过程控制系统.ppt

过程控制系统,河北理工大学电气工程学院张湧涛,过程控制系统,课程简介上篇常规过程控制系统下篇计算机控制技术与系统,课程简介,过程控制系统：针对工业生产过程的控制系统,自动控制系统,运动控制系统（拖动系统）：电机传动控制,工业生产过程：连续的或者按照一定周期运行的工业生产对象。如石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等。,特征,生产的连续性：时间上：连续运行工艺上：一道工序接着另一道工序,主要参数：温度、流量、压力、物位、成分等热工参数,常规过程控制系统：采用常规仪表的控制系统,过程控制系统,计算机过程控制系统：采用计算机的控制系统,教学用书及参考书,过程控制系统1朱麟章主编过程控制系统及设计机械工业出版社2邵裕森主编过程控制工程第二版机械工业出版社3金以惠主编过程控制清华大学出版社4蒋慰孙、俞金寿编著过程控制工程中国石化出版社计算机控制技术与系统1王锦标编著过程计算机控制清华大学出版社2王慧主编计算机控制系统化学工业出版社3王锦标编著计算机控制系统清华大学出版社4李华、范多旺等编计算机控制系统机械工业出版社5杨天怡、黄勤等编微型计算机控制技术重庆大学出版社,上篇常规过程控制系统,第一章绪论第二章过程控制对象的特性第三章单回路控制系统第四章串级控制系统第五章比值控制系统第六章前馈控制系统第七章其他控制系统,下篇计算机控制技术与系统,第八章过程计算机控制概述第九章输入输出技术第十章计算机控制系统的控制算法第十一章计算机控制系统的抗干扰技术第十二章集散控制系统（DCS）第十三章现场总线控制系统（FCS）过程控制系统课程教学目标及要求,第一章绪论,本章主要内容1-1过程控制系统的特点1-2过程控制系统的发展概况1-3程控制系统的组成与类别1-3过程控制系统的品质指标,1-1过程控制系统的特点,过程控制系统的特点取决于被控对象的特点被控对象复杂多样；生产过程大多比较复杂、规模差异大、机理不同对被控对象的辨识比较困难。多数对象存在纯滞后；设备庞大，存在容量、惯性和阻力，难以控制。对象特性的非线性；对象的输入与输出之间的关系通常是非线性的，实际控制系统只能在一定范围内做线性处理，控制质量受到影响。控制系统比较复杂；控制系统考虑的因素很多，系统变得庞大。,1-2过程控制系统的发展概况,过程控制的目的：保证生产安全、稳定、可靠、改善劳动条件。提高产品产量、质量。节能、降耗、高效、环保。随着控制理论、检测技术、电子技术、计算机技术的发展，过程控制系统的发展可分为三个阶段：初级阶段（40年代前后）：手工控制、基地仪表仪表化阶段（50-60年代）：单元组合仪表综合自动化阶段（70年代后）：计算机控制技术,1-3过程控制系统的组成与类别,一过程控制系统的组成,1-3过程控制系统的组成与类别,1-3过程控制系统的组成与类别,被控对象：控制系统所控制的生产设备或装置。,被控参数（被控量y）：控制系统中需要控制的参数,控制参数（操纵量q）：控制系统中起调节作用的参数,检测、变送器：控制系统中的反馈装置。,ym：被控参数的测量值。,控制器（调节器）：控制系统中的分析、决策装置。,1-3过程控制系统的组成与类别,控制系统偏差（控制器输入e）：偏差=设定值r-测量值ym控制器输出（u）：控制作用，是控制器的决策结果。,扰动（干扰d）：引起被控参数变化的所有因素。内扰：经过控制通道的扰动。外扰：系统外部干扰因素,设定值（给定值r）：希望被控参数保持的值,执行器：（执行机构+调节机构）：控制动作的执行者。,1-3过程控制系统的组成与类别,课堂问题画出控制系统的方框图指出：被控对象、被控参数、控制参数、主要扰动,1-3过程控制系统的组成与类别,根据控制设备的不同分类：常规仪表控制系统：控制器（调节器）采用常规仪表计算机控制系统：控制器采用计算机,常规仪表控制系统按照给定值形式分类:定值控制系统：控制过程中给定值保持不变的系统。随动控制系统：控制过程中给定值是变化的但变化的规律是未知的。程序控制系统：控制过程中给定值是变化的但变化的规律是已知的。,二过程控制系统的类型,1-4过程控制系统品质指标,一控制系统的静态、动态与过渡过程,二典型输入与过渡过程形式,静态：被控量保持不变的状态称为系统的静态。静态是系统的相对稳定状态，也称稳态。,动态：被控量处于变化的状态称为系统的动态。动态是控制系统的调节状态。,过渡过程：控制系统克服干扰的调节过程。,单调衰减：无超调、调节过程缓慢,衰减振荡：具有一定的快速性和稳定性,等幅震荡：临界稳定状态,发散震荡：振幅发散，直至系统破坏,1-4过程控制系统品质指标,三品质指标,1衰减比：nB1/B2,衰减比衡量过渡过程的快慢程度和,稳定裕量。一般取n4:1-10:1,2最大动态偏差：B1或A,过渡过程开始后，被控量的最大值,与新稳态值或设定值之差。,超调量：最大动态偏差与稳态值之比。