过程控制作业复习正式ppt课件.ppt

过程控制系统的定义 为实现对某个工艺参数的自动控制 由相互联系 制约的一些仪表 装置及工艺对象 设备构成的一个整体 过程控制系统的主要任务是 对生产过程中的重要参数 温度 压力 流量 物位 成分 湿度等 进行控制 使其保持恒定或按一定规律变化 控制系统由被控对象 检测变送器 控制器和执行器等组成 一般控制系统的组成及框图 控制系统由被控对象 检测变送 控制器和执行器等组成 通常将执行器 被控对象和检测变送环节合并为广义对象 一般控制系统的框图 1 按设定值的形式分类1 定值控制系统 设定值恒定不变 2 随动控制系统 设定值随时可能变化 3 程序控制系统 设定值按预定的时间程序变化 给定值 被控变量 干扰f 控制器 变送器 执行器 被控对象 e 实测值 2 按系统的结构特点分类1 反馈控制系统 闭环控制系统 2 前馈控制系统 开环控制系统 3 复合控制系统 前馈 反馈复合控制系统原理框图 控制系统的单项品质指标小结稳定性衰减比n 4 1 10 1最佳准确性余差C小好最大偏差A小好快速性过渡时间Ts短好振荡周期T短好 第3章控制仪表 控制仪表又称控制器或调节器 其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较 得出偏差后 按一定的调节规律进行运算 输出控制信号 以推动执行器动作 对生产过程进行自动调节 给定值 被控变量 干扰f 控制器 测量变送器 执行器 被控对象 e 实测值 自动控制系统方框图 控制信号 比例积分微分控制 PID PID控制作用中 比例作用是基础控制 微分作用是用于加快系统控制速度 可以提高系统稳定性 积分作用是用于消除静差 TI 决定积分作用强弱 越小 积分作用越强 积分时间TI越大 积分作用越弱 P 决定了比例作用的强弱 P越小 比例控制作用越强 TD 决定微分作用强弱 TD越大 微分作用越强 TD越小 微分作用越弱 第2章被控过程的数学模型 给定值 被控量 干扰f 控制器 变送器 执行器 被控对象 e 实测值 被控过程的数学模型 指被控对象在各输入量作用下 其响应输出量变化的函数关系式 操纵变量 机理法建模 单容对象 双容对象 结构 工作原理 电动调节阀 电 气阀门定位器 电 气转换器 调节阀的选择与计算 调节阀的流量特性 调节阀的流通能力 调节阀的气开气关型式 气动调节阀 第3章执行器 执行器执行器作用 它将控制器送来的控制信号转换成执行动作 从而操纵进入设备的能量 操纵变量 将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内 给定值 被控变量 干扰f 控制器 测量变送器 执行器 被控对象 e 实测值 自动控制系统方框图 调节阀的流量特性流量特性的定义 被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度 相对位移 间的关系称为调节阀的流量特性 Q Qmax 相对流量l L 相对开度 固有 理想 流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性 它取决于阀芯的形状 1 直线特性 2 等百分比特性 3 快开特性 4 抛物线特性 直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的 直线阀在小开度时控制作用很强 而在大开度时控制作用很弱 体现在控制效果上 小开度时控制力强 容易引起系统振荡 大开度时 控制力弱 控制缓慢 对数阀曲线斜率 放大系数 随行程的增大而增大 流量小时 流量变化小 流量大时 流量变化大 等百分比阀在各流量点的放大系数不同 但在各点流量变化相对比值是相同的 对流量的控制力是相同的 调节阀的工作流量特性实际使用时 调节阀装在具有阻力的管道系统中 管道对流体的阻力随流量而变化 阀前后压差也是变化的 这时流量特性叫调节阀的工作流量特性 调节阀气开式与气关式的选择 重要 气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位 随着输入气压信号增大 阀门开度逐渐关小的称为气关式 气关式阀在气压信号中断时全开 随着输入气压信号增大 阀门逐渐开大的称为气开式 气开式阀在气压信号中断时全关 气动薄膜调节阀的气开式与气关式 例 选择蒸汽锅炉的控制阀门时 为保证失控状态下锅炉的安全 给水阀应选气关式燃气阀应选气开式 