过程控制--第六-1讲：单回路系统设计(lyz)

第六讲 单回路系统设计ProcessControlSystem 主讲老师 廉迎战副教授 2020 4 6 过程控制与仪表 2 重点内容 单回路系统 对象 执行器 调节器 变送器内容 系统分析控制方案系统整定系统投运 2020 4 6 过程控制与仪表 3 一 系统分析 1 系统目标 在工业过程自动化中 过程控制是不可缺少的重要组成部分 为了克服外界扰动 稳定生产 使其工况最优 提高产品的质量和产量 为了提高劳动生产率 降低生产成本 节约能源 提高经济效益 为了安全生产 改善劳动条件 保护环境卫生等 需在生产过程中对温度 压力 流量 液位 成分 PH 粘度 湿度等过程参数实行自动控制 2 设计目标 系统稳定稳定裕量静态动态性能 时间短 超调量小 无震荡 余差小 2020 4 6 过程控制与仪表 4 一 系统分析 3 控制方案 1 总体设计与系统布局关系 随着现代化工业生产迅速发展 各生产工艺设备相互间紧密地联系着 各设备的生产操作也是相互联系 相互影响的 所以首先必须明确局部生产过程自动化和全局过程自动化间的关系 在进行总体设计和系统布局时 应该全面地考虑生产设备之间的相互联系 综合各个生产操作之间的相互影响 合理设计各个控制系统 要从生产过程去全面地分析问题和解决问题 从物料平衡和工艺流程去设计各个过程控制系统 即要从整个生产工艺过程的自动化考虑所设计的过程控制系统应该包含产品质量控制 物料或能量控制 限制条件控制等 以全局的设计方法来正确处理整个系统的布局 统筹兼顾 2020 4 6 过程控制与仪表 5 一 系统分析 3 控制方案 2 过程特性 过程控制系统的品质是由组成系统的结构和各个环节的特性所决定的 其中过程检测控制仪表的特性在设计制造时就已人为确定 调节器的特性可随意调整 以满足不同被控过程和控制的要求 而被控过程的类型及其特性比较复杂 在设计过程控制系统时必须加以深入研究 由于过程特性不同 过程控制系统设计应适应这些不同特点 以确定控制方案与调节器的设计或选型 以及调节器参数的整定 这些都是以过程特性为依据的 要想完全通过理论计算进行过程控制系统设计和调节器参数整定是不可能的 所以 必须深入了解生产工艺情况 结合控制要求 根据过程特性 扰动情况以及限制条件等运用控制理论和控制技术才能设计一个工艺上合理的正确控制方案 2020 4 6 过程控制与仪表 6 一 系统分析 3 基本方法过程控制系统的设计方法很多 例如对数频率法 根轨迹法 系统参数优化设计法等 根据被控过程特性与技术要求设计过程控制系统时 需要进行大量的调查研究和分析计算 考虑的问题是多方面的 设计工作既要运用控制理论和控制技术 也要重视实践经验 还要配合许多局部和整体的系统仿真 过程控制系统是由被控过程和执行器 控制器 变送器等部分组成 所以系统设计时必须从整体出发进行考虑 在很多场合 先给定被控过程 然后再进行系统其它部分设计 即过程模型是已知的 要求设计系统的其他部分 系统控制方案的设计和调节器参数的整定是过程控制系统设计的两个重要内容 工程设计者应根据被控过程的特性和对过程控制系统的各项技术分析 从全局出发选择合理的控制方案 通常采用反馈控制和复合控制 然后确定系统各部分的控制参数大小 最后进行调节器参数整定 在系统设计中 通常包括综合法和试探法 在开始进行设计阶段 首先应熟悉技术要求或性能指标 了解被控过程和过程检测控制仪表的动态性能 应用综合方法建立系统的数学模型 一旦设计问题可用数学模型表示 就可进行仿真 并应用最佳控制理论得出系统性能指标的上限 最后 对设计出来的系统在各种信号和扰动作用下进行响应测试 若系统性能指标不能令人满意 则必须进行再设计 直到获得满意的性能指标为止 这样 一个物理系统就产生了 此外 还需进行反复试探测试实验 直到获得满意的性能指标要求为止 2020 4 6 过程控制与仪表 7 一 系统分析 4 设计步骤过程控制系统设计 从设计任务提出到系统投入运行 是一个从理论设计到实践 再从实践到理论设计的多次反复过程 必须的几个步骤 1 建立对象的数学模型被控过程的数学模型是控制系统设计的基础 