,3调整时间（过渡过程时间ts）：,从过渡过程开始直到被控量达到新,稳态值的5(2)所经历的时间。,4静态偏差（余差）：C,过渡过程结束时被控量与设定值之差。,第二章过程控制对象的特性,本章主要内容2-1概述2-2有自平衡能力对象的动态特性2-3无自平衡能力对象的动态特性2-4时域法辨识对象的动态特性2-5频域法辨识对象的动态特性,2-1概述,其意义可归纳为以下几点：制定控制系统设计方案进行控制系统调试和参数整定设计工业过程的故障检测与诊断系统设计工业过程运行人员培训系统指导设计生产工艺设备从生产工艺角度考虑设备的结构,一对象特性,对象特性：被控对象在输入的作用下，输出变化的状态和特征。,描述对象输入与输出关系的数学模型。,二研究对象特性的意义,2-1概述,两种方法相结合：通过机理分析获得模型的结构利用试验数据确定参数大小。,三建立对象数学模型的基本方法:,机理分析法:,根据生产过程实际发生的变化机理，写出有关的平衡方程，从而获得所需的数学模型。,特点：简单对象比较准确，复杂对象很难精确表达，往往需要近似处理。,实验辨识法:,用实验的方法测试出对象在输入作用下输出变化的全过程，根据过程的特性估计参数。,特点：不需要深入了解过程的机理。但必须设计合理的试验，以获得对象所含的最大信息量。,2-1概述,四对象数学模型的分类：按照是否线性划分：线性系统模型和非线性系统模型。按照对象的连续性划分：连续系统模型和离散系统模型。按照模型的结构划分：输入输出模型和状态空间模型。输入输出模型：多输入单输出：多输入多输出,为控制通道传递矩阵为干扰通道传递矩阵,2-1概述,五对象的自平衡能力对象受到扰动后平衡状态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠对象本身自动趋向平衡的特性，能自动达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。,h在很小范围变化时可认为h与Q2成近似线性关系。令,2-2有自平衡能力对象的动态特性,一无纯滞后单容对象的动态特性采用物料平衡方程建立对象的数学模型：稳态下：Q10Q20hh0进出物料平衡，液位保持不变。阀门R1开度突然增大X，则Q1Q10Q1同时流出量Q2随着液位的升高逐渐增大Q2Q20Q2根据物料平衡关系可得：流入量流出量稳态点处微分联立几式并整理可得：,2-2有自平衡能力对象的动态特性,写成通用表达式为：式中T对象的时间常数TRCR对象的液阻，在此与阀门R2的开度相对应，与稳态点有关。C对象的液容，CA对应水箱的截面积K对象的放大系数对微分方程求拉式变换可得传递函数：当输入为阶跃时解微分方程可得：放大系数K：当t时可得出：K与变化过程无关，只与稳态值有关，是描述对象静态特性的参数。K表征了对象输出在输入作用下的灵敏程度。K与负荷（稳态工作点）有关，在稳态工作点附近可认为是常数。,时间响应,2-2有自平衡能力对象的动态特性,被控量保持起始变化速度不变达到新稳态值所需要的时间。时间常数反应的是对象受到扰动后，被控量变化的速度。时间常数是描述对象惯性大小的参数。它由容量和阻力决定。可用4T作为响应时间标准。阻力R:物料和能量的传递过程中都有阻力。流体传送过程中的阻力阻力大变化过程慢，阻力小变化过程快。容量C：表征对象储存能力的大小，也叫容量系数。容量C的物理意义：引起被控量单位变化时，对象储存量变化的大小。容量只反应动态过程，因此C只影响时间常数T。,时间常数T:,2-2有自平衡能力对象的动态特性,二有纯滞后单容对象的动态特性对象输入发生变化后，输出并不立即跟随变化，经过一段时间后输出才开始变化。这种现象叫纯滞后，相应的时间叫纯滞后时间。一般用表示纯滞后时间。物料或能量的传递过程中存在一定的传输距离；检测点与输入作用点之间存在一定的距离；具有纯滞后单容对象的微分方程可表示为：相应的传递函数为：控制通道中存在纯滞后，意味着控制作用不及时。,纯滞后：,产生纯滞后的原因：,2-2有自平衡能力对象的动态特性,三多容对象的动态特性两个串连单容对象的动态特性T1：第一容积的时间常数T2：第二容积的时间常数K：放大系数,2-2有自平衡能力对象的动态特性,工业对象的一般表达形式为：用等容环节近似有：高阶对象的一阶近似处理：小结：有自平衡能力对象的特性有单容和多容的情况，容量的不同描述对象特性的微分方程的阶次不同。多容可以认为是单容串连形成的。描述有自平衡能力对象的特性，通常用KT三个参数。三个参数从不同的角度反映了对象的特征。高阶对象可以用一阶对象近似表示。,2-3无自平衡能力对象的动态特性,一单容对象的动态特性时间解为：令响应速度响应时间则传递函数为：,2-3无自平衡能力对象的动态特性,二双容对象的动态特性微分方程为：传递函数为：若含滞后传递函数为：多容对象的传递函数：,2-4时域法辨识对象的动态特性,一阶跃扰动法测试方法:注意事项输出应处于稳定状态，且应为正常工作点阶跃幅值要适当，一般为流过阀门最大流量的10（520%）允许的情况下大一些好。