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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 n B1 B2 衰减比衡量过渡过程的快慢程度和 稳定裕量 一般取n 4 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 Q10 Q20h h0进出物料平衡 液位保持不变 阀门R1开度突然增大 X 则Q1 Q10 Q1同时流出量Q2随着液位的升高逐渐增大Q2 Q20 Q2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T RCR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 C A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 5 20 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 t t0 即x t x1 t x1 t t0 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 Km k 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 o c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Tm m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 PA0 kL 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 l 0时 Q Qminl L时 Q QmaxQmin 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 S 0 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 e z r 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10 20 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 10 20 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 Td 0 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 Km2 1所以有 Ko2 Ko2To2 To2结论 控制通道总的时间常数变小 因此控制作用更及时 Ko2 有所减小 但可通过整定Kc1弥补 有利于提高系统的抗干扰能力 4 2串级控制系统的特点 二工作频率串级控制系统的特征方程为 副回路各环节仍采用上面的假定 主回路各环节假定如下 将各环节的传函代入特征方程 并整理成标准形式 即 串级系统的工作频率为 4 2串级控制系统的特点 为便于比较 求出对应的单回路系统的工作频率 系统的特征方程为 令Wc1 S Kc 仍采用纯比例控制 其他环节不变 用同样的方法可求得单回路系统的工作频率 为比较两系统的工作频率 将两系统整定成相同的衰减比 即 串 单显然 串级系统的工作频率高于单回路系统的工作频率 4 2串级控制系统的特点 三抗干扰能力在一个控制系统中 我们经常关注两个传递函数 干扰作用下的传递函数 给定值作用下的传递函数 控制系统的抗干扰能力可用二者的比值来评价 0 1 4 2串级控制系统的特点 方框图进行等效变换 虚线框内用等效环节代替 Wo2 S 给定值作用下的传递函数为 二次干扰作用下的传函为 两传递函数之比为 Wo2 S 4 2串级控制系统的特点 同等情况下的单回路控制系统 同理可求得两传递函数之比为 控制器仍采用纯比例 总结 串级控制系统改善了对象特性 副对象时间常数减小 系统的工作频率得到了提高 使控制系统抗干扰的能力得到了提高 4 2串级控制系统的特点 四对负荷变化有一定的自适应能力1工作点的变化 被控对象往往就有非线性特性 负荷变化导致对象特性发生变化 对于单回路系统 原工作点整定的参数不能保证系统为最佳状态 对于串级系统 等效副对象的特性参数变化较小 适应能力比单回路强 2对负荷变化的适应性 串级控制系统的副回路是一个随动系统 