在过程控制系统设计中 首先要解决如何用恰当的数学关系式 或方程式 即所谓数学模型来描述被控过程的特性 只有掌握了过程的数学模型 或深入了解过程特性 才能深入分析过程的特性和精确设计控制器 2 选择控制方案根据设计任务和技术指标要求 经过调查研究 考虑经济效益和技术实施的可行性 选择合理的控制方案 3 建立系统方框图根据系统的内在机理 画出系统方框图 4 进行系统静态 动态特性分析计算过程控制系统方案确定后 根据系统的质量指标 应用控制理论进行系统静态 动态特性分析计算 判定系统的稳定性 过渡特性等 5 实验和仿真实验和仿真是检验系统设计正确与否的重要手段 有些在系统设计过程中难以考虑的因素 可以在实验中考虑 同时通过实验可以检验系统设计的正确性 以及系统的性能 6 系统投运根据设计所选定的控制器的相关参数 使整个系统投入运行 观察其运行状况 2020 4 6 过程控制与仪表 8 一 系统分析 5 主要内容过程控制系统设计包括方案设计 工程设计 工程安装和仪表调校 调节器参数整定等四个主要内容 1 控制方案设计是系统设计的核心 若控制方案设计不正确 则无论选用何种先进的过程控制仪表 其安装如何细心 都不可能使系统在工业生产过程中发挥作用 甚至系统不能运行 2 工程设计是在控制方案正确设计的基础上进行的 它包括仪表选型 控制室和仪表盘设计 仪表供电供气系统设计 信号及联锁保护系统设计等 3 过程控制系统的正确安装是保证系统正常运行的前提 系统安装完 还要对每台仪表进行单校和每个控制回路进行联校 4 在控制方案设计正确的前提下 调节器参数整定是系统运行在最佳状态的重要保证 是过程控制系统设计的重要环节之一 2020 4 6 过程控制与仪表 9 一 系统分析 6 若干问题在进行过程控制系统设计时 要针对工程 对下列问题作合理考虑与正确处理 1 测量信号校正在检测某些过程参数时 其测量值往往要受到其他一些参数的影响 为了保证其测量精度 必须考虑测量信号的校正问题 2 测量信号噪声 扰动 的抑制在测量某些参数时 由于其物理或化学特性 常常具有随机波动特性 若测量 变送器的阻尼较小时 其噪声会叠加于测量信号之上 影响系统的控制质量 所以应考虑对其加以抑制 有些测量元件本身具有一定的阻尼作用 测量信号的噪声基本上被抑制 如用热电偶或热电阻测温时 由于其本身的惯性作用 测量信号的噪声受到抑制 3 对测量信号进行线性处理在检测某些过程参数时 测量信号与被测参数之间成非线性关系 是否要进行线性化处理 具体问题要作具体分析 测量信号的非线性特性 一般是由测量元件所致 通常线性化措施在变送器内考虑 如热电偶测温时 热电势与温度是非线性的 当热电偶配用DDZ 型温度变送器时 其输出信号就已经线性化了 即变送器的输出电流与温度成线性关系 4 系统安全保护对策系统运行的环境条件是过程控制系统设计时必须考虑和解决的重要问题 在某些工业现场的危险环境条件下 为了提高系统的运行周期 保证系统的正常工作 除了加强日常的维护措施外 进行系统设计时还必须采取相应的安全保护对策 如采用系统可靠性设计 选用防腐 防爆结构材料的仪器 仪表及装置等 2020 4 6 过程控制与仪表 10 二 单回路系统设计 本节将根据被控过程特性 应用控制理论 控制技术和过程检测控制仪表知识 具体对过程控制系统方案进行分析和设计 对于过程控制系统的设计和应用来说 控制方案的设计是核心 是极其重要的 设计基本原则 包括合理选择被控参数和控制参数 信息的获取和变送 调节阀的选择 调节器控制规律及其正 反作用方式的确定等 2020 4 6 过程控制与仪表 11 二 单回路系统设计 一 被控参数的选择选取被控参数的一般原则为 1 选择对产品的产量和质量 安全生产 经济运行和环境保护具有决定性作用的 可直接测量的工艺参数为被控参数 2 当不能用直接参数作为被控参数时 应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数 3 被控参数必须具有足够大的灵敏度 4 被控参数的选取 