实验要进行到被控量接近新的稳态值。在额定负荷或平均负荷下重复进行几次，至少得到两次基本相同的曲线。扰动要正反方向变化，分别测出正反方向的响应曲线。要特别注意记录下响应曲线的起始部分。,辨识法包括,经典辨识法：,经典辨识法又分为时域法和频域法,现代辨识法:,特征是用计算机进行数据处理。,2-4时域法辨识对象的动态特性,二矩形脉冲法测试方法:与阶跃响应法相同，激励信号不同。矩形脉冲响应转换为阶跃响应：设x(t)为矩形脉冲信号则x(t)x1(t)x2(t)而x2(t)x1(tt0)即x(t)x1(t)-x1(tt0)矩形脉冲响应可认为是两个阶跃响应的叠加。设ys(t)为对应x1(t)的阶跃响应ys(t-t0)为对应x1(t-t0)的阶跃响应yp(t)为脉冲响应于是有:yp(t)=ys(t)-ys(t-t0)即:ys(t)=yp(t)+ys(t-t0),yp(t),ys(t),2-4时域法辨识对象的动态特性,三根据阶跃响应确定对象的传递函数（课堂自学）自学过程中需要弄清楚的几个问题如何确定对象数学模型的结构？对象的阶次？有无自平衡能力？是否含有纯滞后？是否为等容对象？（定性分析；曲线形状；对模型的精度要求）根据响应曲线需要确定哪些参数？根据响应曲线确定对象数学模型的方法、特点？切线法、计算法、两点法、图解法。,2-5频域法辨识对象的动态特性,一测试方法针对每个每一频率正弦信号，记录下输入和输出的幅值与相位差，得到对象的幅频特性和相频特性。二测试注意事项1选择合适的频率范围，频率不能过高。2合理确定幅值，过大易产生饱和，过小易进入死区。,第三章单回路控制系统,本章内容3-1概述3-2被控量与操纵量的选择3-3检测与变送装置的选择3-4终端器件（执行器）3-5控制器的选型3-6控制系统投运和控制器参数整定,3-1概述,一单回路控制系统的组成及应用范围单回路控制系统又称简单控制系统。其组成如图所示：组成特点：结构最简单、应用广泛、技术成熟；是各类控制系统的基础；应用范围：适用于对象滞后比较小，负荷变化不大，控制品质要求不太高的场合。,3-1概述,二控制系统的工程考虑控制工程包含四个方面的内容：控制系统的方案设计（理论设计阶段）工程设计（仪表选型、施工图纸设计）仪表选型控制室和仪表盘设计供水、供电、供气系统设计信号系统设计安全防爆设计仪表安装与调校（现场安装）控制系统投运与参数整定（系统运行）,确定控制系统类型,选择被控量和操纵量,对象信息的获取与变送,执行器的选择,控制器的选择,3-2被控量与操纵量的选择,一被控量的选择1选择被控参数的方法直接参数：直接反应生产过程的产品产量、质量及安全性能的参数。间接参数：间接反映生产过程的产品产量、质量及安全性能的参数。2选择被控量应遵循以下几条原则：被控量必须是工艺过程中比较重要的变量；被控量在操作过程中经常受到干扰的影响，需要调节的变量；被控量应能测量出来，而且要有一定的灵敏度。尽量选用直接参数，选择间接参数时，最好选择与直接参数有单值对应关系的参数；被控量应是独立、可调的；选择被控量要考虑工艺的合理性和仪表产品的现状；,3-2被控量与操纵量的选择,二操纵量（控制量）的选择选择控制量就是从众多影响被控量的因素中选择一个作为操纵量，保证系统是一个可控性良好的控制系统。（一）放大系数对控制品质的影响设干扰作用下的传递函数为：,控制通道,干扰通道,3-2被控量与操纵量的选择,系统的偏差为：对于定值系统：设干扰为单位阶跃：D(s)=1/S系统的余差为：讨论：从余差角度看：干扰通道放大系数Kd越小越好；控制通道放大系数Ko越大越好；从调节作用看：Ko过小，调节作用太弱，Ko过大，调节作用太强。KcKo的为一常数，Ko可适当用Kc补偿结论：干扰通道放大系数Kd越小越好，控制通道放大系数Ko应适当大。,3-2被控量与操纵量的选择,（二）干扰通道动态特性对控制品质的影响1时间常数对控制品质的影响设各环节的放大系数均为1，干扰通道的对象特性为：干扰作用下的闭环传递函数为：系统的特征方程为：讨论：特征方程增加一个负极点使过渡过程变慢，但动态分量的幅值减小Td倍，即干扰对被控量的影响大大减小。结论：干扰通道增加惯性环节相当于一个滤波器，使干扰对系统的影响减小，且Td越大、环节越多控制质量越好。,3-2被控量与操纵量的选择,2滞后时间对控制品质的影响干扰通道存在滞后时，系统的闭环传递函数为：输入为单位阶跃时，被控量的时间响应为：结论：干扰通道存在纯滞后对控制质量没有影响，相当于干扰发生的时刻推移了一段时间。干扰通道存在容量滞后时，使干扰变得缓和。3干扰作用位置对控制品质的影响,3-2被控量与操纵量的选择,（三）控制通道特性对控制品质的影响1时间常数对控制品质的影响时间常数T太大，控制作用缓慢，过渡过程时间加长，质量下降。