热工过程控制系统

热工过程控制系统 第 1 章 过程控制系统概述 1 1 过程控制定义及认识 1 2 过程控制目的 1 3 过程控制系统的组成 1 4 过程控制系统的 特点 1 5 过程控制系统的分类 1 6 过程控制性能指标 1 7 过程控制仪表的发展 1 8 过程 控制的地位 1 9 过程控制的任务 1 1 过程控制定义及认识 过程控制定义 所谓过程控制 Process Control 是指根据工业生产过程的特点 采用测量仪表 执行机构 和计算机等自动化工具 应用控制理论 设计工业生产过程控制系统 实现工业生产过程 自动化 1 3 过程控制系统组成 被控过程 Process 指运行中的多种多样的工艺生产设备 过程检测控制仪表 Instrumentation 包括 测量变送元件 Measurement 控制器 Controller 执行机构 Control Element 显示记录仪表 1 5 过程控制系统的分类 按系统的结构特点来分 反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 前馈 反馈控制 系统 按给定值信号的特点来分 定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 性能指标 对自动控制系统性能指标的要求主要是稳 快 准 最大超调量 反映系统的相对稳定性 稳态误差 ess 反映系统的准确性 调整时间 ts 反映 系统的快速性 第 3 章 过程执行器 主要内容 执行器 电动执行器 气动执行器 调节阀及其流量特性 变频器原理及应用 本节内容在本课程中的地位 执行器用于控制流入 或流出被控过程的物 料或能量 从而实现 对过程参数的自动控 制 3 1 调节阀 调节机构 结构 要求 观察 思考 调节 变换 显示 记录 调节 给定值 执行 机构 检测 仪表 记录仪 显示器 调节器 控制器 测量变送 被控过程执行器 r t e t u t q t f t y t z t 控制器 测量变送 被控过程执行器 r t e t u t q t f t y t z t 调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件 由于阀芯在阀体内移动 改变了阀芯与阀座 之间的流通面积 即改变了阀的阻力系数 被调介质的流量也就相应地改变 从而达到调 节工艺参数的目的 3 1 调节阀 功能 接受控制器输出的控制信号 转换成直线位移或角位移 来改变调节阀的流通截面 积 3 1 1 调节阀的组成 执行机构 执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置 调节机构 调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置 通常指控 制阀 3 1 2 调节阀分类 根据使用能源不同 气动调节阀 以压缩空气为能源 输入信号 20 100kPa 价格便宜 多用于石油 化工等 易燃易爆场合 电动调节阀 以电为能源 输入信号 4 20mA DC 价格贵 使用范围广 本质安全 本 安 型也可用于易燃易爆场合 液动调节阀 以高压液体为能源的 阀体相同 执行机构不同 气动薄膜调节阀的气开 气关形式 所谓气开式 即当信号压力增加时 阀门开大 没气时 阀门关闭 气关式则相反 即信号压力增加时 阀门关小 没气时 阀门打开 气开 气关形式选择举例 受压容器 采用改变气体排出量以 维持容器内压力恒定 试问调节阀 应选择气开式还是气关式 答 气关式 p kp 100 20 20 100 开度 开度 全开 全开 p kp 气关阀 气开阀 全关 全关 PC 气气 体体 3 3 气动执行机构 电 气转换器 输入信号从 4mA 改变到 20mA 时 转换器的输出压力从 20 100kPa 变化 实现了将电流信 号转换为气压信号的过程 3 3 调节阀的流通能力 调节阀是一个局部阻力可变的截流元件 通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数 达到控制流量的目的 流过调节阀的流量 阀的开度 阀门前后的压差 为了衡量不同调节阀在某些特定条件下单位时间内流过流体的体积 引入流通能力的概念 3 9 调节阀的流量特性 理想流量特性 调节阀前后压差不变时 得到的流量特性 理想流量特性完全取决于阀芯的形状 理想流量特性有 直线 等百分比 抛物线 快开 理想流量特性曲线 1 快开 2 直线 3 抛物线 4 等百分比 例题 3 3 已知某调节阀的最大流量 可调范围 R 30 分别计算 直线流量特性和等百分比流量特性在理想情况下阀的相对行程 l L 0 1 0 2 0 8 0 9 时的 流量值 qv 并比较这两种不同理想流量特性的调节阀在小开度与大开度时的流量变化情况 第 4 章 被控过程 重点 1 自衡过程 2 传递函数中 的物理意义 4 1 1 过程控制动态特性分类 自衡过程 Self Regulating Processes 定义 当扰动发生后 被控变量不断变化最后达到新的平衡 非自衡过程 Non Self Regulating Processes 