可以根据负荷的变化或操作条件的变化调整副回路的设定值 以满足负荷或操作条件的要求 综上所述 串级控制系统具有较好性能的原因可归纳为 由于副回路的存在改善了对象特性 时间常数减小 提高了系统的工作频率 克服二次干扰的能力强 对负荷变化或操作条件变化有一定的适应能力 4 3串级控制系统的应用范围 一用于克服对象的纯滞后 工艺特点及要求 通过改变减温水流量控制二段过热器A点的温度 主要扰动 减温水压力 控制方案 温度 温度串级控制系统 T1T T1C T2T T2C 4 3串级控制系统的应用范围 二用于克服对象的容量滞后 T2T T2C T1T T1C 工艺要求 原料油出口温度恒定 主要干扰 燃油热值变化 控制方案 出口温度 炉膛温度串级控制系统 4 3串级控制系统的应用范围 三用于克服变化剧烈和幅值大的干扰利用串级控制系统副回路克服干扰能力强的特点 将变化剧烈和幅值大的干扰包括在副回路中 把副控制器的放大倍数整定大一些 进一步提高克服干扰的能力 四用于克服对象的非线性负荷变化引起工作点的变化 导致对象特性发生变化 负荷变化较大时就要考虑非线性的影响 为此可通过选择副变量 使具有较大非线性的部分包括在副回路中 五用于自校正设定值串级控制系统的副回路是一个随动系统 即副控制器的给定值是随着主变量的要求而变化的 当某一被控量的设定值需要随着另一个被控量变化而变时 可采用串级控制系统 工艺操作条件为主变量 需跟踪的量为副变量 4 4串级控制系统的设计 一主回路的选择 确定主变量选择原则 1尽量选用直接指标 2选择与主变量有单值对应关系的变量 3主变量要有足够的变化灵敏度 4考虑工艺过程的合理性与可能性 二副回路的选择 确定副变量选择原则 1主 副变量要有对应关系 调整副变量可改变主变量 2副回路应包括主要的干扰和更多的干扰 3主 副对象的时间常数要匹配 To1 To2 3 10 4要考虑工艺的合理性与可能性 5要注意生产的经济性 不同方案的性价比 4 4串级控制系统的设计 三主副控制器选择 一 控制规律选择1对主变量控制品质要求高 副变量为主变量服务 2对主 副变量控制质量要求都比较高 3对主变量要求不高 副变量要求快速准确跟踪主变量 4对主副变量要求都不高 但两变量要相互兼顾 主控制器 PI或PID 副控制器 P或PI 主控制器 PI 副控制器 PI 主控制器 P 副控制器 PI 主控制器 P或PI 副控制器 P 4 4串级控制系统的设计 二 控制器正反作用方式选择原则 保证系统是负反馈系统 方法 首先确定执行器的气开 气关形式 副回路 副控制器 副对象 执行器 主回路 主控制器 副对象 主对象 实例 4 4串级控制系统的设计 四串级控制系统的实施控制系统的实施就是控制系统的具体 仪表 构成方案 基本要求 1应满足指定的操作要求 手动 主 副环单独运行 2系统要力求简单 可靠 3维修要方便 4要采取防止积分饱和的措施 4 5串级控制系统的运行 一串级控制系统的投运1投运前的准备工作 电气线路检查 仪表与变送器的检查 校验 控制器检查 功能 正反作用方式 阀门检查 行程 气开气关形式等 2投运方法原则 先手动遥控 达到稳定转为自动 切换过程中要实现无扰动切换 一步投运法 副回路直接闭环 只投运主回路 两步投运法 先投副环 后投主环 投运时注意问题 设定好控制器的正反作用方式 给定值所处的状态 切换过程一定要保证无扰动 4 5串级控制系统的运行 二串级控制系统的参数整定1逐步逼近法 先副环后主环 逐步逼近 主环断开 把副环看成一个单回路系统 按单回路控制系统整定参数的方法 求取副控制器的整定参数 WC2 1 副控制器置于 WC2 1上 主环闭合 副环看作为主环的一个环节 同样按单回路系统整定参数的方法整定出主控制器参数 WC1 1 系统串级运行 主控制器参数置于 WC1 1 再次求取副控制器参数 WC2 2至此完成一个循环 若满足要求 则整定完毕 若不满足要求 需继续整定 将副控制器参数置于 WC2 2 继续求取主控制器参数 WC1 2 如此反复循环直到控制质量满足要求 4 5串级控制系统的运行 2两步整定法 先整定副控制器参数 后整定主控制器参数 整定步骤 系统串级运行 主 副控制器均为纯比例作用 主控制器比例度固定在100 逐渐减小副控制器比例度 求取副回路满足一定衰减比下的比例度 2s和衰减振荡周期T2s 副控制器比例度置于 2s的条件下 逐渐减小主控制器比例度 按照同样的衰减比 求出主控制器的比例度 1s和衰减振荡周期T1s 根据已求得的 1sT1s 2sT2s值 结合控制器控制规律的选型 