时间常数T太小，控制作用过于灵敏，易产生振荡。结论：控制通道的时间常数T应适当小。2.滞后时间对控制质量的影响对系统稳定性的影响：对象不存在纯滞后时:对象存在纯滞后时：结论：对象控制通道存在滞后，系统的稳定性下降，随KcKo或0的增大，有可能变成不稳定系统。,3-2被控量与操纵量的选择,2.滞后时间对控制质量的影响纯滞后对动态质量的影响定性分析有无滞后时的调节过程：结论：对象控制通道存在纯滞后，使系统超调量增大，过渡过程时间加长，控制系统的控制质量全面下降。容量滞后也会降低控制系统的品质。3时间常数匹配对控制质量的影响设有如下系统：,3-2被控量与操纵量的选择,衡量控制系统性能的准品质指标：Kmk（反应系统的综合性能）Km:控制系统的临界放大系数，k：控制系统的临界振荡频率。根据稳定性判据可得：,结论：时间常数恰当的错开，可使控制系统的控制质量得到提高。,3-2被控量与操纵量的选择,操纵量(控制量)的选择原则：从对象特性入手，合理选择操纵量使：控制通道：放大系数Ko应适当大；时间常数To适当小；滞后时间oc越小越好；干扰通道：放大系数Kd越小越好；时间常数Td越大越好；纯滞后时间d没有关系；应力求使干扰远离被控参数检测点，靠近执行器；广义对象的时间常数要错开；操纵量应具有可控性、工艺操作的合理性与经济性；,3-3检测与变送装置的选择,一检测变送装置对控制质量的影响作用：快速准确的获取被控参数的信息。近似数学模型：目标：希望Tmm越小越好。二注意问题及处理方法:选择快速检测元件；合理选择测量点位置，减小测量滞后和纯滞后；对测量信号要进行处理：抑制噪声、线性化等；正确采用微分补偿补偿后的传递函数：,3-4终端器件（执行器）,执行器的作用：是控制系统中的重要组成部分，是完成控制作用的执行者，执行器的性能直接影响控制系统的品质。执行器的组成与分类：组成：执行机构：执行机构是执行器的驱动部分。调节机构：调节机构为各种阀体（改变调节参数大小）。类型：电动执行器；气动执行器；液压执行器；一气动薄膜调节阀（一）气动薄膜执行机构工作原理：设气压信号为P，膜片有效面积为A0，推杆位移为L，弹簧刚度为k有：PA0kL（压力与位移一一对应）正反作用：正作用：压力增加，阀杆位移向下。反作用：压力增加，阀杆位移向上。,3-4终端器件（执行器）,（二）调节机构（阀体）原理：阀体可认为是局部阻力可变的节流元件，对于不可压缩流体，根据能量守恒原理可知，阀的压力损失为：,P:阀前后的压差；：流体密度；：阻尼系数，随阀开度变化；V：流体的平均流速；,当P恒定时，A、为常数，Q随而变，即：随开度的变化而变化。,Q：流体的体积流量；A：阀的接管截面积；,3-4终端器件（执行器）,阀的结构形式：直通单座，直通双座，角型阀，蝶阀，隔膜阀等。阀的正反作用（正装、反装）：正作用（正装）：阀芯下移流通面积减小。反作用（反装）：阀芯下移流通面积增大。阀的流开与流关：在流体作用下使阀门打开或关闭。执行器的气开与气关：气开：信号压力增加，阀门开度增大。正作用的执行机构+反作用的阀；反作用的执行机构+正作用的阀；气关：信号压力增加，阀门开度减小。正作用的执行机构+正作用的阀反作用的执行机构+反作用的阀,3-4终端器件（执行器）,二控制阀的流量特性阀的流量特性：流过阀门的相对流量与相对开度的关系。Q,Qmax:分别为阀某一开度和最大开度时对应的流量。l,L:分别为阀某一开度和最大开度时阀杆的位移量。理想流量特性：阀两端压力不变是的流量特性。工作流量特性：考虑阀两端压力变化时的流量特性。,3-4终端器件（执行器）,（一）理想流量特性（阀门两端的压力不变时的流量特性）理想流量特性取决于阀的结构特性，主要取决于阀芯的曲面形状。1直线流量特性：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。数学表达式为：积分可得：根据边界条件：l0时，QQminlL时，QQmaxQmin：控制阀所能控制的流量下限，注意泄漏量。Qmax：控制阀所能控制的流量上限。,3-4终端器件（执行器）,直线阀的流量特性方程为：直线阀的特点：小开度下调节作用太强，大开度下调节作用太弱。2对数流量特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比。即：流量特性方程为：对数阀的特点：小开度时流量变化量小，调节作用平稳，大开度时流量变化量大，控制作用灵敏，也就是说在不同开度下具有同样动作灵敏度。有利于控制系统的工作。,3-4终端器件（执行器）,3快开特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点相对流量的倒数成正比。即：特性方程为：特点：小开度时流量就比较大，随开度的增加流量很快达到最大。快开特性的阀门适用于快速开闭的位式控制系统。