定义 当扰动发生后 被控变量不会达到新的平衡 4 3 过程特性参数的物理意义 100 80 60 40 20 0 3 3 20406080100 qv qymax 1 2 3 4 100 80 60 40 20 0 3 3 20406080100 qv qymax 1 2 3 4 l L 过程增益的注意事项 过程增益描述输出变量随输入变量变化的灵敏度 过程增益包含三部分 信号 数值和单位 过程增益只和稳态值有关 因此过程增益是描述过程稳态特性的参数 2 数学模型的时间常数 T 当对象受到阶跃输入 作用后 被控变量达 到新稳态值的 63 2 所需时间 3 滞后时间 滞后时间 C t C t 63 2 T 第 5 章 常规控制策略 重点 1 PID 调节中各部分的作用及优缺点 2 为何要整定 PID 参数 工程上有哪些常用方法 控制器的控制规律定义 就是控制器的输出信号随输入信号 偏差 变化的规律 这个规律常常称为控制器的特性 过程控制最常用控制器 PLC 数字调节器 IPC DCS 5 1 双位控制 双位控制品质指标 品质指标 振幅 周期 理想情况希望振幅减小 周期长 振幅周期是相互矛盾的 设计原则 满足振幅在允许的范围内后 尽可能使周期长 5 2 PID 控制规律 PID 控制规律的表示方法 基本 PID 控制规律 2 PID 控制器的基本控制规律 max min 0 e0 0 e0 eu tu eu tu 或时 或时 1 比例控制规律 Proportional Control Mode 2 比例积分控制规律 Proportional Integral Control Mode 3 比例微分控制规律 Proportional Derivative Control Mode 4 比例积分微分控制规律 Three Mode 3 比例控制规律的特点 2 比例积分控制规律 积分作用的特点 能消除余差 积分控制器输出的控制信号和输入偏差之间没有一一对应关系 只要有偏差 输出的控 制信号就会不断变化 执行器就不断动作 直到把偏差信号消除 慢慢来 在偏差信号出现的瞬间 无控制作用 输出控制信号是由零开始积分 并随时间逐渐积累 控制作用总是落后于偏差信号的变化 具有较强的抗干扰能力 2 比例积分控制规律 3 积分作用的参数 积分时间 TI 的定义 在阶跃信号输入下 积分作用的输出变化到等于比例作用的输出所经 历的时间就是积分时间 TI 积分作用的大小与积分时间 TI 成反比 即积分时间越小 积分作用越强 3 比例微分控制规律 微分作用的特点 2 数字式 PID 运算式 1 基本数字式 PID 运算式 3 控制器参数整定 3 1 整定方法 整定控制器参数的方法很多 归纳起来可分为两大类 即理论计算整定法和工程整定法 理论计算整定法有对数频率特性法 根轨迹法等 工程整定法有现场试凑法 临界比例度法和衰减曲线法等 3 2 工程整定法特点 工程整定不需要事先知道过程的数学模型 直接在过程控制系统中进行现场整定 特点 方法简单实用 计算简便 易于工程应用 1 现场凑试法 按照先比例 P 再积分 I 最后微分 D 的顺序 置控制器积分时间 TI 微分时间 TD 0 在比例度 按经验设置的初值条件下 将系统 投入运行 整定比例度 求得满意的 4 1 过渡过程曲线 引入积分作用 此时应将上述比例度 加大 1 2 倍 将 TI 由大到小进行整定 若需引入微分作用时 则将 TD 按经验值或按 TD 1 3 1 4 TI 设置 并由小到大加入 2 临界比例度法 在闭环控制系统里 将控制器置于纯比例作用下 TI TD 0 从大到小逐渐改变控 制器的比例度 得到等幅振荡的过渡过程 此时的比例度称为临界比例度 k 相邻两个波峰间的时间间隔 称为临界振荡周期 Tk 据此确定控制器参数 3 衰减曲线法 先把控制器参数置 成纯比例作用 TI TD 0 系统投入运行 再把比例度 逐渐 从大调小 直到 出现 4 1 衰减 过程曲线 此时的比例度 为 4 1 衰减比例 度 c 两个相邻 波峰间的时间间隔 称为 4 1 衰退减振荡周期 Ts 4 采样周期的选择 采样周期的选择要受到多方面因素的影响 不同系统的采样周期应根据具体情况选择 通常按照过程特性与干扰大小适当选取采样周期 对于响应快 如流量 压力 波动大 易受干扰的过程 应选取较短的采样周期 反之 当过程响应慢 如温度 成份 滞后较大时 则可选取较长的采样周期 7 1 串级控制系统的定义 采用不止一个控制器 而且控制器间相串联 一个控制器的输出作为另一个控制器的设定 值的系统 称为串级控制系统 t y t s T 0 4 1 7 2 串级控制系统常用术语 7 7 串级控制系统方案设计 7 8 串级系统副调节器选型 副调节器常选择 P 或 PI 控制律 原因 副回路为随动系统 其设定值变化频繁 一般不宜加微分作用 另外 副回路 的主要目的是快速克服内环中的各种扰动 为加大副回路的调节能力 理想上不用加积分 作用 但实际运行中 串级系统有时会断开主回路 因而 通常需要加入积分作用 但积 分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力 主调节器常选择 PI 或 