必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能 2020 4 6 过程控制与仪表 12 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响 抵消扰动影响 以使被控参数尽力维持在给定值 扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响 力图使被控参数偏离给定值 在分析与设计控制回路时 要深入研究过程的特性 认真分析各种扰动 正确选择控制参数 被控制参数 多个控制参数 一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强 动态响应应比扰动通道快 通过正确选择控制参数 构成一个控制性能良好的过程控制系统 可有效的克服扰动的影响 因此 下面就从研究过程特性对控制质量的影响入手 讨论选择控制参数的一般原则 在正确选择控制参数后 就要决定构成一个什么样的控制回路 因此 还要正确选择调节规律和调节阀的特性 正确确定控制通道的问题 2020 4 6 过程控制与仪表 13 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择1 过程静态特性分析 扰动 设 被控量Y s 对扰动F s 的闭环传递函数为由于系统是稳定的 阶跃扰动作用下 系统稳态值可应用终值定理求得结论 Y 越小越好Kf Ko 2020 4 6 过程控制与仪表 14 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择1 过程动态特性分析 扰动 Tf时间常数的影响 当x s 0时 则系统的闭环传递函数为 设wf s 为一个单容过程 其传递函数为 特征方程为 2020 4 6 过程控制与仪表 15 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择1 过程动态特性分析 扰动 Tf时间常数的影响 讨论 系统特征方程式中增加了一个极点 1 Tf 随着时间常数Tf的增大 极点将向jw轴靠近 使整个过渡过程的幅值减小Tf倍 从而使其超调量随着的增大而减小 提高了系统的控制质量 扰动通道的时间常数愈大 容积愈多 则扰动对被控参数的影响也愈小 控制质量也愈好 2020 4 6 过程控制与仪表 16 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择1 过程动态特性分析 扰动 时延的影响 当扰动通道有时延 时 在扰动作用下系统的闭环传递函数为 特征方程为 与原方程相同 所以说扰动通道的时延不影响系统的控制质量 仅使系统响应曲线推迟了一个时延 讨论 对系统不影响 2020 4 6 过程控制与仪表 17 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择1 过程动态特性分析 扰动 扰动作用点位置 扰动引入系统位置不同 则对被控参数影响也不同 设 扰动f1 f2 f3由三处分别引入系统设三只水箱均为一阶惯性环节 它对扰动起着滤波作用 所以当扰动引入系统的位置离被控参数愈近时 则对其影响愈大 相反 当扰动离被控参数愈远 即离调节阀愈近 时 则对其影响愈小 2020 4 6 过程控制与仪表 18 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 2 过程通道动态特性 控制 可控性指标 一个被控参数 几个控制参数 各种通道 各种控制方案 在过程控制中有各种简单和复杂的控制方案 除控制精度不同外 主要是由 过程可控性 的差异引起 比较法 比较法 通常采用相同模式的调节器 并分别将调节器参数整定到最佳 然后在相同扰动作用下 比较它们的过渡过程 决定系统控制过程情况的因素大体可归结为K和 即k愈大 则余差愈小 而 愈大 则过渡过程进行得愈快 对于同一个被控过程 如果采用不同类型的调节器 在最佳整定的情况下 K和 是不同的 但是它们的大小都主要决定于该系统的最大增益Kmax和临界频率 c 