4抛物线特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点相对流量的平方根成正比。即：特点：介于直线与对数流量特性之间。可弥补直线特性小开度时控制性能差的缺点。,3-4终端器件（执行器）,（二）工作流量特性串连管道中的工作流量特性定义：阀阻比S值越小，分配到阀上的压降越小，流量特性畸变越大。S值不应小于0.3。并联管道的工作流量特性阀的流量比：值越小，可控比也越小，即阀的控制能力降低。通常希望0.8。,3-4终端器件（执行器）,（三）流量特性的选择从控制系统特性、负荷变化情况和S值三个方面综合考虑。控制系统特性：开环放大倍数为常数负荷变化情况：变化小直线、对数均可，变化大采用对数阀。S值：S0.3-0.6时考虑流量特性的变化。三控制阀的口径计算（参考教材相应内容）四阀门的结构形式选择选择原则：了解各种阀门的特点，考虑控制介质工艺条件、物理性质。五执行器气开气关形式的选择选择原则：1安全原则：控制系统故障状态下，保证生产安全。2质量原则：控制系统故障状态下，保证产品质量不受影响。3节能降耗：控制系统故障状态下，有利于节能降耗。,3-5控制器的选型,一控制作用对控制质量的影响1比例控制作用：比例是基本控制作用，控制作用的大小与偏差成正比；比例控制是有差控制，只能起到“粗调”的作用；放大系数不同，调节作用强弱、系统的稳定性、余差不同；2积分控制作用：积分是一个滞后环节，加入积分系统的稳定性下降；积分时间Ti越小，积分作用越强，稳定性越差；积分作用可以消除余差；3微分作用：微分属于超前环节，可提高系统的稳定性；微分时间Td越大，微分作用越强；,3-5控制器的选型,二控制规律选择：P：适用于通道滞后小，负荷变化小，控制质量要求不高的场合。PI：适用于通道滞后小，负荷变化小，控制质量要求高的场合。PID：适用于对象容量滞后大，控制品质要求高的情况。三正反作用方式选择（原则：自动控制系统必须是负反馈系统）定义：控制器偏差增大，输出增大为正作用，反之为反作用。控制器的偏差定义为：ezr（测量给定）方法：（控制器“”）（执行器“”）（对象“”）“”符号确定方法：正作用为“”反作用为“”阀门：气开为正作用，气关为反作用对象：操纵量增加时，被控参数也增加的为正作用，反之为反作用。,控制器正反作用方式确定,首先确定阀门的气开气关形式判断对象的正反作用确定控制器正反作用,3-6控制系统投运和参数整定,一系统投运：准备工作：熟悉工艺，了解对象；掌握系统的设计原理、方法和方案；弄清楚各种设备的性能、规格、安装地点；线路与管路检查：检查各种线路连接、管路连接是否正确、合格；仪表的调整与校验：对系统中的各种仪表进行调整和校验校验。传感器与变送器：安装位置是否正确，零点与量程是否准确。控制器：手动/自动、正/反作用选择是否正确执行器：行程范围、运行是否平稳、动作方向是否正确。系统投运：手动遥控使系统达到平衡后，在控制器偏差为零的情况下，由手动切换到自动。,3-6控制系统投运和参数整定,二控制器参数整定参数整定：确定使控制系统的过渡过程达到最佳所需的控制器参数。整定方法：理论计算法:根据系统特性，用理论分析法确定控制器参数。工程整定法：通过现场实验确定控制器参数。1经验凑试法：经验参数闭环运行加干扰观察曲线调整参数,3-6控制系统投运和参数整定,经验凑试法的两种顺序第一种顺序：（以比例控制作用为基础）首先整定比例度，然后再加积分，最后加微分。对于P控制器：首先将比例度放在较大数值，逐步减小比例度，观察过渡过程曲线形状，直到满意为止。对于PI控制器：先将Ti，整定比例度，使之达到4：1衰减曲线。加入积分，同时将比例度放大1020，积分时间由大到小，直到获得满意曲线。对于PID控制器：先按PI整定方法整定和Ti。然后加入微分，同时减小(1020)，Ti也适当减小。Td由小到大逐步加入，观察曲线形状，直到满意为止。,3-6控制系统投运和参数整定,第二种顺序：（出发点：比例度与积分时间在一定范围内匹配）先预置一积分时间，然后由大到小调整比例度，得到满意的过渡过程为止。若加入微分，可使Td（1/3-1/4）Ti，然后再整定比例度。2临界比例度法：整定步骤：将Ti=Td0，根据对象特性选择一个较大的比例度，系统稳定的情况下由手动打到自动。加扰动（给定值阶跃或外扰），观察过渡过程曲线形状，一般为衰减振荡过程，然后减小比例度，重做扰动实验，直到出现等幅振荡为止，记下此时的比例度k（临界比例度）和振荡周期Tk（临界震荡周期）。根据控制器类型和k，Tk根据经验公式确定控制器所需的参数。,3-6控制系统投运和参数整定,临界比例度法参数计算表将计算的参数置于控制器，投入自动，不满意再作适当调整。注意事项：不允许被控量做等幅振荡的工艺过程不能用该方法。控制通道时间常数很大时也不适合用临界比例度法。控制系统临界比例度很小，控制器的比例度放到最小仍不能产生等幅振荡时，可把最小刻度的比例度作为临界比例度。