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过程控制系统 第一章绪论23456第二章被控过程的数学模型23第三章单回路控制系统设计2345第四章串级控制系统2345第五章前馈及复合控制系统2第六章时间滞后控制系统23第七章其它过程控制系统234第八章过程控制中的计算机应用234 1 1 1课程的性质和教学安排 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 另有电力拖动控制方向 1 过程控制的概念 2 过程控制是自动化专业的主要内容之一 第一章绪论 1 21 31 41 51 6 2 3 教学安排 4 主要参考书 1 过程控制工程 冯品如 轻工业出版社 2 过程控制与自动化仪表 侯志林 机械工业出版社 3 微型计算机控制技术 于海生 清华大学出版社 1 学时 实验情况 2 内容安排 2 从实际应用看 1 从专业特点看 返回 3 生产过程自动化是保持生产稳定 降低消耗 减少成本 改善劳动条件 保证安全和提高劳动生产率重要手段 一直起着极其重要的作用 其发展经历了以下几个方面 1 初期阶段 30 40年代 2 简单仪表化阶段 40 60年代 3 综合自动化阶段 60 70年代中期 4 全盘自动化 及智能化 阶段 70年代中期自今 1 2过程控制的发展概况 4 1 3过程控制的特点及计算机的作用 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 1 被空对象的多样性2 对象特性的难辨性白色系统 黑色系统 灰色系统的概念3 普遍存在滞后4 特性往往具有非线性 如间歇式加温 齿轮运动等 5 5 计算机在过程控制中的地位和作用 计算机的应用不仅促进了现代控制理论的发展 而且也推动了自动化向深度与广度进军 使生产自动化提高到更高的水平 甚至在向智能化的方向大步迈进 微型计算机控制生产过程 按不同的控制目的 可分为两类 一是数据检测处理 二是形成微机控制系统 微机控制在提高产品质量 保证安全运行 减少原料和能量消耗 控制和减少环境污染 提高企业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用 6 1 1典型单回路控制系统 一 系统组成 1 4过程控制的组成及术语 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 7 2 系统方块图 8 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 仪表课中已做介绍 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 前已述及 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 二 常用术语 9 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 其为被控参数 如温度 压力 流量 液位 成分等 10 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 1 5过程控制系统的分类 11 2020 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 P PI PID 位式 开环 闭环 12 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 13 1 递减比 见图 一般认为 n 1 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 2 衰减率 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 1 6控制系统的质量指标 见图 14 2020 3 动态偏差 亦即超调量 为被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差值 其它课程已做介绍 不再详述 4 调节时间 静态偏差 即余差 见以下两图中的C 15 返回 16 1 数学模型的有关概念 2 1概述 数学模型 指过程在各输入量的作用下 其相应输出量变化的函数关系数学表达式 干扰 内干扰 调节器的输出量u t 外干扰 其余非控制的输入量 通道 输入量与输出量间的信号联系 17 2020 扰动通道 扰动作用与被控量间的信号联系 2 研究并建立数学模型的目的 1 设计过程控制系统 整定调节器参数 2 指导生产工艺设备的设计 3 进行仿真实验研究 4 培训运行操作人员 3 单输入 单输出过程的常见模型 1 线性时间连续模型 2 线性时间离散模型 4 有 无平衡能力的概念 参见图12 控制通道 控制作用与被控量间的信号联系 18 一 自衡过程的数学模型 自衡的定义 对象受到干扰作用后 平衡状态被破坏 无须外加任何控制作用 依靠对象本身自动平衡的倾向 逐渐地达到新的平衡状态的性质 称为平衡能力 一 单容过程的数学模型 1 单容过程的定义 只有一个储蓄容量的过程 如下页图所示 2 2机理分析法建模 19 2020 过程演示 2 1 返回 20 讨论 1 静态时 q1 