化工自动化过程控制系统.ppt

技术科,化工自动化过程控制系统,过程控制简介,现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，以及各公司间的激烈竞争，人工操作和一般的控制远远不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，它是保证现代企业安全、优化、低耗和高效生产的主要技术手段。,自 20 世纪 90 年代以来，计算机技术产生了突飞猛进的发展，并以计算机为工具产生了信息技术和网络技术。它在自动化技术领域中产生极大的影响和推动作用，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统。而自动化的实现工具也由集散控制系统 (DCS)发展到了现场总线控制系统 （FCS)。,自动化技术已在工业生产、科学技术和人们生活的各个领域中起到了关键的作用。已成为我国高科技的重要组成部分，在工业生产和国民经济各行业发挥着重要的作用。自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平高低的一个重要标志。 过程控制控制涉及工业生产的各个领域，不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳起来有三个方面的要求：安全性、经济性和稳定性 。,生产过程控制的发展,20 世纪 50 年代以前,经典控制理论PID控制规律,实现控制的手段主要是单个 传感器、控制器和执行器。,20 世纪 80 年代以后,自动化的实现工具也由 DCS 发展到了现场总线控制系统,人工控制和自动控制,人工控制：在人的直接参与下，使被控量等于给定值 反应不及时，可以处理复杂问题 自动控制：在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值 反应快，按设定的程序控制，必须有模型,由人工控制向自动控制发展,人工控制,自动控制,化工生产过程控制,化工生产过程控制,大型设备机组控制,一、自动控制的基本方式,开环控制之一：按给定值的操纵，其操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化。,开环控制之二：按扰动量进行控制，即所谓前馈控制，如图：在蒸汽加热器中，若负荷为主要干扰，如果使蒸汽流量与冷流体流量保持一定关系，当扰动出现时，操纵变量随之变化,闭环控制系统 系统的输出（被控变量）通过测量、变送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用，整个系统构成一个封闭的反馈回路，这种控制系统统称为闭环控制系统或反馈控制系统。,二、自控系统的组成,2.1过程控制：应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门的自动化 2.2过程控制系统：自动控制系统的按被控制量分为温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值等的控制系统,2.1.1、液位控制系统,图中，检测变送器检测到水位高低，当水位高度与正常给定水位之间出现偏差时，调节器就会立刻根据偏差的大小去控制出水阀，使水位回到给定值上。从而实现水位的自动控制。,2.1.2、温度控制系统,它由蒸汽加热器、温度变送器、调节器和蒸汽流量阀组成。控制目标是保持出口温度恒定。当进料流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时，通过温度仪表测得的变化，并将其信号送至调节器与给定值进行比较，调节器根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至调节阀，改变蒸汽量维持出口温度。,2.1.3、流量控制系统,它由管路、孔板和差压变送器、流量调节器和流量调节阀。控制目标是保持流量恒定。当管道其他部分阻力发生变化或有其他扰动时，流量将偏离设定值。利用孔板作为检测元件，把孔板上、下游的差压引至差压变送器，将流量差压值转换成电流信号；该信号送至调节器与给定值进行比较，流量控制器根据偏差信号进行运算后将控制信号送至调节阀，改变阀门开度，就改变了流量，使流量维持在设定值上。,2.1.4、常用术语,1、被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器，称为被控对象。针对以上三个例子分别是储液罐、换热器、管道。 2、被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，称为被控变量。上述个例中的液位、温度、流量。,3、操纵变量：受控制器操纵，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量，称为操纵变量。上例中的蒸汽、液体等。 4、干 扰：除操纵变量以外作用于对象并能引起被控变量变化的因素，称为干扰。 5、设定 值：被控变量的预定值，称为设定值。 6、偏差：偏差理论上应该是指被控变量的设定值与实际值之差，但是能够直接获取的是被控变量的测量值，而不是实际值，因此也称为给定值与测量值之差，称为偏差。,三、自控系统的分类,按系统的结构特点分类 反馈控制系统 前馈控制系统 前馈反馈控制系统,按给定值信号的特点分类 定值控制系统：将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统 随动控制系统：被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统 程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系数,四、过渡过程及其品质指标,1、系统的静态和动态 静态：输入不变，调节系统在调节器的自动调节作用下，被调量不再随时间变化的平衡状态 动态：被调量随时间变化，系统处于不平衡状态 一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作用于对象，使被调量偏离设定值,2、过渡过程基本形式,发散振荡,等幅振荡,衰减振荡1,衰减振荡2,（单调过程）无振荡过程,3、品质指标 余差（e） ：系统过渡过程终了时给定值与被控参数所达到的新的稳定值之差 最大偏差（A）：过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值,衰减比（n）：过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比 过渡过程时间（ts）：系统过渡过程曲线进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间 峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度,衰减振荡的品质指标,对控制系统的性能要求,稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力 准：系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后重新恢复平衡后，最终保持的精度，反映了动态后期的性能 快：动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长，将使系统长时间出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的信号,五、单回路控制系统整定,调节器参数的整定：就是在一个已经调校好的控制系统中，去选择和设置合适的调节器的比例度、积分时间和微分时间，使调节器与过程的特性相适应，来改善系统的静态和动态特性，获取最佳控制效果,系统整定方法：,临界比例度法 具体整定方法： 在闭环的控制系统中，将调节器的Ti置最大，Td置零， 系统处于纯比例作用之下，在干扰的作用下，从大到小改变调节器的比例度，直到系统产生等幅振荡， 根据临界过程参数(即临界比例度k和临界振荡周期Tk)，按经验公式计算出调节器的各个参数值、Ti、Td。 将比例度调在比计算值略大一点， 积分时间和微分时间分别置于计算值上，观察过渡过程曲线 逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修改Ti和Td，直至获得满意的过渡过程曲线为止,临界比例度法参数计算公式表,衰减曲线法 具体整定方法： 在闭环控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零， 使系统处于纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳定 用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度 直到出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度s，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts ，根据s、Ts，按经验公式计算出调节器的各个参数值s、Ts、Ti、Td。 将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上，Ti、Td分别置于计算值上， 观察过渡过程曲线，逐渐将比例度降至计算值上，直至过渡过程曲线满意为止,4:1衰减曲线法调节器参数计算表,经验法 认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微分的顺序 闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零、取经验数据，改变设定值加入扰动，观察记录曲线，若超调量大且趋于非周期，应减小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程为止,在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大10-20%，然后再将积分时间T i由大到小进行凑试，若曲线回复时间很长，应减小Ti；若曲线波动较大则应增大Ti，直到系统达到4:1 衰减振荡的过渡过程为止 若系统需加入微分作用，应取得比纯比例作用时更小些，Ti也应减小些，一般先取Td=(1/31/4)Ti，将微分时间Td由小到大凑试，若曲线超调量大而衰减慢，应增大Td；若曲线振荡厉害则应减小Td，同时观察曲线，适当调整Ti、，以使过渡时间短、超调量小，控制质量达到工艺要求为止,调节器参数的经验值,调节器参数,控制规律,经验整定法的关键是看曲线、调参数 一般情况下，调节器的比例度过小、或积分时间过短、或微分时间过长， 都会产生周期性的剧烈振荡，甚至等幅振荡 如果比例度过大或积分时间过长，都会使过渡过程变化缓慢， 不能较快达到稳定状态 整定过程过程中，除调节器参数