,3-6控制系统投运和参数整定,3衰减曲线法整定步骤：纯比例作用下得到4:1或10:1衰减振荡过程曲线，记下此时的比例度s和衰减振荡周期Tk，再按经验公式计算相关参数。4响应曲线法：测出广义对象的响应曲线，并作一阶近似处理，得到Ko、To、o。根据广义对象特性按照经验公式确定相应的控制器参数。,第四章串级控制系统,本章内容4-1概述4-2串级控制系统的特点4-3串级控制系统的应用范围4-4串级控制系统的设计4-5串级控制系统的运行,4-1概述,简单控制系统（单回路控制系统）结构简单、设备投资少；应用广泛：占过程控制系统总数的80%左右；是过程控制系统的基础；难以解决复杂问题；复杂控制系统凡在控制系统中采用两个或两个以上检测元件和变送器，或控制器，或执行器，完成一些复杂的或特殊的控制任务，这样的系统被称为复杂控制系统。常见的复杂控制系统：串级控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、均匀控制系统、选择性与分程控制系统等。,4-1概述,一串级控制系统的组成,炼油厂管式加热炉原料油出口温度控制,4-1概述,直接控制方案：以原料油出口温度为被控量，以燃料油流量为操纵量构成单回路控制系统。,设定值,测量值,TT,TC,T1原料油出口温度,特点：回路包括了所有干扰；控制通道控制作用不及时；,4-1概述,间接控制方案：,FT,FC,控制燃油流量：以燃油管道出口流量为被控量，入口流量为操纵量，构成流量控制系统。,特点：快速克服燃油压力波动，但不能消除其它干扰对原油出口温度的影响。燃油流量只是手段，燃油出口温度才是最终目的。,测量值,设定值,4-1概述,串级控制方案：将温度控制系统与流量控制系统合二为一。,FT,FC,流量测量值,流量设定值,TT,TC,温度测量值,温度设定值,4-1概述,串级控制系统方框图,4-1概述,名词术语串级控制系统：两台控制器串联在一起控制一个执行器的系统。主变量：串级控制系统中起主导作用的那个被控量，也称主参数。副变量：为稳定主变量或因某种需要引入的辅助变量，也称副参数。主控制器：按主变量的测量值与偏差进行工作的控制器副控制器：按副变量的测量值与偏差进行工作的控制器主对象：主变量所处的那部分工艺设备，其输入为副变量，输出为主变量副对象：副变量所处的那部分工艺设备，其输入为操纵量，输出为副变量主回路：串级控制系统中处于外环的回路副回路：串级控制系统中处于内环的回路一次干扰：作用于主对象上的干扰二次干扰：作用于副对象上的干扰,4-1概述,二串级控制系统的工作过程1干扰作用于副回路（二次干扰）：假设干扰来自燃料油压力,结论：副回路能迅速克服二次干扰，减小对主变量的影响。,4-1概述,2干扰作用于主回路（一次干扰）：假设原料油流量变化,由于控制通道环节多，控制作用不及时，串级控制系统克服一次干扰的过程慢于克服二次干扰的过程。,4-1概述,3干扰同时作用于主、副回路（一、二次干扰同时出现）干扰使主副变量同向变化：,流量控制器偏差,干扰使主副变量同向变化时，串级控制系统的调节作用更强烈！,4-1概述,3干扰同时作用于主、副回路（一、二次干扰同时出现）干扰使主副变量反向变化：,流量控制器偏差变化小,阀门开度变化小,两种干扰有相互抵消的作用（“以毒攻毒”）,4-2串级控制系统的特点,一时间常数（等效副对象的时间常数）,将副回路看成一个等效副对象，方框图简化为：,4-2串级控制系统的特点,假设：,等效副对象的传递函数为：,将各环节传递函数代入Wo2（S）有：,一般情况下：Km21所以有：Ko2e0取消积分，采用PD控制，并适当增大放大倍数当e(k)e0加入积分，采用PID控制，并适当减小放大倍数e0称积分分离门限值,曲线3：e0过小,曲线2：积分分离,t,10-1数字PID控制算法,变速积分PID控制算法：根据偏差大小改变积分系数积分项算法表达式（以位置式为例）：fe(k):是e(k)的函数，|e(k)|增大f减小，反之增大如：变速积分的特点：可消除积分饱和；大大减小超调量，提高系统的稳定性；,1|e(k)|B,0|e(k)|A+B,BZs所以有：结论：信号源内阻越小、放大器输入阻抗越大抗共模干扰的能力越强。,Ic,11-2干扰的形式及抑止方法,双端输入（差动输入）情况：Vs：信号源Zs1，Zs2：信号源内阻（包括导线）Zc1，Zc2：放大器两输入端对地阻抗总串模干扰电压：讨论：若zs1/zc1=zs2/zc2（阻抗匹配对称），理论上可消除共模干扰。放大器的输入阻抗要尽量高，且使Zc1=Zc2。信号源内阻和引线电阻要尽量小。,I1,I2,11-2干扰的形式及抑止方法,抑制共模干扰的方法：从共模干扰产生的原因入手采取隔离措施提高输入电路的输入阻抗1变压器隔离利用变压器将现场信号与控制室输入电路隔离开，避免产生地环流。注意：现场信号与控制室输入电路应采用两组独立电源。