按照单回路衰减曲线法整定参数的经验公式计算出主副控制器的整定参数 按照先副后主 先P次I后D的顺序 将计算出的控制器参数置于控制器上 做一些扰动实验 观察曲线 适当调整 直至过渡过程最佳 4 5串级控制系统的运行 3一步整定法 确定副控制器参数 只整定主控制器参数 依据 主 副控制器的放大倍数在一定范围内可相互匹配 整定步骤 根据经验确定副控制器比例度 并置于副控制器 投入串级运行 按单回路整定参数的方法整定主控制器 根据匹配原理适当调整控制器参数 直到主变量控制质量满意为止 整定过程中若出现 共振 现象 加大主副控制器任一比例度即可 第五章比值控制系统 本章内容 5 1基本概念及结构方案 5 2比值控制系统的设计与实施 5 3比值控制系统的参数整定 5 1基本概念及结构方案 一基本概念比值控制系统 把两种或两种以上的物料量保持一定比例关系的系统 主动量 需要保持一定比例关系的物料中起主导作用的物料 G1或Q1 从动量 跟随主动量变化的物料称为从动量 G2或Q2 比值控制系统是一种随动控制系统 二结构方案 一 开环比值控制系统1原理图与方框图 5 1基本概念及结构方案 2工作原理 稳定状态下 调整控制器使Q2 KQ1 Q1发生变化 控制器按Q1对给定值的偏差进行工作 经比例调节器带动执行器动作 从而改变Q2 保持比例关系 Q2发生变化 Q1不能随着变化 不能保证比值关系 3特点 结构简单 但很难满足精确的比值关系 工程上实际很少使用 5 1基本概念及结构方案 二 单闭环比值控制系统1系统结构 2工作原理稳定状态下 调整比值器使主副流量满足工艺要求的比值Q2 KQ1 主动量变化 经主动量检测变送器和比值器 改变从动量回路的给定值 从动量变化 从动量回路相当于定值控制系统 能克服回路自身干扰 3特点 从动量能跟随主动量变化 且能克服自身干扰 不能保证动态比值 尤其是主动量幅值 频率波动较大的情况 物料总量 Q2 Q1 不能调整 5 1基本概念及结构方案 三 双闭环比值控制系统 特点 主动量控制回路为定值控制系统 从动量回路为随动控制系统 能克服主流量回路的干扰 使流量平稳 总负荷平稳 系统升降负荷方便 注意问题 可采用两个独立的单回路系统保证主副流量的稳态比值 为防止两回路产生共振 主动量回路应整定成单调衰减过程 5 1基本概念及结构方案 四 变比值控制系统很多情况下比值不是最终目的 而是保证产品产量 质量的手段 因此 比值系数应根据质量要求进行修正 于是出现了按照一定工艺指标自动修正比值系数的变比值控制系统 串级比值控制系统 5 2比值控制系统的设计和实施 一比值系数折算1测量信号与流量成线性关系设工艺流量Q为 0 Qmax仪表输出信号I为 4 20mA任一电流对应的流量为 主动量 从动量 工艺流量比 仪表的比值系数为 5 2比值控制系统的设计和实施 2测量信号与流量成非线性关系 以差压法测流量为例 差压法测流量的流量方程为 当流量Q 0 Qmax差压 P 0 Pmax电流I 4 20mA任一电流对应的为流量 流量比 仪表比值系数为 5 2比值控制系统的设计和实施 二比值控制的实施方案1相乘方案 即比值系数 从动量给定值为 因此必须满足 即 采用相乘方案时两个测量仪表的量程应满足上述关系式 5 2比值控制系统的设计和实施 2相除方案即特点 比值直观 设定方便 注意问题 因除法器的最大输出为1 比值系数不能在1附近 除法器为一个非线性环节 影响系统的稳定性 5 2比值控制系统的设计和实施 三非线性环节对比值控制系统品质的影响1测量仪表 孔板 非线性对系统的影响差压变送器的输出电流 静态放大倍数为 讨论 采用差压法测流量时 静态放大系数随流量的负荷变化而变化 负荷 稳态工作点 升高 放大系数增大 系统稳定性下降 反之 系统稳定性提高 解决方法 负荷变化较大时 流量测量要用线性检测仪表 5 2比值控制系统的设计和实施 2采用除法器对系统动态品质的影响 采用线性检测单元 仪表信号比广义对象的放大系数为 讨论 采用线性阀 广义对象的放大系数随Q1的变化而变化 采用对数阀 广义对象的放大系数不随负荷变化 但调整K值 将改变广义对象放大系数 阀门特性 5 2比值控制系统的设计和实施 采用非线性检测单元 差压测量不开方 讨论 采用线性阀 广义对象的放大系数随Q2变化 采用对数阀 不受负荷影响 K值变化 就会改变放大系数 影响系统的稳定性 结论 比值控制系统中的非线性环节 影响系统的稳定性 工艺比值不变的情况下 可用阀门特性加以改善 最好采用乘法方案 因乘法器不包括在闭环系统中 5 2比值控制系统的设计和实施 