PID 控制律 原因 主回路的任务是满足主参数的定值控制要求 因而对于主参数为温度的串级系 统 主调节器必须加入较强的积分作用 除主参数为液位的串级均匀控制系统以外 当主 对象的调节滞后较大 而主参数变化较平缓时 可加入通常大小的微分作用 例 1 加热炉出料温度控制系统 加热炉温度 温度串级控制系统 加热炉温度 温度串级控制系统 加热炉温度 温度串级控制系统调节过程 主对象 输入信号为炉膛温度 输出信号为原料出口温度 正作用单元 副对象 输入信号为燃料流量 输出信号为炉膛温度 是正作用单元 调节阀的选择 气开阀 正作用 副调节器 控制规律方块选正作用 调节器则是反作用 主调节器 控制规律方块选正作用 调节器则是反作用 如图所示的反应器温度控制系统 它通过调节进入反应器冷却水的流量来保持反应器温度 的 稳定 反应器温度控制系统 要求 1 画出该系统的方块图 并说明它是什么类型的系统 2 若反应器的温度不能过高 否则会发生事故 试确定调节阀的气开 气关型式 3 确定主调节器 副调节器的正反作用 4 若冷水压力突然升高 试简述该控制系统的调节过程 主副回路同时 第八章 复杂过程控制系统 前馈控制系统 时间滞后控制系统 多变量解耦控制系统 比值控制系统 均匀控制系统 超驰 控制系统 分程控制系统 阀位控制系统 8 1 前馈控制系统 理解前馈控制原理及使用场合 掌握静态前馈控制和常用动态前馈控制补偿模型 掌握前馈 反馈复合控制系统的特点及工业应用 8 1 2 前馈控制与反馈控制的比较 2 前馈测量干扰量 反馈测量被控变量 3 前馈需要专用调节器 反馈一般只用通用调节器 4 前馈只能克服所测量的干扰 反馈可克服所有干扰 5 前馈理论上可无差 反馈必定有差 前馈反馈控制系统的设计原则 实现前馈控制的必要条件是扰动量的 可测及不可控性 可测 指扰动量可以通过测量变送器 在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号 不可控 指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制 如生产中的负荷 采用前馈控制主要是针对那些 可测不可控 变化频繁且幅值较大的扰动量 工程中 一般选用静态前馈 反馈控制方案即可得到较为满意的控制效果 8 2 时间滞后控制系统 时间滞后是指纯滞后过程 纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的 纯滞后极大地影响系统动态性能 引起闭环控制系统稳定性明显降低 过渡过程时间加长 T 0 3 时 就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程 常用控制方法 预估补偿方案 采样控制方案 预估补偿方案 经补偿后 消除了纯滞后部分对控制系统的影响 因为式中的 在闭环控制回路之外 不影响系统的稳定性 拉氏变换的位移定理说明 仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时 间 控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性完全一致 可见 Smith 预估器可以完全消除时滞的影响 从而成为一种对线性 时不变 单输入单 输出时滞系统的理想控制方案 Smith 预估器在实际应用中的限制 Smith 预估器在实际应用中很不尽如人意 主要原因在于 Smith 预估器需要确知被控对象的 精确数学模型 而且它只能用于线性定常系统 也有一些改进型 Smith 预估器 但由于没有脱离对被控对象模型依赖的本质 在实际中极 少使用 2 采样控制方案 调一下 等一等 Wait and See 的办法 当调节器输出达一定时间后 就不再使增加 或减小 了 而是保持此值 保持的时间比 纯滞后时间 0 稍长些 直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止 接着 根据偏差的大小再决定下一步控制作用的大小和方向 采样控制方案的特点 核心思想就是避免控制器不必要的误操作 而宁愿让控制作用弱一些 无需掌握精确的过程动态特性 就能克服被控过程中纯滞后的不利影响 需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间 8 4 比值控制系统 定义 两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统 例如 燃烧过程中 为保证燃烧经济性 需保持燃料量和空气量按一定比例混合后送入炉膛 造纸过程中 为保证纸浆浓度 必须控制纸浆量和水量按一定的比例混合 主动量和从动量 比值控制系统中 起主导作用的物料流量一般为主动量 q1 如燃烧过程中的燃料量 造纸 中的纸浆量 随主动量变化的物料流量称为从动量 q2 如燃烧过程中的空气量 造纸中的水量 q2 与 q1 保持一定的比值 即 比值控制方案 根据工业生产过程的不同需求 有 3 种常用的比值控制方案 单闭环比值控制 双闭环比值控制 变比值控制 单闭环或双闭环比值控制中 比值系数固定不变 而变比值控