化工自动化过程控制系统(第一节)

化工自动化过程控制系统 过程控制简介 现代工业生产过程 随着生产规模的不断扩大 生产过程的强化 对产品质量的严格要求 以及各公司间的激烈竞争 人工操作和一般的控制远远不能满足现代化生产的要求 工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备 它是保证现代企业安全 优化 低耗和高效生产的主要技术手段 自20世纪90年代以来 计算机技术产生了突飞猛进的发展 并以计算机为工具产生了信息技术和网络技术 它在自动化技术领域中产生极大的影响和推动作用 自动化技术发展很快 并获得了惊人的成就 逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统 而自动化的实现工具也由集散控制系统 DCS 发展到了现场总线控制系统 FCS 自动化技术已在工业生产 科学技术和人们生活的各个领域中起到了关键的作用 已成为我国高科技的重要组成部分 在工业生产和国民经济各行业发挥着重要的作用 自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平高低的一个重要标志 过程控制控制涉及工业生产的各个领域 不同的工艺过程控制有不同的要求 但总的归纳起来有三个方面的要求 安全性 经济性和稳定性 生产过程控制的发展 20世纪50年代以前 经典控制理论PID控制规律 实现控制的手段主要是单个传感器 控制器和执行器 20世纪80年代以后 自动化的实现工具也由DCS发展到了现场总线控制系统 人工控制和自动控制 人工控制 在人的直接参与下 使被控量等于给定值反应不及时 可以处理复杂问题自动控制 在没有人的直接参与下 利用控制装置操纵受控对象 使被控量等于给定值反应快 按设定的程序控制 必须有模型 由人工控制向自动控制发展 人工控制 自动控制 化工生产过程控制 化工生产过程控制 大型设备机组控制 一 自动控制的基本方式 开环控制之一 按给定值的操纵 其操纵变量与设定值保持一定的函数关系 当设定值变化时 操纵变量随之变化 开环控制之二 按扰动量进行控制 即所谓前馈控制 如图 在蒸汽加热器中 若负荷为主要干扰 如果使蒸汽流量与冷流体流量保持一定关系 当扰动出现时 操纵变量随之变化 闭环控制系统系统的输出 被控变量 通过测量 变送环节 又返回到系统的输入端 与给定信号比较 以偏差的形式进入控制器 对系统起控制作用 整个系统构成一个封闭的反馈回路 这种控制系统统称为闭环控制系统或反馈控制系统 二 自控系统的组成 2 1过程控制 应用于石油 化工 冶金 机械 电力 轻工 纺织 建材 原子能等工业部门的自动化2 2过程控制系统 自动控制系统的按被控制量分为温度 压力 流量 液位成分 粘度 湿度以及PH值等的控制系统 2 1 1 液位控制系统 图中 检测变送器检测到水位高低 当水位高度与正常给定水位之间出现偏差时 调节器就会立刻根据偏差的大小去控制出水阀 使水位回到给定值上 从而实现水位的自动控制 2 1 2 温度控制系统 它由蒸汽加热器 温度变送器 调节器和蒸汽流量阀组成 控制目标是保持出口温度恒定 当进料流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时 通过温度仪表测得的变化 并将其信号送至调节器与给定值进行比较 调节器根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至调节阀 改变蒸汽量维持出口温度 2 1 3 流量控制系统 它由管路 孔板和差压变送器 流量调节器和流量调节阀 控制目标是保持流量恒定 当管道其他部分阻力发生变化或有其他扰动时 流量将偏离设定值 利用孔板作为检测元件 把孔板上 下游的差压引至差压变送器 将流量差压值转换成电流信号 该信号送至调节器与给定值进行比较 流量控制器根据偏差信号进行运算后将控制信号送至调节阀 改变阀门开度 就改变了流量 使流量维持在设定值上 2 1 4 常用术语 1 被控对象 自动控制系统中 工艺参数需要控制的生产过程 设备或机器 称为被控对象 针对以上三个例子分别是储液罐 换热器 管道 2 被控变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数 称为被控变量 上述个例中的液位 温度 流量 3 操纵变量 受控制器操纵 用以克服干扰的影响 使被控变量保持设定值的物料量或能量 称为操纵变量 上例中的蒸汽 液体等 4 干扰 除操纵变量以外作用于对象并能引起被控变量变化的因素 称为干扰 5 设定值 被控变量的预定值 称为设定值 6 偏差 偏差理论上应该是指被控变量的设定值与实际值之差 但是能够直接获取的是被控变量的测量值 而不是实际值 因此也称为给定值与测量值之差 称为偏差 三 