q2 dh dt 0 2 当q1变化时 h变化 q2变化 经线性化处理 有 其中 R2为阀门2的阻力 称为液阻或流阻 2 参量关系分析 21 3 建立数学模型 由式 可画出框图如图所示 即AsR2H s H s R2Q1 s 故 式中 TO AR2 R2C C为容量系数 或容量 由式 2 6 和式 2 7 有 22 2020 2 2 1 容量C含义 生产设备和传输管路都具有一定的储蓄物质或能量的能力 被控对象储存能力的大小 称为容量或容量系数 其意义是 引起单位被控量变化时 被控过程储存量变化量 4 容量和阻力的概念 返回 23 1 纯滞后的概念纯滞后是普遍存在的 如下页图所示 种类 有电容 热容 气容 液容等等 2 阻力概念 凡是物质或能量的转移 都要克服阻力 阻力的大小决定于不同的势头和流率 种类 电阻 热阻 气阻 流 液 阻 2 数学模型 二 具有纯滞后单容过程的数学模型 24 无纯滞后 有纯滞后 25 三 多容过程的数学模型 1 多容过程是工业生产中常见的 如下两图 26 2 5 27 2 三容过程的微分方程模型 如式 2 10 28 3 三容过程的方框图 由式 2 10 的拉氏变换 可得图2 6 4 三容过程的数学模型由图2 6 应用自控理论即可获得其模型 29 二 无自衡过程的数学模型 无自衡过程的概念 如下图 30 一 单容过程的数学模型 1 参量关系分析在自衡过程 图2 7 下 有 图2 8 返回 31 而在无自衡过程 图2 8 下 因q2 0 故 2 传递函数 二容 三容过程形式 如图2 9 图2 10所示 二 多容过程的数学模型 32 2020 33 2 10 34 对正常生产影响小 转换成阶跃响应的方法如下图 一 响应曲线法 问题的提出 大多数工业过程的机理模型是很难建立的 只有采用实验建模 是一种时域法辨识对象的动态特的方法 一 阶跃扰动法测定对象的响应曲线 实验时往往会对正常生产造成影响 二 矩形脉冲法测定对象的响应曲线 2 3试验法建模 过程辨识 35 2020 2 11 36 将矩形脉冲看成正负两个等幅的阶跃信号 据此而得到输出的阶跃响应 即 转换的思路是 x t x1 t x2 t 见图2 11上 x1 t x1 t a 2 20 则y t y t y t a 或y t y t y t a 2 21 用式 2 21 进行转换的过程如图2 11中部 有自衡过程 和下部 无自衡过程 37 三 由阶跃响应曲线确定过程的传递函数 多数过程的数学模型表达式如P19所示 1 确定一阶惯性环节的参数 1 放大系数 2 时间常数a 切线法 如右图 b 图解法 半对数法 P20 21及下图 38 通过P20 21的分析 得斜率为 39 2 确定有时滞的一阶惯性环节的参数 图2 14 2 图解法 如下图2 14b 1 切线法 如下图2 14a 0和T0的经验公式为式 2 36 详见涂植英教材 40 2 15 3 二阶惯性环节的参数 响应曲线如图2 15所示 1 形式 假设K 1 则其单位阶跃响应特性方程为 2 求解 由拐点处 41 得 由图可见 拐点A处的斜率为 BC T2 T1 A E f T2 T1 由图还有 整理后可得有关计算表格 P23表2 2 42 第三章单回路3 23 33 43 5控制系统设计 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 3 1概述 43 2020 液位变送器 液位控制器 执行器 44 2 系统方框图 45 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 二 过程控制系统设计的要求 1 安全性2 稳定性3 经济性 三 过程控制系统的设计步骤 1 建立被控过程的数学模型2 选择控制方案3 选择控制设备型号规格4 实验 与仿真 46 2020 四 控制系统的工程考虑 包括仪表 微机 选型 控制室和仪表盘设计 供水供电供气设计 信号系统设计 安全防暴设计等 2 对象信息的获取和变送 3 执行器的选择 4 控制器的选择 3 工程安装 4 仪表调试 5 参数整定 2 工程设计 1 方案设计 是整个控制工程设计中最重要的一步 应注意 1 合理选择被控量 被控参数 和操纵量 控制参数 47 是控制系统方案设计的一个至关重要的问题 恰当的选择对于稳定生产 提高产品产量和质量 改善劳动条件有很大的作用 若选择不当 则不论组成什么样的控制系统 选择多么先进的过程检测控制仪表 都不能达到良好的控制效果 一 被控参数 即被控量 的选择 1 选择的意义 3 2被控参数和控制参数的选择 48 2020 影响正常操作的因素很多 但并非都需加以控制 只有根据工艺要求 深入分析工艺过程 才能选择出合适 可测的工艺参数 2 选择方法 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 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 49 2020 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能力要强 动态响应应比扰动通道快 50 图3 3 一 过程静态参数对控制质量的影响 1 基本形式 如图3 3所示 选择控制参数的一般原则如下 1 系统的简化方框图 51 2 