即在纯比例作用时 系统处于稳定边界下的增益和振荡频率 Kmax和临界频率 c反映了过程的动态特性 在一定程度上代表了被控过程的控制性能 所以 Kmax和临界频率 c称为衡量被控过程进行控制的难易程度的指标 即可控性指标 2020 4 6 过程控制与仪表 19 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 2 过程通道动态特性 控制 可控性指标 Kmax和临界频率 c计算方法产生临界振荡需要两个条件 系统开环对数幅频特性的振幅比为1 Kmax 系统开环对数相频特性的相角为 180 c 2020 4 6 过程控制与仪表 20 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 2 过程通道动态特性 控制 控制通道的影响 讨论 控制通道中时间常数大 阶数高 有纯时延环节都将使过程的可控性指标大为减小 结论 在选择控制参数时 选择时间常数较小 反应灵敏的 纯时延小的通道作为控制通道 2020 4 6 过程控制与仪表 21 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 2 过程通道动态特性 控制 控制通道的影响 讨论 在系统设计时 要求控制通道时间常数适当小一点 使其校正及时 又能获得较好的控制质量 控制通道的时延包括纯时延和容量时延两种 它们对控制质量的影响不利 尤其是的影响最坏 2020 4 6 过程控制与仪表 22 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 2 过程通道动态特性 控制 过程时间常数的匹配 设广义过程的传递函数为 设T1 10s T2 5s T3 2s 每次改变其中一个或两个时间常数可求得一组Kmax c和Kmax c值 2020 4 6 过程控制与仪表 23 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 2 过程通道动态特性 控制 过程时间常数的匹配 2020 4 6 过程控制与仪表 24 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 2 过程通道动态特性 控制 过程时间常数的匹配 讨论 在选择控制通道时 使广义过程特性中的几个时间常数数值错开 减小中间的时间常数 可提高系统的工作频率 减小过渡过程时间和最大偏差等 以提高可控性指标 改善控制质量 在实际生产过程中 若过程存在多个时间常数 则最大的时间常数往往涉及生产工艺设备的核心 通常取决于产品生产规模 不能轻易改动 但是减小第二 三个时间常数是比较容易实现的 例如在温度控制系统中 广义过程包括测温元件的时间常数 有时它处于第二 三位 采用快速热电偶 可以减小这个时间常数 提高控制质量 所以 将几个时间常数错开原则可以指导选择广义过程的控制通道 2020 4 6 过程控制与仪表 25 二 单回路系统设计 二 控制参数的选择 3 过程特性选择控制参数原则根据过程特性来分析和设计单回路控制系统时 选择控制参数的一般原则是 选择过程控制通道的放大系数要适当大一些 时间常数要适当小一些 纯时延 0愈小愈好 在有纯时延的情况下 0与T0之比应小一些 小于1 若其比值过大 则不利于控制 选择过程扰动通道的放大系数要尽可能小 时间常数要大 扰动引入系统的位置要远离控制过程 即靠近调节阀 容量时延愈大 则有利于控制 广义过程 包括调节阀和测量变送器 由几个一阶环节组成 在选择控制参数时 应尽量设法把几个时间常数错开 使其中一个时间常数比其他时间常数大得多 同时注意减小第二 第三个时间常数 注意工艺操作的合理性 经济性 2020 4 6 过程控制与仪表 26 二 单回路系统设计 三 测量变送设 测量变送环节一阶加时延特性来描述 讨论 由于测量变送器的时间常数引起的动态误差是很大的 仪表还有其本身的误差 Km大小对系统影响 一次仪表的安装不当亦会引入测量误差选择 为了提高精度 减小测量的动态误差应选择快速测量仪表需注意仪表的正确安装等 