；B、优点：能保证Q2与Q1成比例。3.双闭环比值控制系统①原理图加热炉FTFfFICMFT2煤气Q1空气Q2FC1M②方框图调节器2执行器对象2测量变送1Q2比值给定器测量变送2-调节器1执行器对象1Q1-③特点A、缺点：设备多，投资多；B、优点：能保证Q2与Q1成比例，且能稳定主变量Q1。4.变比值控制系统煤气Q1空气Q2加热炉FTFfFICMFT2FC1MAT5.串级比值控制系统加热炉FTFfFICMFT2煤气Q1空气Q2FC1MTC三、比值系数计算FT加热炉FfFICMFT2空气Q2煤气Q1FC1MI1I2比值：K=Q2/Q1比值系数：K′=（I2-4）/（I1-4）1.流量与测量信号成非线性关系时21max2max21'44qKKqII'1max2'2max14'4qIKKqI2.流量与测量信号成线性关系时四、比值控制系统的实现具体实现方案有两种:2.把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控制方案。1.把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。3.4.2均匀控制系统一、问题的提出ABLCLTFCFT图a图c是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图b才体现了均匀控制的思想，即L和F都缓慢波动且都稳定在一定范围内。将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使A塔的液位在允许的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢地变化。均匀控制的设计思想：自动控制时前后设备的液位、流量关系二、均匀控制的特点1.结构上无特殊性同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。2.参数有变化，而且是缓慢地变化因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均