,11-2干扰的形式及抑止方法,2光电隔离：利用光电耦合器将现场与控制室间的信号传输隔离开。光电隔离法的特点：用光传送信号，切断了部件之间地的联系，防止产生“地环流”。发光二极管只有通过一定电流时才能发光，抑制干扰能力较强。采用光电耦合时，应保证被传信号的变化范围内光耦工作在线性区。光电隔离的前后两部分电路要采用两组独立电源供电。,11-2干扰的形式及抑止方法,3浮地屏蔽：提高共模输入阻抗，减小共模电压造成的共模电流。浮地：将输入电路浮置，使其与机壳或大地之间无直接的电联系。屏蔽：用金属壳体将电路封闭起来，避免外界电磁干扰。浮地输入单层屏蔽,屏蔽层,线路内浮置地,漏阻抗,11-2干扰的形式及抑止方法,浮地输入单层屏蔽原理图ZS1ZS2：为信号源内阻Zc1Zc2：为放大器输入阻抗Zf：为漏阻抗Vs为信号源，Vc为共模干扰电压Vc在ZS1，ZS2上产生的串模干扰信号为：ZS1ZS2ZC1ZC2Zf差动输入情况下可使ZC1=ZC2=ZC,11-2干扰的形式及抑止方法,三长线传输干扰及抑止方法长线传输：信号线的传输距离长；“长线”的长是相对的，它与所传输的信号频率有关；如：对毫微秒级的数字电路来说，1米左右的连线即为长线。长线传输存在的问题：易受外界干扰；信号延迟；存在波反射现象；抑止波反射方法：阻抗匹配法（传输线的波阻抗与终端或始端阻抗匹配）传输线的波阻抗：理论上，无损耗导线的波阻抗为：C0：单位长度的电容（F）L0：单位长度的电感（H）,11-2干扰的形式及抑止方法,传输线波阻抗的测量方法：终端阻抗匹配（终端阻抗等于传输线波阻抗）R=Rp终端阻抗变低，波形的高电平有所下降，低电平不受影响。Rp=R1*R2/（R1+R2）低电平有所抬高，降低了低电平的抗干扰能力，为兼顾高低电平可使：R1=R2始端阻抗匹配（传输线的始端传入电阻）R=Rp-Rsc（门A低电平时的输出阻抗）波形高电平不变。低电平有所提高。,11-2干扰的形式及抑止方法,四信号线的选择与敷设信号线的选择：选择信号线类型：精度要求高屏蔽线；仪器电源线普通导线导线的线径选择：考虑信号电流强度、导线电阻及机械强度。信号线的敷设：几条最基本的原则模拟信号与数字信号线不能合用一股电缆；信号线尽量远离干扰源，如变压器，电动机等，信号线单独配管。信号线与电源电缆必须分开，尽量避免平行敷设。如果信号线与电源线走同一个电缆沟要采取必要的措施。如：信号线与电源线之间最好采用隔板隔离开或两种线之间最小间距不能小于20cm,11-3接地技术,正确接地是抑制干扰和噪声的重要措施，系统设计中要重视接地技术。接地设计的目的：抑制干扰；保护计算机，电器设备和人身安全。一地线系统分析：地线的种类：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。模拟地：计算机控制系统中模拟电路的零电位点。数字地：计算机控制系统中数字电路的零电位点。安全地：为保护人身及设备安全设置的接地，即机壳与大地等电位。系统地：以上三种地线的最终回流点。交流地：交流供电电源电位零点。几种地线的处理方法：模拟地、数字地和安全地分别回流最终经系统地线接大地。系统地一定要避免与交流地一起接地。,11-3接地技术,二输入系统接地输入系统指从现场检测、变送仪表到控制室计算机输入通道部分。输入系统接地原则：一点接地根据信号源的情况决定在现场接地还是在控制室接地：接地信号源应在现场一端接地。浮地信号源应在控制室端接地。放大器的屏蔽罩应与电路的公共端相连！,11-3接地技术,三主机系统接地根据计算机系统的分布情况确定接地方法1全机一点接地：地理位置相对集中的计算机系统设备分别回流，一点接地。2多机系统接地：计算机网络中，计算机之间相互通信，要重视接地。近距离的计算机可采用一点接地；远距离应一机一地，通信线路采取隔离措施；,11-4供电技术,供电系统的一般结构：注意问题：交流稳压电源最好采用带隔离变压器的交流净化稳压电源。直流稳压电源可采用开关电源。电源异常保护：配备不间断电源,第十二章集散控制系统（DCS）,本章内容12-1概述12-2DCS的体系结构12-3DCS的控制站12-4DCS的操作员站12-5DCS的工程师站12-6DCS的应用设计,12-1概述,一DCS的产生1仪表分散控制系统（基地控制）控制的三要素（检测仪表、控制器、执行器）就地安装在生产装置上，结构上形成一种地理位置分散的控制系统。,12-1概述,2仪表集中控制系统随着单元组合仪表及组件组装仪表的出现，检测仪表和执行器分散安装与现场，控制器、指示器。记录仪等安装在中央控制室，实现了控制三要素的分离。,12-1概述,3计算机集中控制系统用计算机直接控制生产过程，弥补模拟仪表的不足，实现集中控制和集中管理。,12-1概述,4计算机集散控制系统随着大规模集成电路技术的发展和微处理器的出现，为解决计算机集中控制系统危险集中的缺点，出现了控制分散管理集中的集散控制系统。