2020 4 6 过程控制与仪表 27 二 单回路系统设计 三 测量变送1 信号滤波 在有些工业生产过程中 例如用差压式流量变送器测量流量 有些容器的液位会有剧烈波动 引起测量变送器的输出波动不息 又如用弹性压力表测量脉动压力时 会使仪表指针跳动不停等 这些都是随机干扰 或称噪音 对此必须进行滤波 通常可采用模拟滤波 如用RC电路进行 对于计算机控制 可用数字滤波 对于低频干扰信号可采用高通滤波器 对于高频干扰信号 可采用低通滤波器 对于跳变脉冲干扰信号 应采用剔除跳变信号的措施等 2 信号处理测量信号的处理包括线性化和开平方等 这已在过程控制系统设计概述一节中作了介绍 故不再赘述 2020 4 6 过程控制与仪表 28 二 单回路系统设计 三 测量变送3 纯时延问题在过程控制中 测量温度 成分等被控参数时 由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身不可避免将产生纯时延 为消除对系统性能指标的可能影响 可专门设计某种补偿环节 以改善其控制品质 2020 4 6 过程控制与仪表 29 二 单回路系统设计 三 测量变送3 纯时延问题当控制通道出现纯时延时 可设计一种补偿环节 使之具有如下特性 所以要实现这一纯时延补偿环节 需设计一种线路 若采用常用仪表 则只能用纯时延展开式去逼近 若采用计算机 就较为方便 2020 4 6 过程控制与仪表 30 二 单回路系统设计 三 测量变送4 测量时延问题测量时延主要是由测量元件本身的特性所造成的 1 微分环节置于变送器后设 调节器Wc s Kc 过程Wo s Ko 1 ToS 测量变送器Wm s Km 1 TmS 则 两式分子不同 动态幅值也不同 测量元件的时延将导致系统品质恶化 为克服其不良影响 在系统设计中 可选用快速测量元件 一般选其时间常数为控制通道时间常数的以下为宜 也可在变送器的输出端 串一微分环节 2020 4 6 过程控制与仪表 31 二 单回路系统设计 三 测量变送4 测量时延问题设 Tm Td可以消除动态误差微分单元置于变送器之后时 有 2020 4 6 过程控制与仪表 32 二 单回路系统设计 三 测量变送4 测量时延问题 2 微分环节置于控制器后可见两式完全相同 2020 4 6 过程控制与仪表 33 二 单回路系统设计 三 测量变送4 测量时延问题 2 微分环节置于控制器后当变动给定值时 当微分单元置于变送器之后时 有当微分单元置于控制器之后时 有注意 1 其分母完全相同 2 分子多了一个微分环节引入的零点 则起了加强其动态响应作用的效果 3 在工程上 把微分单元置于调节器之后 就具有变动给定值时加强其动态响应的作用 较快地达到跟踪的目的 2020 4 6 过程控制与仪表 34 二 单回路系统设计 三 测量变送5 信号传送时延问题气动传输管道的特性可表示为 信号传递时延将降低控制质量 可采取以下改善措施 若测量信号为电信号 可将转换器安装在仪表盘附近 以缩短气压信号的传送距离 若调节器输出为气压信号 可在50 60m距离间 装一继动器 提高气压信号的传输功率 以减小传递时间 若调节器输出为电信号 应将转换器安装在调节阀附近 或采用电气阀门定位器 2020 4 6 过程控制与仪表 35 二 单回路系统设计 四 执行器选择调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分 在系统设计时 应根据生产过程的特点 被控介质的情况 如高温 高压 剧毒 易燃易爆 易结晶 强腐蚀 高粘度等 安全运行和推力等 选用气动执行器或电动执行器 按生产安全原则 选取气开或气关式 根据被控过程的特性 负荷变化的情况以及调节阀在管道中的安装方式等 选择适当的流量特性 在过程控制中 使用最多的是气动执行器 其次是电动执行器 参照第五章 2020 4 6 过程控制与仪表 36 二 单回路系统设计 五 控制器选择据被控过程的特性 如自衡性 容量与时延大小 负荷变化与扰动情况等 与生产工艺要求 合理选择控制器的控制规律 1 对象特征对控制规律的影响选择控制器规律应根据对象特性 