突出干扰作用 框图如下图所示 52 2 传递函数 则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为 设传递函数分别为 53 3 稳态余差 由于系统本质是稳定的 则在单位阶跃扰动下的余差为 过程稳态特性对控制质量有很大影响 这是选择操纵参数的一个重要依据 应使Kf越小越好 以减弱扰动对控制参数的影响 4 讨论 54 1 时间常数的影响由P145 6的分析及右图可知 系统的超调量随Tf的增大而减少 控制质量得到提高 最佳控制过程中 KcK0应为一常数 K0大小可通过Kc来调节 在控制系统设计时 控制通道的K0拟适当选大一些 二 干扰通道动态特性对控制质量的影响 55 2 滞后时间的影响 Tf变大或个数增多 均对干扰起到了一种滤波作用 干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反应在时间上平移了一段时间 理论上无影响 干扰通道的容量滞后会使干扰信号变得缓和一些 对克服干扰有利 3 干扰作用位置的影响 1 分析 如以下两图 56 57 三 控制通道动态特性对控制质量的影响 在系统设计时 应使扰动作用点位置远离被控量 1 T太大 特点 使控制作用变弱 控制质量变坏 措施 合理选择执行器位置 采用前馈或复杂控制 2 结论 1 时间常数的影响 2 T过小 特点 控制作用增强 但系统容易振荡 措施 选择快速监测 控制 执行器件 设法降低控制通道的灵敏度 改革工艺以使T增大 58 1 纯滞后 0的影响较大 如图所示 应从工艺着手改善 2 容量滞后 c比较缓和 引入微分作用可有效克服 四 选择控制参数的一般原则 2 滞后时间的影响 1 控制通道的放大系数K0要适当选大一些 时间常数T0要适当小一些 纯滞后时间 0越小越好 0与T0之比应小于1 2 扰动通道的放大系数Kf应尽可能小 时间常数Tf要大 扰动引入系统的位置要远离控制过程 即靠近调节阀 容量滞后愈大 愈有利于控制 3 注意工艺操作的合理性 经济性 59 五 实例讨论 例1 喷雾式乳粉干燥设备的控制 P171 1 工艺流程 参见教材P172图3 28 2 控制要求 干燥后的产品含水量波动要小 3 被控参数选择 干燥器里的温度4 控制参数的选择 三种方案如图所示 60 61 讨论后知 以风量作控制参数为最佳选择 62 例2 储槽液位控制 P173 63 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 0 概述 1 作用 2 组成 3 3执行器选择 64 2020 3 类型 65 由两部分组成 如右图所示 一 气动薄膜控制阀的工作原理 66 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 67 2 流量方程 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 3 调节原理 68 二 控制阀的流量特性 1 概念 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 69 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 控制阀的相对流量预相对开度成直线关系 即 2 特性方程 70 2 其他流量特性 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 71 二 工作流量特性 1 阀上的差压 如图3 10所示 1 串联管道中的特性 72 2 流量特性 1 并联的目的 冗余措施 增大产量 流量 2 可调比 在下图中 设Q1 调节阀流量 Q2 旁路阀流量 Q 总管流量 2 并联管道的流量特性 73 可控比 并联管道的工作流量图 74 3 流量特性 选择原则是广义对象具有线性特性 即总放大系数为常数 选择方法可分为理论计算法和经验法两大类 由对象特性 选工作特性 推理想特性 查厂家手册 75 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 执行机构与阀体部件的配用有表可查 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 76 3 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 与自控理论的分析一致 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 77 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 78 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 79 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 80 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 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 0 概述 3 5控制器的参数整定 81 2020 