,12-1概述,DCS系统的结构原型,CS：控制站,OS：操作员站,ES：工程师站,SCS：监控计算机站,CG：计算机网关,CNET：控制网络,12-1概述,二DCS的发展历程DCS综合了4C技术：Computer、Communication、CRT、Control.第一代DCS：具有多处理器的集中分散控制系统。控制分散，监视、操作、管理集中。基本结构：由四部分组成过程控制单元(ProcessCortrolUnit)数据采集单元（DataAcquisitionUint）操作员站（OperatorStation)数据高速公路（DataHighWay),第一代DCS典型产品Honeywell：TDC2000Yokogawa:CENTRUMFoxboro:SPECTRUMBailey:NETWORK-90,12-1概述,第二代DCS：局域网技术应用于集散系统过程控制站（PCS）采用16位微处理器；可组成16或32个PID回路；可实现连续控制、顺序控制、和批量控制功能；操作员站（OS）工程师站（ES）监控计算机站（CSC）局域网（LAN）网间连接器（GW）通过GW可连接第一代DCS或PLC系统,第二代DCS典型产品Honeywell：TDC3000Yokogawa:CENTRUM-XLFoxboro:I/ASBailey:INFI-90Westinghouse:WDPF,12-1概述,第三代:将生产管理网络纳入到系统中过程控制站（PCS）分为两级：过程控制单元（PCU）：采用32位微处理器。输入输出单元（IOU）：IO板采用8/16位单片机，通过IOBUS与控制单元相连。操作员站（OS）：采用32位高档微处理机、彩色CRT等。工程师站（ES）：采用结构图方式组态并可仿真调试。监控计算机站（SCS）：32或64位小型计算机实现优化控制。开放式系统：向上可与管理网络相连，向下支持现场总线。典型产品：Honeywell：TPSYokogawa:CENTRUM-CSRosement：Delta-V,12-1概述,新一代DCS现场总线控制系统（FCS）用数字仪表代替模拟仪表FB：现场总线接口,12-1概述,三DCS的特点1分散性与集中性分散性：控制、地域、设备、功能、危险分散。集中性：集中监视、操作、管理。2自治性和协调性自治性：系统中的各台计算机可独立工作。协调性：各计算机通过网络互联、协调工作。3灵活性和扩展性灵活性：硬件积木式结构，可灵活配置成不同规模的系统。扩展性：软件模块式结构，可灵活组态构成各类控制系统。,12-1概述,4先进性和继承性先进性：综合了4C技术，随着4C技术上的发展而发展。继承性：新老DCS系统相互兼容。5可靠性和适应性可靠性：危险分散并采用冗余技术，可靠性得到提高。适应性：适应现代化大生产的控制和管理要求。6友好性与新颖性友好性：提供有友好的人机界面。新颖性：图文并茂、形象直观。,12-2DCS的体系结构,一DCS的层次结构直接控制层：DCS的基础，主要设备为PCS（过程控制站）。完成对生产过程的直接控制。操作监控层：DCS的中心，主要设备OS、ES、SCS、CG。对系统进行监视、操作、组态和优化。生产管理层：处于工厂级，主要设备是生产管理计算机。对全厂进行调度和管理，使其处于最佳状态。决策管理层：处于公司级，主要设备是决策管理计算机。管理公司的生产、计划、人事等所有部门。协助总经理制定生产计划和远景规划。,12-2DCS的体系结构,二DCS的硬件结构,5-2DCS的体系结构,二DCS的硬件结构采用积木式结构，可灵活的配置成不同规模的系统；控制网络上的节点数可根据生产要求和用户需要灵活配置；每个节点的硬件资源（内存、硬盘、外设）可灵活配置。1控制站（CS、PCS）的硬件结构组成：输入输出单元(IOU)、过程控制单元(PCU)、电源。输入输出单元：是PCS的基础。包括：输入输出处理板、信号调整板、端子板。过程控制单元：是PCS的核心和基本配置。包括：控制处理器板、输入输出接口处理器板、通信处理器板、冗余处理器板。,12-2DCS的体系结构,2操作员站（OS）的硬件结构采用32位或64位微处理机或小型机，一般为工业PC机；包括：主机、CRT显示器、操作员专用键盘、打印机。3工程师站（ES）的硬件结构采用32位或64位微处理机或小型机，一般为工业PC机；包括：主机、CRT显示器、键盘、打印机。4监控计算机站（SCS）的硬件结构采用32位或64位小型机或高档微型机；包括：主机、CRT显示器、键盘、打印机直接控制层和操作监控层的设备都有定型产品可供选择，生产管理层和决策管理层无定型产品，由用户自行配置。,12-2DCS的体系结构,三DCS的软件结构软件采用模块式结构；组态软件：通过调用功能模块构成所需控制回路；图形软件：通过调用绘图工具和标准图素绘制人机界面。,12-2DCS的体系结构,5-2DCS的体系结构,单容对象阶跃响应,单容对象阶跃响应曲线,工作流量特性,过程控制系统