阀门气开气关式的选择原则 当控制信号中断时 阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态 若此时要求阀门全开 选气关式 若要求阀门全关 选气开式 为了说明选择方法 对各环节先定义一个表示其性质的正 负 符号 变送器 输出信号随被测变量增加而增加 为 反之为 变送器一般都为 执行器 气开阀为 气关阀为 被控对象 若控制变量增加 被控参数随之增加 为 反之为 控制器 正作用控制器 当给定值不变时 随测量值增加 控制器输出增加 或者测量值不变时 给定值减小时 控制器输出增加 取为 反作用控制器 当给定值不变时 随测量值增加 控制器输出减小 或者测量值不变时 给定值减小时 控制器输出减小 取为 调节器正反作用的选择 调节器正反作用的确定原则 保证系统构成负反馈简单的判定方法 闭合回路中各环节符号之积为 例 储槽液位控制系统 LT LC M 正 气开 出料 要求 出现故障或气源断开时 不允许物料全部流走 试确定调节器的正 反作用方式 LT LC M 反 气关 出料 例 另一工艺的储槽液位控制系统 要求 出现故障或气源断开时 物料不能溢出储槽 试确定调节器正反作用方式 练习 如图所示加热炉温度控制系统 指出系统被控对象 被控参数 调节参数 作出系统方框图 选择调节阀气开 气关形式 选择调节器正反作用方式 TT TC 燃料 出料 系统被控对象 加热炉被控参数 加热炉出口温度调节参数 燃料油流量 调节阀选气开形式 出现事故时 调节阀应全关 以免燃料油持续进入加热炉 使温度过高 损坏设备 TT TC 反 燃料 出料 选择调节器正反作用方式 负反馈验证 设某时刻进料流量 干扰 出料温度 TC输入 TC 反作用 输出 阀关小 燃料流量 出料温度 被控对象 输入 燃料油流量 增加 输出 加热炉温度 升高 为 要保证为负反馈 即调节器为 反作用调节器 调节阀 气开式 为 结构特点 系统有两个闭合回路 形成内外环 主变量是工艺要求控制的变量 副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量 主 副调节器是串联工作的 主调节器的输出作为副调节器的给定值 主回路一般为定制控制系统 副回路为随动控制系统 副回路能迅速克服作用于副回路内的扰动 也能加速克服主回路的干扰 一 串级控制系统 例 在管式加热炉串级控制系统中 若燃料油压力 热值变化都比较大 为主要扰动 则应使用图 a 方案 若只有燃料油压力经常变化 为主要扰动 应如何选择副参数 例 确定管式加热炉说明串级控制系统主 副调节器的正 反作用方式 1 调节阀气开 气关形式选择 从生产工艺安全出发 燃料油调节阀选用气开式 为 气开 2 副调节器正反作用确定 副回路中 调节阀开大 炉膛温度升高 测量信号增大 说明副对象和变送器都为 为保证副回路为负反馈 副调节器应为反作用方式 气开 反 3 主调节器正反作用确定 对于主调节器 调节阀开大 炉膛温度升高时 原料油出口温度也升高 说明主对象和主变送器都为 为保证主回路为负反馈 主调节器也应为反作用方式 气开 反 反 方案一 锅炉过热蒸气单回路调节系统 主要扰动 烟气温度 入口蒸汽流量 压力等减温水温度 压力等 入口蒸气 减温水 过热器 烟气 蒸气温度 调节器I 调节器II 方案二 锅炉设备蒸气温度串级调节方案 要求 1 作出系统方框图 2 指出系统主 副被控变量 操纵变量 主 副对象 3 确定主 副调节器正反作用方式 锅炉设备过热蒸气串级控制系统 主被控参数 蒸气出口温度 副被控参数 减温器出口温度 主对象 过热器 副对象 减温器 主调节器 调节器I 副调节器 调节器II 副回路 副调节器 调节阀 减温器 主回路 主调节器 副回路 过热器 一次扰动 F1 二次扰动 F2 F3 主调节器 调节阀 减温器 过热器 f3 f2 f1 副调节器 前馈控制的原理是 当系统出现扰动时 立即将其测量出来 通过前馈控制器 根据扰动量的大小改变控制变量 以抵消扰动对被控参数的影响 二 前馈控制 前馈控制的特点 前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的 称为 扰动补偿 如果补偿精确 被调变量不会变化 能实现 不变性 控制 前馈控制是开环控制 控制作用几乎与干扰同步产生 是事先调节 速度快 前馈控制器的控制规律不是PID控制 是由对象特性决定的 前馈控制只对特定的干扰有控制作用 