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 对于单元组合仪表 比例度的概念 对于比例作用大小 工业控制器常用 表示 其义为 82 一 现场经验凑试法 1 常用的参数经验范围 如表3 1所示 83 2 整定步骤 1 在纯比例作用下 TI TD 0 在比例度 按表3 1的取值下 将系统投入运行 若曲线振荡频繁 则加大比例度 若超调量大 且趋于非周期 则减少 求得满意的4 1过渡过程曲线 2 引入积分作用 此时应将上述 加大1 2倍 将积分时间TI由大到小进行整定 若曲线波动较大 则应增大TI 若曲线偏离给定值后长时间回不来 则需减少TI 以求得较好的过渡过程曲线 84 3 若需引入微分作用 1 特点 是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法 2 整定步骤 1 在纯比例作用下投入 TI TD 0 比例度 适当 平稳操作一段时间 把系统投入自动运行 将TD按经验值或按TD 1 3 1 4 TI设置 并由小到大加入 若曲线超调量大而衰减慢 则需增大TD 若曲线振荡厉害 则应减小TD 观察曲线 再适当调节 和TI 反复调试直到获得满意的过渡过程曲线 二 稳定边界法 临界比例度法 85 图3 12 得到图3 12所示等幅振荡过程记下临界比例度 K和临界振荡周期TK值 2 将 逐渐减小 3 根据 K和TK值 采用表3 2中的经验公式 计算 TI TD的值 86 用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度 K 20 临界振荡周期TK 1min 当控制器分别采用比例作用 比例积分作用 比例积分微分作用时 求其最佳整定参数值 例3 1 4 按 先P后I最后D 的操作程序 将控制器整定参数调整到计算值上 观察其运行曲线 若不够满意 再做进一步调整 87 解 应用表3 2经验公式 可得 1 比例控制器 2 K 2 20 40 2 比例积分控制器 2 2 K 2 2 20 44 TI TK 1 2 1 1 2 0 83min 3 比例积分微分控制器 1 6 K 1 6 20 32 TI 0 5TK 0 5 1 0 5minTD 0 25TI 0 25 0 5 0 125min 应用临界比例度法的几点注意事项见P155 88 三 阻尼振荡法 衰减曲线法 1 实现4 1衰减比 先把参数置成纯比例作用 TI TD 0 使系统投入运行 再把 从大逐渐调小 直到出现右图所示的4 1衰减过程曲线 此时的4 1衰减比例度为 S 4 1衰减振荡周期为TS 运行效果如下图 1 特点 是在总结稳定边界法的基础上 经过反复实验提出来的 2 整定步骤 对于要求系统过渡过程达到4 1衰减的步骤如下 返回 89 90 3 进一步调整 按 先P后I最后D 的操作程序 将求得的参数设置在控制器上 2 计算参数 再观察运行曲线 若不太理想 可做适当调整 根据 S和TS 使用表3 8计算出控制器的各个整定参数值 91 某温度控制系统 采用4 1衰减曲线法整定控制器参数 得 S 20 TS 10分 当控制器分别为比例作用 比例积分作用 比例积分微分作用时 试求其整定参数值 例3 2 解应用表3 8中的经验公式 可得 1 比例控制器 S 20 2 比例积分控制器 1 2 S 1 2 20 24 TI 0 5TS 0 5 10 5min 3 比例积分微分控制器 0 8 S 0 8 20 16 TI 0 3TS 0 3 10 3minTD 0 1TS 0 1 10 1min 92 四 响应曲线法 动态特性参数法 2 整定步骤 1 用P17 18 实验法建模 中所介绍的方法获取对象的响应曲线 如下图所示 1 特点 依据对象的响应曲线 飞升特性整定参数 精度更高 93 2 求取广义对象的放大系数Ko 式中 y 被控参数测量值的变化量 X 控制器输出的变化量 ymax ymin 测量仪表的刻度范围 Xmax Xmin 控制器输出变化范围 3 根据对象的K0 T0 0 按下表3 4所给公式求出4 1衰减过程控制器的参数 TI和TD 94 在某一蒸汽加热器的控制系统中 当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时 温度记录仪的指针从85 升到87 8 从原来的稳定状态达到新的稳定状态 仪表的刻度为50 100 并测出 O 1 2min TO 2 5min 如采用PI和PID控制规律 试确定出整定参数 例3 3 95 本例中 X 7 6 1mAXmax Xmin 10 0 10mA y 87 8 85 0 2 8 ymax ymin 100 50 50 所以 解 96 因此 在PI控制器时 1 1 27 30 TI 3 3 1 2 4min 在PID控制器时 0 85 27 23 TI 2 1 2 2 4minTD 0 5 1 2 0 6min解毕 97 1 试说明单回路控制系统的构成 主要特点及其应用场合 并说明系统设计的主要内容 2 过程控制系统方案设计应包含哪些主要内容 3 选择被控参数时应遵循哪些基本原则 4 在选择控制参数时 为什么取过程控制通道的静态放大系数K0应适当大一些 而时间常数T0应适当小一些 5 在设计过程控制系统时 怎样选择调节器的控制规律 怎样确定调节器的正 