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教材:北京化工大学信息学院编,《过程控制工程》,高等教育出版社出版,2007年主要参考书目:金以慧.过程控制.第1版.北京:清华大学出版社,2004年B.Roffel,B.H.Betlem.Advancedpracticalprocesscontrol.Berlin:Springer,2004邵惠鹤.工业过程高级控制.第1版.上海:上海交通大学出版社,1997年王树青.工业过程控制工程.第1版.北京:化学工业出版社,2003年F.G.Shinskey.过程控制系统—应用、设计与整定.萧德云,吕伯明译.第3版.北京:清华大学出版社,2004过程控制发展概况早期一千多年前:铜壶滴漏计时器、指南车(中国西汉时期-开环前馈)、各种天文仪器。十八世纪:风车定向装置(1750年),蒸汽机调速装置(1784年)30年代~黑箱子时期:凭经验,配仪表(经典控制理论1代+2代)1948年:N.Wiener发表《控制论》50年代~仪表化阶段:发展仪表硬件,基地式仪表(控制系统)主要是单回路控制系统W.R.Evans提出根轨迹法,钱学森发表《工程控制论》60年代~发展阶段(现代控制理论,第3代)单元组合仪表,电动、气动①化工动态学(建立数学模型)②计算机发展③PID控制和复杂控制:(串级、比值、前馈、均匀、选择等)④全局设计观念过程控制发展概况70年代~微电子技术的发展--〉计算机控制DDC(DirectDigitalControl)DCS(DistributedControlSystem)PID控制及高级算法:推断,预测,自适应,最优大系统理论(第4代)80年代~多级优化控制CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)CIPS(ComputerIntegratedProcessSystem)FCS(Field-busControlSystem)智能控制理论(第4代):模糊控制、神经网络控制、专家控制、遗传算法、灰色理论自动化发展的两个特点●任务的需要、理论的开拓、技术手段的进展●一门综合性的技术过程控制发展概况●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1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章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1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第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2:水槽液位控制系统1.1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→控制器输出减小→阀开度增加→F2增加→L降低;工作过程:F1F2LCF1F2A.C1.1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1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章●控制系统的设计目标1.2被控变量的选择即,要控制什么基于工艺要求,选择的结果直接影响生产(产品产量、质量、生产安全)●分类1.2被控变量的选择直接控制最基本的热工参数,一般是可以直接进行测量和控制的参数温度、压力、液位、流量间接控制质量指标,以及一些特殊的参数成份、物性参数等,在一般条件下,无法直接测量和控制应根据工艺参数的关系,用可测的参数,间接进行控制1.2被控变量的选择例1:苯、甲苯二元精馏系统质量指标是最重要的控制参数如塔顶产品的纯度xD但xD目前无法直接测量,因此,只能用间接控制参数进行控制。根据精馏原理,xD=f(TD,p),即与温度和压力成非线性函数关系。理论上,固定一项,就可用另一项控制xD。一般的,实际中都采用恒定p,通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。1.2被控变量的选择选择原则:(1)测量滞后P(2)工艺合理性T工艺合理性:①规定塔压稳定,保证分离度,保证效率②各块塔板压力恒定,XD与T有对应关系∴选择XD=F(T)PTfXD,050100%苯、甲苯百分含量(%)050100%DXTP一定T一定PDX1.2被控变量的选择●选择被控变量的原则(1)尽可能选择直接质量指标参数;(2)必须选择间接量指标参数时,选择对目标参数影响最显著的可控参数,单值对应关系最好;(3)灵敏度好,反映产品质量变化,易于控制;(4)考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。操纵变量的选择:(1)一般选系统中可以调整的物料量或能量参数,多是流量;(2)不止一个,重要因素1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择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1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●对象特性分析精馏塔:影响塔顶成分的有,温度、压力、进料流量、进料成分等对于实际过程,影响输出的因素一般不只一个,因此,实际上都是多输入系统(MIMO)F1F2FnY1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择设计单回路控制系统:必须从影响被控量的诸多影响参数中选择一个,作为操纵变量其它影响量则只能视作干扰量了控制:用操纵量克服干扰量对被控变量的影响F1(s)F2(s)U(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1(s)+GPD2(s)F2(s)1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择操纵量—输出:控制通道干扰量—输出:干扰通道干扰作用与控制作用相互对立而存在问题:如何选择一个良好的操纵变量。分析通道特性通道的概念:通道就是某个参数影响另外一个参数的通路1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●干扰通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)GPC(s)Y(s)F(s)干扰作用下的闭环传递函数为:1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择(1)放大倍数Kf的影响结论:Kf越大,系统的余差也越大,控制质量越差Y()=Kf1+KCKo分析过程:Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)GPC(s)F(s)1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择(2)时间常数Tf的影响结论:Tf越大,个数越多,干扰对被控变量的影响越小,系统的动态偏差越小,控制质量提高干扰进入系统的位置:越离被控变量近的干扰,对被控变量的影响也越大1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择(3)纯滞后τf的影响结论:干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响,只是滞后了干扰对控制的影响Y(s)=GPD(s)e-τs1+Gc(s)GPC(s)F(s))()(tyty1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●控制通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择(1)放大倍数K0的影响静态:控制通道放大倍数K0大,控制系统稳态余差小,见式(1-7)动态:控制系统衰减比ξ与Kc与K0的乘积有关,见式(1-18),且KcK0越大,ξ越小,稳定性差,因此,要保证KcK0=常数。在KcK0=常数情况下,控制系统稳态余差不变。从控制角度看,K0大些,说明控制通道对系统的影响大,易于调节,因此,一般希望K0大些好1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择(2)时间常数T0的影响从控制系统传递函数推导进行分析结论:控制通道的时间常数大,经过的容量数多,系统的工作频率低,控制不及时、系统控制质量差,如温度系统。一般希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小,将使得系统过于灵敏,也会使稳定性变差,如流量系统1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择(3)纯滞后τ0的影响结论:纯滞后τ0的存在,使得控制不及时,增加动态偏差,降低稳定性。控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素,会严重影响控制系统品质,以至于使控制系统发散,造成严重后果,因此,实际工程中,必须重视。1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●操纵变量的选择兼顾考虑工艺的合理性,工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。实质上是决定了控制通道的选择。原则:(1)操纵变量必须可控(2)选择通道放大倍数相对大的(3)选择通道时间常数相对小的(干扰通道时间常数大些)(4)选择通道的纯滞后尽量小(5)选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀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1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章1.4控制阀的选择控制系统的执行部件接受控制器的命令执行控制任务。选择内容:口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式口径大小●●直接决定介质流过的能力1.4控制阀的选择通过计算阀的流通能力,并且保证具有一定的余量,具有较宽的可控范围。口径过大,正常流量时阀门处于小的开度,阀的特性不好;口径过小,正常流量时阀门处于大的开度,阀的特性也不好。开闭形式●●气动控制阀:1.4控制阀的选择●电动控制阀:一般均为电开式(电机带动阀门)
本文标题:过程控制工程第一章
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