自控系统的分类 按系统的结构特点分类反馈控制系统前馈控制系统前馈 反馈控制系统 按给定值信号的特点分类定值控制系统 将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统随动控制系统 被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统程序控制系统 被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系数 四 过渡过程及其品质指标 1 系统的静态和动态静态 输入不变 调节系统在调节器的自动调节作用下 被调量不再随时间变化的平衡状态动态 被调量随时间变化 系统处于不平衡状态一个运行的系统 时时刻刻都有扰动作用于对象 使被调量偏离设定值 2 过渡过程基本形式 发散振荡 等幅振荡 衰减振荡1 衰减振荡2 单调过程 无振荡过程 3 品质指标余差 e 系统过渡过程终了时给定值与被控参数所达到的新的稳定值之差最大偏差 A 过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值 衰减比 n 过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比过渡过程时间 ts 系统过渡过程曲线进入新的稳定值的5 或2 范围内所需的时间峰值时间 tp 系统过渡过程曲线到达第一个峰值所需的时间 反映系统响应的灵敏程度 衰减振荡的品质指标 对控制系统的性能要求 稳 动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力准 系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后重新恢复平衡后 最终保持的精度 反映了动态后期的性能快 动态过程进行的时间长短 过程时间持续很长 将使系统长时间出现大偏差 同时也说明系统响应很迟钝 难以复现快速变化的信号 五 单回路控制系统整定 调节器参数的整定 就是在一个已经调校好的控制系统中 去选择和设置合适的调节器的比例度 积分时间和微分时间 使调节器与过程的特性相适应 来改善系统的静态和动态特性 获取最佳控制效果 系统整定方法 临界比例度法具体整定方法 在闭环的控制系统中 将调节器的Ti置最大 Td置零 系统处于纯比例作用之下 在干扰的作用下 从大到小改变调节器的比例度 直到系统产生等幅振荡 根据临界过程参数 即临界比例度 k和临界振荡周期Tk 按经验公式计算出调节器的各个参数值 Ti Td 将比例度调在比计算值略大一点 积分时间和微分时间分别置于计算值上 观察过渡过程曲线逐渐将比例度降至计算值 适当调整和修改Ti和Td 直至获得满意的过渡过程曲线为止 临界比例度法参数计算公式表 衰减曲线法具体整定方法 在闭环控制系统中 将调节器的Ti置最大 Td置零 使系统处于纯比例作用下 比例度放大较大的数值上 待系统稳定用改变设定值的办法加入阶跃扰动 观察记录曲线的衰减比 然后从大到小改变比例度直到出现4 1衰减比为止 记下此时的比例度 s 并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts 根据 s Ts 按经验公式计算出调节器的各个参数值 s Ts Ti Td 将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上 Ti Td分别置于计算值上 观察过渡过程曲线 逐渐将比例度降至计算值上 直至过渡过程曲线满意为止 4 1衰减曲线法调节器参数计算表 经验法认为比例作用是基本作用 采用先比例 后积分微分的顺序闭合运行的控制系统中 将调节器的Ti置最大 Td置零 取经验数据 改变设定值加入扰动 观察记录曲线 若超调量大且趋于非周期 应减小比例度 若振荡过于剧烈 则应加大比例度 使系统达到4 1衰减振荡的过渡过程为止 在积分作用之前 需将已凑试好的比例度加大10 20 然后再将积分时间Ti由大到小进行凑试 若曲线回复时间很长 应减小Ti 若曲线波动较大则应增大Ti 直到系统达到4 1衰减振荡的过渡过程为止若系统需加入微分作用 应取得比纯比例作用时更小些 Ti也应减小些 一般先取Td 1 3 1 4 Ti 将微分时间Td由小到大凑试 若曲线超调量大而衰减慢 应增大Td 若曲线振荡厉害则应减小Td 同时观察曲线 适当调整Ti 以使过渡时间短 超调量小 控制质量达到工艺要求为止 调节器参数的经验值 调节器参数 控制规律 经验整定法的关键是 看曲线 调参数一般情况下 调节器的比例度过小 或积分时间过短 或微分时间过长 都会产生周期性的剧烈振荡 甚至等幅振荡如果比例度过大或积分时间过长 都会使过渡过程变化缓慢 不能较快达到稳定状态整定过程过程中 除调