反作用方式和调节阀气开 气关形式 思考题 98 2020 第四章串级控制系统 4 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元 或控制器 或执行器 能完成一些复杂或特殊的任务 串级控制系统 对改善控制品质有独到之处 故而在过程控制系统中应用很广泛 4 24 34 44 5 99 2020 一 串级控制系统的组成 以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例 1 采用直接控制方案 如图4 1所示 优点 所有对温度的干扰都包括在控制回路之中 缺点 对燃油流量变化等干扰控制不及时 总滞后较大 2 采用间接控制方案 如图4 2所示 优点 能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰 缺点 燃料油控制只起辅助作用 放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量和温度 炉膛压力变化等方面的干扰 1 问题的提出 100 2020 1 结构图 将图4 1 图4 2方案综合起来 即得串级控制系统如图4 4所示 2 系统组成 加热 流量测量 温度测量 101 2 方框图 如图4 3所示 3 特征 两台控制器串联在一起 控制一个调节阀 102 2020 4 另一实例 103 5 常见名词术语 主 副变量 主 副控制器 主 副对象 主 副变送器 主 副回路等 如图4 5 104 二 二次干扰 作用在主 副对象上的干扰分别为一 二次干扰 图4 5为串级控制系统的通用方框图 三 串级控制系统的工作过程 仍以管式加热炉出口温度控制为例 分析克服干扰的过程 1 干扰来自燃料油流量 初始阶段 出口温度不变 温度控制器的输出不变 出口温度变化时 温度控制器不断改变着流量控制器的设定值 105 2 干扰来自原料油 1 使主 副变量同向变化 2 使主 副变量反向变化 分析可知 副控制器具有 粗调 作用 主控制器具有 细调 作用 两者配合 控制质量必高于单回路控制系统 出口温度温度控制器输出流量控制器设定值 3 一 二次干扰同时出现 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化 106 4 2串级控制系统的特点 一 时间常数 串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小 放大系数增大 从而显著提高控制质量 将整个副回路看成一个副对象 则简化图如图4 5所示 或下张两图 由P181分析 可得式 4 3 T 02 T02意味着控制通道的缩短 107 108 由于等效副回路时间常数的缩短 系统的工作频率提高了 可使振荡周期缩短 通过对串级和单回路控制系统特征方程的分析 P181 2 可知 串 单 二 工作频率 三 抗干扰能力 设干扰从阀前进入 进一步等效 图4 6 分析可得式 K1 K2越大 抗干扰能力越强 进一步分析可知单回路比串级抗干扰能力差 109 四 有一定的自适应能力 单回路控制系统只有一个控制器 设定值一般不变 难以适应负荷非线性的变化 串级控制系统中 副回路是一个随动系统 设定值随主控制器的输出而变化 适应负荷变化的能力较强 由式 5 22 P172 可知 K02变化对等效K 02影响很小 亦可说明副回路能自动地克服对象非线性特性的影响 110 4 3串级控制系统的工业应用 当被控对象纯滞后时间较长时 在离控制阀较近 纯滞后时间较小的地方选择一个副变量 把干扰拉入副回路 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的 一次干扰不直接影响副变量 例如下图所示 坚持一个设计原则 凡是用单回路控制系统能满足控制要求的 就不再用串级控制系统 一 用于克服对象的纯滞后 111 副变量 过热蒸汽温度 位于滞后较小的B点 被控参数 A点温度 控制参数 减温水流量 主要干扰 减温水压力波动 112 二 用于克服对象的容量滞后 容量滞后会使被控对象反应迟钝 超调大 过渡过程长 以温度或质量作为被控量的控制对象 其容量滞后往往比较大 致使控制质量变差 对象容量滞后大 干扰复杂的情况下 串级控制系统的使用最为普遍 效果较好 此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路 副环的时间常数不能过大 以防共振 也不能过小 力求多包含一些干扰 例如下张图 113 燃料油热值变化后 炉膛反应滞后3分钟 而出口温度则需15分钟 114 三 用于克服变化剧烈和幅值大的干扰 串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力 设计时应把变化剧烈 幅值大的干扰包含在副回路中 副回路放大系数应大些 会使抗干扰能力大大提高 例如下图4 13 脱气塔的压力对主控指标 液位 影响很大 甚至造成溢出或打干的事故 是主干扰 串级控制后效果很好 115 四 用于克服对象的非线性 负荷变化会引起工作点的移动 当负荷变化大且频繁时 只有高级控制系统才有重整参数以适应控制要求的能力 一般控制系统中 有效办法是采用串级控制 例在图4 14中 其中部温度要严控 则将具有非线性特性的换热器包含在副回路 116 4 