四主副流量的动态比值问题以单闭环比值控制系统为例分析主动量与从动量的关系为使Q2快速跟踪Q1 加入动态补偿环节WZ S 则 5 2比值控制系统的设计和实施 若使为此可求得补偿器的传递函数 应用中通常采用实际微分环节 则可保证从动量与主动量严格同步 5 2比值控制系统的设计和实施 五主动量与从动量的选择构成比值控制系统具体方案时要考虑两个量的关系 从而决定哪一个量作为主动量 归纳如下 1如果Q1不可控或不必控 可构成单闭环比值控制系统 且Q1为主动量 Q2为从动量 2Q1和Q2都需要控制 应采用双闭环比值控制系统 这种情况下要分析供应量 确定主动量和从动量 假如Q1可能供应不足 而Q2供应不成问题 Q1应为主动量 Q1和Q2都可能供应不足 要从安全角度或保证产品质量角度考虑 必需保证哪一个量更有利 则该量为主动量 5 3比值控制系统的参数整定 整定方法 与单回路或串级系统整定方法相同 注意问题 从动量回路作为随动系统可整定为单调衰减过程 整定步骤 1计算仪表比值系数并进行设置 2积分时间至于最大 由大到小改变比例度 直到出现单调衰减与衰减振荡的临界状态 1 3如果有积分 适当放宽比例度的情况下 缓慢减小积分时间 直到出现 1的状态 第六章前馈控制系统 本章内容 6 1前馈控制的基本原理 6 2前馈控制系统的结构形式 6 3前馈控制系统的设计 6 4前馈控制系统的应用及参数整定 6 1前馈控制的基本原理 6 1前馈控制的基本原理 前馈控制系统与反馈控制系统的比较产生控制作用的依据不同 反馈控制系统 偏差前馈控制系统 干扰控制效果不同 反馈控制系统 控制作用不及时前馈控制系统 控制作用及时控制系统的结构不同 反馈控制系统 闭环系统 需考虑稳定性问题 前馈控制系统 开环系统 不存在稳定性问题 实现的经济性与可能性不同 反馈控制系统 一个回路可包括所有干扰前馈控制系统 一个干扰一个控制系统 6 2前馈控制系统的结构形式 一静态前馈 只考虑稳态补偿的前馈控制系统 由前馈控制器的传递函数可知 前馈控制器的输出当只考虑稳态补偿时 控制器的传递函数为 静态前馈可根据物料或能量的静态平衡方程确定控制方案二动态前馈 考虑动态过程全补偿前馈控制器的传递函数 动态前馈可在静态前馈的基础上加入动态补偿环节 6 2前馈控制系统的结构形式 三前馈 反馈 反馈控制系统的基础上针对主要干扰实施前馈 前馈 反馈控制系统的优点 1只需针对主要干扰实施前馈 因此 系统结构可以简化 2降低了对前馈控制器模型精度的要求 3解决了稳定性与控制精度之间的矛盾 6 2前馈控制系统的结构形式 四前馈 串级控制系统 6 3前馈控制系统的设计 一采用前馈控制的条件1系统存在幅值大 频率高的干扰 且干扰可测不可控 2控制通道滞后大 或干扰通道时间常数小 采用单回路难以满足要求 二前馈补偿装置的控制算法及实现设控制通道的特性为 干扰通道的特性为 前馈控制器 6 3前馈控制系统的设计 三前馈控制系统设计中的几个问题1流量副回路的引入 前馈 反馈 阀的工作特性好 阀前后压差基本恒定前馈 串级 阀工作特性不好 且阀两端压力经常波动2开方器的引入 尽量采用线性检测元件 若用差压法 加开方器 3偏置值的设置 正常情况下应使前馈控制作用的输出为零 即 u ud uc ub4前馈输出要限幅 前馈输出很大时 应对前馈输出的最大值进行限幅 5前馈输入量噪声的消除 流量或其他波动 会使前馈输出不稳定 应采用滤波装置 6 4前馈控制系统的应用及参数整定 本小节为自学内容要求 1理解前馈控制的原理 2如何正确引入前馈 3理解前馈 反馈系统与 串级串级系统的区别 4前馈控制系统与串级控制系统的区别 5总结出前馈控制器的参数整定方法和步骤 第七章其他控制系统 本章内容 7 1均匀控制系统 7 2选择性控制系统 7 3分程控制系统 7 1均匀控制系统 一均匀控制的目的和要求例 精馏生产过程解决矛盾的方法 增加中间缓冲储罐 两个参数相互兼顾 精馏塔塔低液位与进料流量控制 7 1均匀控制系统 均匀控制系统 两个工艺参数在规定范围内缓慢地 均匀地变化 使前后设备在物料供求上相互兼顾 均匀协调的系统 注意 均匀并不代表平均 应根据参数的重要性决定主次 二均匀控制系统的结构方案1简单均匀 单回路均匀 用单回路系统实现均匀控制的目的从控制器的控制规律和参数整定入手 比例为主 可适当加入积分 不能加入微分 比例度应适当大 若有积分 积分时间要长 特点 结构简单 适合于干扰小 对流量的均匀程度要求低的场合 下一设备压力波动 影响进料和前一设备的液位 7 1均匀控制系统 2串级均匀采用串级控制系统的结构 实现均匀控制的目的 手段