负荷变化 主要扰动和系统控制要求等 同时还应考虑系统的经济性及系统投入等 广义对象控制通道时间常数较大或容量迟延较大时 应引入微分动作 如工艺容许有残差 可选用比例微分动作 如工艺要求无残差时 则选用比例积分微分动作 如温度 成分 PH值控制等 当广义对象控制通道时间常数较小 负荷变化也不大 而工艺要求无残差时 可选择比例积分动作 如管道压力和流量的控制 广义对象控制通道时间常数较小 负荷变化较小 工艺要求不高时 可选择比例动作 如贮罐压力 液位的控制 当广义对象控制通道时间常数或容量迟延很大 负荷变化亦很大时 简单控制系统已不能满足要求 应设计复杂控制系统 2020 4 6 过程控制与仪表 37 二 单回路系统设计 五 控制器选择2 控制器控制规律的选择 1 依据对象特征参数选择设 被控对象传递函数近似为 则可根据对象的延时时间和对象自衡时间常数的比值 0 T0 选择控制器的控制规律 0 T0 1 0时 采用简单控制系统往往不能满足控制要求 应选用如串级 前馈 预测控制等复杂控制系统 2020 4 6 过程控制与仪表 38 二 单回路系统设计 五 控制器选择2 控制器控制规律的选择 2 依据过程特性选择 据过程的特性和控制器的控制特征 比例控制器 比例控制器适用于过程通道容量较大 纯延时时间较小 负荷变化不大 工艺要求不高的场合 一般情况下控制质量较高 有余差的场合都可以使用 其适用范围比较广 比例积分控制器 比例积分控制器适用于过程容量较小 负荷变化较大 工艺要求无余差的场合 过程的延时时间较大时不能选择比例积分控制器 否则容易引起系统震荡 比例微分控制器 比例微分控制器适用于过程容量较大 有延时的场合 对于过程扰动频繁的系统微分作用可导致系统震荡 比例积分微分控制器 比例积分微分控制器是一种理想的控制器 适用于不同的过程特性 当要求控制质量较高时 可选用比例积分微分控制器 2020 4 6 过程控制与仪表 39 二 单回路系统设计 六 调节器正 反作用确定1 广义过程的正 反作用的确定控制器有正作用和反作用两种形式 其作用形式取决于被控制过程 执行器 变送器等相关部分的作用形式 过程控制系统中相关部分的作用形式取决于各部分的静态放大系数 图8 13过程控制系统要能够正常工作 则组成系统的各个环节的静态系数相乘必须为负 2020 4 6 过程控制与仪表 40 二 单回路系统设计 六 调节器正 反作用确定1 广义过程的正 反作用的确定Kc Km Kv Ko 0 1 对象的正反作用形式对象正作用 对象的输入量增加 或者减少 其输出量亦增加 或者减少 Ko 0 对象反作用 对象的输入量增加 或者减少 其输出量亦减少 或者增加 Ko0 执行器反作用 执行器 调节阀 是气关式 Kv0 控制器反作用 控制器测量值增加 或者减少 其输出量亦减少 或者增加 Kc0 2020 4 6 过程控制与仪表 41 二 单回路系统设计 六 调节器正 反作用确定2 控制器作用形式的确定 1 确定原则确定原则 过程内部各个环节的静态系数相乘为负 即Kc Km Kv Ko 0计算Kc正反作用形式 2 确定步骤控制器正反形式确定的步骤 根据工艺安全确定执行器 调节阀 的气开 气关形式 从而确定Kv 根据过程特性确定对象的正反形式 确定Ko 根据确定原则确定控制器的正 反作用形式 2020 4 6 过程控制与仪表 42 三 单回路系统整定 系统整定 一般是指选择调节器的比例度 积分时间Ti和微分时间Td的具体数值 系统整定的实质 就是通过改变控制参数 使调节器特性和被控过程特性配合好 以改善系统的动态和静态特性 求得最佳的控制效果 调节器参数整定的方法很多 可分为三类 一是理论计算整定法 二是工程整定法 三是计算机仿真寻优整定法 理论计算整定法由于过分依赖过程的数学模型 而在建立数学模型时忽略了许多次要因素 过程模型的精确度不高 计算所得数据不可靠 而且计算繁琐 工作量很大 因此工程上很少用 工程整定法直接在控制系统中进行 且方法简单 实用 易于掌握 在工程实际中被广泛应用 计算机仿真寻优整定法利用误差积分最优准则 通过计算机仿真以求调