4串级控制系统的设计 主变量 操纵量 的选择原则主要有 1 条件允许时选质量指标作为主变量 正确合理地设计 才能使串级控制系统发挥其特点 设计包括主 副回路选择 主 副控制器控制规律选型和正 反作用的确定 一 主 副回路的选择 一 主回路是一个定值控制系统 可以按单回路控制系统的设计原则进行 117 二 副回路应包括尽可能多的扰动 前已述及 应将变化最剧烈 幅度最大 最频繁的扰动包括在副回路中 研究系统的干扰来源是十分重要的 如前述的管式加热炉 主扰动为然油压力还是然油热值 则副回路的选择大不相同 2 其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量 3 所选主变量应有足够的灵敏度 且工艺合理 易实现 并非包括的干扰越大越好 干扰包括得越大 副变量的位置会越靠近主变量 灵敏度会降低 118 前已分析得到 串与 单的关系如P182所示 绘出分析曲线 如右图所示 三 主 副对象的时间常数要匹配 119 分析可知 1 当T01 T02 10时 则T02很小 副回路包括的干扰很少 作用未发挥 2 当T01 T02 3时 说明T02过大 副回路的控制作用不及时 3 当T01 T02 1时 主 副回路易出现 共振效应 一般认为 T01 T02 3 10较合适 究竟T02取多大为好 应按具体情况确定 若欲快速克服主干扰 则小一点为好 若欲克服对象的大滞后 可取大点 若欲克服对象的非线性 则T01 T02宜取大一些 120 四 选副回路应考虑工艺上的合理性 只有满足工艺要求 才具有实用性 先考虑工艺要求 再考虑其他要求 五 副回路设计应考虑经济性原则 技术与经济指标应综合考虑 如下两图 121 1 对主变量控制质量要求高 主变量宜采用PI规律 欲克服容量滞后 应引进微分作用 采用PID规律 副变量一般采用P规律就可以了 2 对副变量控制要求也较高 主 副变量均采用PI控制规律 3 对主变量控制要求不高 甚至允许小波动 主变量采用P规律 副回路对主回路的跟随要求快而准时采用PI控制规律 二 主 副控制器的选择 一 控制规律的选择 122 副控制器按单回路方式选择 具体见P154 主控制器按下式确定 二 正 反作用方式的选择 4 对主 副变量控制要求均不高 可均采用P规律 必要时对主变量控制引进微分作用 主控制器 副对象 主对象 主 副控制器正 反作用方式的确定是否正确 可进行验证 如图 123 4 5串级控制系统控制器参数的整定 所谓投运 就是通过适当的步骤 使主 副控制器从手动工作状态转到自动工作状态 两种投运方法 先投副环后投主环 常用 先投主环后投副环 很少用 一 串级控制系统的投运 124 二 串级控制系统控制器参数的整定 串级控制系统的方案正确设计后 为了使系统运行在最佳状态 按照自控理论 必须对系统进行校正 这在过程控制中称为参数整定 在工程实践中 串级控制系统中常用的整定方法有 逐步逼近法 两步整定法 一步整定法等 125 一 逐步逼近法 逐步逼近法是先副后主 逐步逼近 该方法较繁琐 具体步骤为 先断开主回路 整定副控制器 后闭合主回路 整定主控制器 重新调整副控制器参数 若未达到控制要求 再调整主控制器参数 以上步骤循环进行 直到满足 逼近 控制指标为止 对于不同的控制系统和不同的品质指标要求 逐步逼近法逼近的循环次数是不同的 所以往往费时较多 126 二 两步整定法 应用最广泛 第一步 整定副控制器 第二步 整定主控制器 具体步骤 见教材P186 应用举例在硝酸生产过程中 有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统 温度为主参数 工艺要求较高 温度最大偏差不能超过 5 氨气流量为副参数 允许在一定范围内变化 要求不高 系统控制器参数采用两步整定法 过程如下 127 在系统设计时 主控制器选用PI控制规律 副控制器选用P控制规律 在系统稳定允许条件下 主 副控制器均置于纯比例作用 主控制器的比例度 置于100 用4 1衰减曲线法 见右图 整定副控制器的参数 得 128 将副控制器的比例度置于32 上 用相同的方法整定 将主控制器的比例度由大到小逐渐调节 取得主控制器的 1S 50 T1S 7min 2S 32 T2S 15s 129 根据上述求得的各参数 运用4 1衰减曲线法整定计算公式 见上表4 1 计算主 副控制器的整定参数为 主控制器 温度控制器 比例度 1 1 2 1S 60 积分时间T1 0 5 T1S 3 5min副控制器 流量控制器 比例度 2 2S 32 把上述计算的参数 按先P后I的次序 分别设置在主 副控制器上 并使串级控制系统在该参数下运行 实际运行 氧化炉温度稳定 完全满足生产工艺的要求 130 1 与单回路系统相比 串级控制系统有哪些主要特点 2 为什么说串级控制系统具有改善过程动态特性的特点 T 02和K 02减小与提高控制质量有何关系 3 为什么提高系统工作频率也算是串级控制系统的一大特点 思考题 下一章 131 2020 加热 温度测量 返回 132 加热 流量测量 返回 133 第五章前馈及复合控制系统 其他反馈控制的缺点 无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前 被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后 