过程控制系统

过程控制系统第一章绪论第二章单回路控制系统第三章串级控制系统过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。过程控制的特点：1、被空对象的多样性2、普遍存在滞后3、特性往往具有非线性4、控制系统比较复杂凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。1、过程控制的概念第一章绪论2、过程控制的特点1-1典型单回路控制系统3、系统组成1、控制原理(如下图)以液体储槽的水位控制为例进行说明。液位变送器液位控制器执行器2、系统方块图3、主要组成部分(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。(2)、检测变送单元：(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。(5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。1、被控对象(简称对象或过程)：2、被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。4、常用术语：凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。)4、控制参数：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。6、给定值：即被控变量的设定值。7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。3、干扰:有常规控制系统、计算机控制系统。一、一般分类1、按工艺参数分类：有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。2、按系统的任务分类：有比例控制、均匀控制、前馈控制等。3、按自动化装置的不同分类：5过程控制系统的分类5、按是否形成闭合回路分类：是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。二、按设定值形式分类4、按控制器的动作分类：有1、定值控制系统PPIPID位式、。2、随动控制系统其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。3、程序控制系统1.衰减比n：衰减比（Subsidenceratio）是控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：n=B1/B2n=1等幅振荡n1衰减振荡n无穷大为非周期过程一般认为，n=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。衰减率ψ:是衡量过度过程稳定性的一个动态指标(于递减比含义相同).一般取=0.75～0.9。用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：121BBB6控制系统的品质指标2．超调量和最大动态偏差：随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：%1001CBCBA13．余差：它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下，余差（Steady-stateerror）为：定值控制系统中，r=0，因此有：e(∞)=-C。余差是控制系统稳态准确性指标。Cryre)()(4．回复时间和振荡频率：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间作为过渡过程的回复时间Ts（Settlingtime）。回复时间是控制系统的快速性指标。振荡频率ω与振荡周期T的关系是在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。T25．偏离度：控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最大偏差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。控制系统运行的重要准则第二章单回路控制系统1、典型例子：见下图一、系统的基本结构单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章内容无疑是重点之一。§2-1概述液位变送器液位控制器执行器2、系统方框图3、特点最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。一、被控参数(即被控量)的选择1.选择的意义§2-2被控参数和控制参数的选择2.选择方法(1).选直接参数即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)(2).选间接参数当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度控制间接实现化学反应的质量控制。)3.选间接参数的原则必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数要有足够的灵敏度。二、控制参数(即控制量)的选择当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。一般希望控制通道克服扰动的应使扰动作用点位置远离被控量能力要强，动态响应应比扰动通道快,要突出干扰作用,应使扰动作用点位置远离被控量。(三).实例讨论例1：喷雾式乳粉干燥设备的控制。1.控制要求：干燥后的产品含水量波动要小。2.被控参数选择：干燥器里的温度3.控制参数的选择(三种方案如图所示)分析可知，以风量作控制参数为最佳选择。在自动控制系统中，接受调节器的指令；经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料。调节机构执行机构0、概述1.作用2.组成§2-3执行器选择3.类型液动执行器电动执行器滚动膜片机构　长行程机构活塞机构薄膜机构－－应用最广气动执行器由两部分组成，如右图所示。一、气动薄膜控制阀的工作原理(一)、气动薄膜执行机构1、组成：由膜片、推杆、弹簧等组成。2、作用方式正作用—控制气压增加时，其开度增加。反作用--控制气压增加时，其开度减小。3、作用原理PPAe=kll=AeP/k(二)、控制阀体1、作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。2、调节原理二、控制阀的流量特性1、概念maxQL,Ql)33()Ll(fQQmax理想(固有)流量特性--假定阀前后差压不变。工作(实际)流量特性.2、类型(一)、理想流量特性取决于阀芯曲面的形状。1、直线流量特性(1)、定义：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即KLldQQdmax)QQLl.........(CK1)QQ0l.(CR1QQCLlKCLlmaxminmaxminｄ＝ＫＱＱ由上式，ｍａｘ(2)、特性方程2、其他流量特性)53(Ll)1R(1R1QQmax(3)、特点：适于在较大开度下使用。(注：国产阀，可控比R=30)对数特性：小流量时，控制作用平缓；大流量时，控制作用灵敏有效，克服了直流特性的不足。快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特性小开度时控制性能差的缺点。三、控制阀作用方式的选择选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。1、从生产的安全出发2、从保证产品质量考虑3、从降低原料和动力的损耗考虑4、从介质特点考(一)、气开气关方式的选择先选气开、气关方式，再选执行机构。(二)、执行机构正、反作用方式的选择§2-4控制器的选型积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。TI愈小，稳定性愈差。信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。根据对象特性和控制质量要求选择控制器的控制作用确定控制器的类型。随着控制器放大系数Kc的增大，控制系统的稳定性降低。随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除。二、积分控制作用对控制质量的影响一、比例控制作用对控制质量的影响三、微分控制作用对控制质量的影响(1)、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。(2)、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。四、控制器的选型应由对象的特性和工艺要求确定1、P控制器的选择2、PI控制器的选择(1)、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。(2)、适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。(1)、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。(2)、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。4、复杂控制系统3、PID控制器的选择五、控制器正、反作用的选择原则：使整个单回路构成负反馈系统---乘积为负。1、控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”；2、控制器：正作用为“＋”，反作用为“-”；3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“＋”，随之减少为“-”；4、变送器：一般为“＋”；控制器正、反作用选择的判别式：(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“-”控制系统运行的重要准则控制系统框图的几点说明说明几点：•简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。•框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。•各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。•对象的增益有正、有负例如：加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负；•气开阀的增益为正、气关阀的增益为负；•正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正；•检测变送器的增益一般为正。•通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。控制器的参数整定，就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态。4：1递减比为最佳参数整定的常用依据。4:1参数整定的方法:1、概述§2-5控制器的参数整定：对数频率特性法、根轨迹法等。(2)、工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。(1)、理论整定法%100)xxee(maxmax.;;;maxmax输出变化量围控制器输出的变化全范输入变化量控制器输入的测量范围式中xxee对于单元组合仪表%.100K1c比例度的概念：对于比例作用大小，工业控制器常用δ表示，其义为：一、现场经验凑试法二、稳定边界法（临界比例度法）是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。三、阻尼振荡法（衰减曲线法）是在总结稳定边界法的基础上，经过反复实验提出来的。四、响应曲线法（动态特性参数法）依据对象的响应曲线---飞升特性整定参数，精度更高。第三章串级控制系统§3-1概述单回路控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单