对其它干扰无效 3 前馈控制的局限性 实际工业过程中的干扰很多 不可能对每个干扰设计一套控制系统 况且有的干扰的在线检测非常困难 前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算 即使前馈控制器设计的非常精确 实现时也会存在误差 而开环系统对误差无法自我纠正 因此 一般将前馈控制与反馈控制结合使用 前馈控制针对主要干扰 反馈控制针对所有干扰 前馈控制与反馈控制的比较 复合控制系统具有以下优点 在反馈控制的基础上 针对主要干扰进行前馈补偿 既提高了控制速度 又保证了控制精度 反馈控制回路的存在 降低了对前馈控制器的精度要求 有利于简化前馈控制器的设计和实现 三 比值控制系统定义 实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统 称为比值控制系统 例如要实现两种物料的比例关系 则表示为 Q2 KQ1 其中 K 比值系数 Q1 主流量 主物料的流量 Q2 副流量 从物料的流量 1 单闭环比值控制系统特点 对Q2进行闭环控制 比值控制精度提高 控制目标 Q2 KQ1 2 双闭环比值控制系统特点 Q1是主流量 Q2是副流量 两个流量都可控 因此总流量稳定 有两个闭环控制回路 用比值器联系 控制目标 Q2 KQ1 比值器 副调节器 调节阀 副对象 副流量测量变送器 主调节器 调节阀 主对象 主流量测量变送器 3 比值系数的计算工艺规定的流量 或质量 比值K不能直接作为仪表比值使用 必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K 后才能进行比值设定 对DDZ 型仪表 得换算公式 l 流量与测量信号之间成线性关系时比值系数的计算 2 流量与测量信号之间成非线性关系时比值系数的计算 得换算公式 四 均匀控制方案简单均匀控制 控制系统结构与单回路纯液位控制系统相同 控制目的不同 实现时体现在调节器选型与参数整定不同 采用纯比例调节器 取较宽比例度 使控制作用 弱 尽量不使用比例积分控制规律 或者使用时取大的积分时间 不用微分控制规律 结论 用单回路液位控制系统结构实现均匀控制目的调节器选型与参数整定注意 五 分程控制系统一个控制器的输出信号被分割成几个行程段 每一段行程各控制一个调节阀全程动作 故取名为分程控制系统 例 一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A和B A和B的输入信号各占一半行程 分程控制的实现 阀门定位器 热水 冷却水 B A 例1 间歇反应器 工艺要求 投料完毕需先加热以引发反应 反应时又需进行冷却以保证反应温度要求 试设计一个合理的控制系统满足工艺控制要求 被控对象 反应器被控参数 反应器温度调节参数 冷水与蒸汽 控制系统结构 分程控制 为保证安全 热水阀采用气开式 冷水阀采用气关式 则温度调节器设为反作用 气开 气关 反 工作原理 2 分程控制系统的类型 调节阀同向动作的分程控制系统 A B均为气开阀 A B均为气关阀 调节阀异向动作的分程控制系统 六 选择性控制系统 为了适应在不同工况下能实现自动控制 在控制回路中引入选择器 设计两个或两个以上控制系统 当工况改变时 自动选择一个适当的控制系统投入运行 选择性控制系统 结构特点 采用选择器选择器分类 高选器 选择器的输出等于输入信号中最高者低选器 选择器的输出等于输入信号中最低者 Uo min ui1 uiN Uo max ui1 uiN 燃气 锅炉给水 蒸汽 汽包 炉膛 工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定 特殊工况一 如果使蒸汽压力大幅度降低 蒸汽压力控制系统会使燃气阀门开度大幅度增加 燃气流量大幅度增加 此时燃气压力过高会发生脱火 试设计一个控制系统保证在两种情况下自动切换 正常工况 用单回路控制系统控制 则根据蒸汽出口压力控制燃气量 例锅炉蒸汽压力的控制 1 确定控制系统类型2画出控制系统方框图3试确定调节器正反作用 4如有其他需要设计部分 请给出 特殊工况二 在蒸汽压力定值控制与燃气高压自动保护的选择控制过程中 还可能出现另一种事故 如果因蒸汽负荷很低 导致燃气流量过低 燃料气压力过低 会出现回火现象 也必须加以防止 为防止出现回火现象 再增加一个燃气低压保护控制回路 P3T P3C 高选器 试 确定选择器性质 反 选择性控制系