故限制了控制作用的充分发挥 5 1基本概念 1 问题的提出 5 2 134 2020 2 技术思路 直接按扰动而不是按偏差进行控制 干扰发生后 被控量还未显现出变化之前 控制器就产生了控制作用 这种前馈控制系统对干扰的克服要比反馈控制系统及时得多 3 工作原理 用右图针对反馈控制做比较说明 135 其中Ma为扰动量 T2为出口温度 WO s 为控制通道的传递函数 Wf s 为前馈通道的传递函数 Wd s 为干扰通道的传递函数 补偿过程如下图所示 可实现对扰动的完全补偿 使被控量成为对扰动绝对不灵敏的系统 不变性原理 136 4 前馈与反馈的比较 1 检测 前馈控制测干扰 反馈控制测被控量 2 效果 克服干扰 前馈控制及时 理论上可实现完全补偿 反馈控制不及时 3 经济性 克服干扰 前馈控制只能一对一 不如反馈控制经济 4 稳定性 前馈为开环 不存在此问题 反馈则不同 稳定性与控制精度是矛盾的 137 5 2前馈控制系统的结构形式 控制器的输出仅仅是输入F的函数 与时间t无关 在图4 12中 令前馈控制器传函满足下式即可 一 静态前馈控制 静态前馈的含义 138 二 动态前馈控制 静态前馈控制只能有效抑制静态偏差 动态前馈控制不但能有效抑制静态偏差 而且能有效抑制动态偏差 1 问题及办法 2 原理 如右图 其中Wm S 非纯比例环节 139 动态前馈控制能显著提高系统的控制质量 但结构和参数整定均比较复杂 只适用于控制精度要求很高 反馈与静态前馈难于满足时 三 复合控制系统 亦称为前馈 反馈控制系统 1 方法的提出 前馈控制是有局限性的 对补偿结果无法检测 难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置 一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量 3 特点及适用性 140 复合控制的好处 既发挥了前馈校正及时的优点 又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量始终给予检验的长处 2 组成原理及结构图 141 当负荷变化时 对于前馈控制未能完全消除的偏差 以及未能引入前馈控制的其他干扰 如物料进口温度 蒸汽压力等 142 3 特点 实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变 令Y s F s 0即可 不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性 4 前馈 反馈控制的优点 只需对主要的干扰采用前馈补偿 大大简化了原来的纯前馈控制系统 降低了对前馈控制精度的要求 为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件 比纯反馈控制具有控制精度高 温度速度快的特点 因而是前馈控制中广泛应用的控制系统 143 为了保证前馈控制的精度 常希望控制阀灵敏 线性等 采用串级控制系统可满足以上要求 四 前馈 串级控制系统 1 方法的提出 2 原理与结构图 144 3 应用举例 145 2020 思考题 1 前馈控制有哪几种主要型式 2 前馈控制与反馈控制各有什么特点 3 为什么一般不单独使用前馈控制方案 146 2020 1 预估补偿 原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响 但需被控过程的精确模型 工程上往往难以实现 第六章大滞后补偿控制 6 26 3 6 1克服纯滞后的几种常见方案 2 采样控制 成本较低 但干扰加入的时刻对控制效果影响较大 3 改进型常规控制 具有通用性广等特点 目前较常用 4 其他 大林算法 卡尔曼预估算法 灰色预测控制等 147 是一种比较简单 工程上易实现 又能满足一定控制质量要求的控制方案 对降低超调量更有显著的效果 6 2改进型常规控制方案 一 微分先行控制方案 1 特点 2 组成结构 一般常规PID控制方案 见下张图6 1 微分先行控制方案 见下张图6 2 148 149 3 传递函数 随动特性与抗扰动性能 一般常规PI D 式 1 式 2 微分先行 式 3 式 4 150 微分先行较常规PI D少了一个零点Z 1 TD 故超调量要小一些 4 过渡过程比较 区别 151 二 中间反馈控制方案 使控制系统闭环传递函数极点位置发生变化 从而使超调量大大下降 控制质量得到改善 微分作用是独立的 能及时起校正作用 1 特点 2 原理方案 152 3 控制效果 与一般常规控制对比 1 在给定值变化时 无论是微分先行方案 或中间反馈控制方案 其控制过程的品质均优于常规PID 尤其在减小超调量方面效果更佳 2 在扰动作用下 其控制品质与常规PID相差不大 153 6 3预估控制方案 在PID控制回路上再并联一个补偿回路 以抵消对象的纯滞后因素 1 特点 2 原理结构 单回路控制系统 154 史密斯补偿原理 如下图所示 155 3 控制效果 控制器接受的测量信号比实际检测到的被控量提前了时间 是一个对被控量的预估器 如下图所示 156 4 工业应用举例 加热炉温度预估补偿控制 157 1 生产过程中的时间滞后是怎么引起的 2 试举一生产过程实例 简述当其扰动通道及控制通道存在纯滞后因素时 它们带给被控参数的不利影响如何 3 微分先行控制方案与常规PID控制方案有何异同 思考题 158 2020 第七章实现特殊要求234的过程控制系统 7 1比值控制系统 在现代工业生产过程中 要求两种或多种物料流量成一定比例关系 一旦比例失调 会影响生产的正常进行 影响产品质量 浪费动力 造成环境污染 甚至产生生产事故 如 燃烧过程中 往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛 制药生产中要求药物和注入剂按比例混合 一 概述 1 方法的产生 159 2020 2 比值控制的含义 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统 统称为比值控制系统 3 变量及关系 主动量 起主导作用而又不可控的物料流量 从动量 跟随主动量而变化的物料流量 比例系数 K Q1 Q2 造纸过程中为保证纸浆浓度 要求自动控制纸浆量和水量比例 水泥配料系统 160 1 系统组成 如下图所示 二 比值控制系统的类型 一 开环比值控制 161 二 单闭环比值控制 简单 成本低 只有当Q1变化时才起控制作用 Q2变化时Q1不会响应 比例关系被破坏 3 适用场合 副流量没有干扰的情况 2 系统组成 如下图所示 1 特点 能克服开环比值方案的不足 2 特点 162 3 工作过程 稳定状态下 主流量变化时 副变量由于干扰而变化时 163 2020 如右图所示 4 应用实例 164 2020 优点 不但能实现流量的副量跟主量变化 而且能克服流量干扰等 缺点 主流量不受控 6 应用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用 5 优缺点 能克服单闭环主流量不受控的不足 1 特点 2 系统组成 如下图所示 三 双闭环比值控制 165 7 4a 双闭环比值控制 给定 随动值 设定值 定值 166 2020 167 常用在主流量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大的波动 或工艺上经常需要升降负荷的场合 3 另一优点 升降负荷比较方便 4 适用场合 5 应用实例 如图 设定值 168 在有些生产过程中 要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化 为了满足上述生产工艺要求 开发并应用变比值控制 四 变比值控制 1 方法的产生 2 系统结构 如下图所示 169 3 变比值控制的含义 比值只是一种手段 不是最终目的 而第三变量Y s 往往是产品质量指标 变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量 质量指标 以两个流量比为副变量的串级控制系统 4 工作过程 系统稳定时 当Q1 Q2出现扰动时 当出现其他扰动 如温度 压力 成分等变化 时 5 该法特点 170 7 7氧化炉温度与氨气 空气串级比值控制系统 6 应用实例 见以下两图 171 172 7 2均匀控制系统 在连续生产过程中 一个装置或设备往往与前后的装置或设备紧密地联想着 前一装置或设备的出料量是后一装置或设备的进料量 而后一装置或设备的出料量又输送给其他的装置或设备 例如石油裂解气分离工艺 前后共串联了八个塔 前后有物料联系的精馏塔 前塔的液位与后塔的进料量的稳定要求会发生矛盾 如下图所示 一 均匀控制的用途及特点 1 问题的提出 173 是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 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 两塔之间增设缓冲器 不适宜 采用均匀控制系统 上策 3 均匀控制的含义 2 解决办法 174 2020 4 均匀控制的特点 表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的 变化是缓慢的 是在允许范围内波动的 参见下图 前塔的液位变化不能超过规定的上 下限 后塔的进料量也不能超过最大和最小处理量 非均匀控制 175 二 均匀控制系统的结构方案 1 方案示例 如下图 一 简单均匀控制 去下一精馏塔 176 5 适用场合 2 与液位定值控制相比 通常适用于扰动较小 对流量的均匀程度要求较低的场合 比例作用是基本的 不能引入微分 积分是否引入视情况而定 系统的结构和所使用的仪表是完全一样的 但控制目的不同 3 对控制参数应做适当选择 4 特点 简单均匀控制系统的最大优点是结构简单 操作方便 成本低 但控制效果差 177 二 串级均匀控制 1 组成结构 为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自衡特性对流量的影响 设计以流量为副变量的流量控制副回路 如右图所示 178 2 与典型串级的异同 不能加微分作用 液位宜采用PI规律 流量一般用P规律 串级均匀控制系统能克服控制阀前后压力较大的扰动 使主 副变量变化均匀缓慢平稳 控制质量较高 结构方案相同 目的不同 均匀串级控制的目的是使液位与流量均匀协调 3 控制过程 设干扰使1 塔液位上升 设2 塔因塔压变化使其入料量发生变化 4 控制作用选择 十分重要 5