简单过程控制系统--单回路控制系统的工程设计ppt课件

第三章简单过程控制系统单回路控制系统的工程设计；过程控制系统工程设计概述控制方案设计试验，变送器选择执行机构(调节器)选择控制器(调节器)选择过程计算机控制系统过程控制系统操作和控制器参数设计全阶回路控制系统实例，2。单回路过程控制系统也称为单回路调节系统。简称为单回路系统，它通常是指向受控过程(调节对象)的指针，测量变送器用于监控受控过程，控制(调节)装置用于保持受控参数恒定(或在小范围内变化)，其输出也仅控制一个致动器(调节阀)。单回路控制系统。3、特点：结构简单，投资少，易于调整和操作，特别适用于被控过程纯滞后和惯性小，负载和扰动变化相对平缓，或者对被控变量要求不高的场合，占目前工业控制系统的80%以上。其分析和设计方法是其他复杂过程控制系统分析和设计的基础。第一节过程控制系统工程设计概述过程控制系统应进行分析、设计和应用：首先，应全面了解受控过程，并对过程和设备进行深入分析。然后，应用自动控制的原理和技术，制定合理、正确的控制方案，选择合适的检测变送器、控制器(调节器)和执行器，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降低消耗和能耗、保护环境和提高管理水平的目的。本节介绍过程控制系统设计中的一些常见原则。过程控制系统设计安全的一般要求：最重要和最基本的要求。一般采用参数超限报警、事故报警、联锁保护等措施来保证安全。稳定性：绝对稳定性、稳定裕度、良好的动态响应特性(过渡时间短、稳态误差小等)。)。经济性：在提高产品质量和产量的同时，降低消耗，节约能源，提高经济效益和社会效益。采用先进的控制方法优化控制。在工程中，上述要求经常是矛盾的。因此，在设计中，应根据实际情况给予优先考虑，以确保满足最重要的质量和指标要求，并留有余地。过程控制系统的质量由系统的结构和每个环节的特性决定。因此，对于过程控制系统的设计人员来说，除了掌握自动控制理论、计算机、仪器仪表等知识外，还应该非常熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解其静态和动态特性，能够根据不同的受控过程和不同的生产过程控制要求设计不同的控制系统。例如，热交换过程：过程特性复杂，时间延迟是明显的液位过程：时间常数从大到小变化燃烧过程：燃料变化(煤、油、气等)。)。7，2，过程控制系统的设计步骤，过程控制系统的设计，从任务演示到系统操作，是一个从理论设计到实践，然后从实践到理论设计的重复过程，经常多次使用启发式和综合方法，并使用计算机进行模拟和模拟。1.建立受控过程的数学模型。只有掌握(深刻理解)过程的数学模型，我们才能深入分析过程的特性，选择正确的控制方案。2.根据设计任务和技术指标要求选择控制方案。经过调查研究，综合考虑技术实施的安全性、稳定性、经济性、可行性和简便性，反复比较，选择合理的控制方案。工艺方案初步确定后，利用控制理论和计算机辅助分析对系统进行静态和动态稳定性分析计算，以确定系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足系统的质量指标要求。3.控制设备的选择控制方案设计：系统设计的核心。如果控制方案设计不正确，无论选用哪种先进的过程控制仪表或计算机系统，安装得多仔细，都不可能在工业生产过程中发挥好作用，甚至系统无法运行。工程设计：包括仪表或计算机系统选择、控制室控制台和仪表板设计、供电和供气系统设计、信号和联锁保护系统设计等。工程安装和仪表调整调节器参数设置，3。工艺系统设计的主要内容。4.系统设计中的一些问题，1 .超限报警及联锁保护实例：加热炉热油出口设定温度为300，工艺要求其高低限值分别为305和295。例如，当加热炉因严重故障而必须紧急停止运行时，应立即停止燃油泵，然后关闭燃油阀，一段时间后，应停止引风机，最后关闭热油阀。2.其他系统安全保护对策在危险环境条件下(如高温、高压、易燃、易爆、强腐蚀等)。)，还必须采取相应的安全防护对策，如采用系统可靠性设计、选用本质安全型和防爆型(防腐、防爆结构材料)仪器设备等。第2节控制方案设计，单回路系统(图3-1)控制方案设计包括：合理选择系统性能指标，合理选择控制参数Y(s)和控制参数Q(s)，合理设计(选择)控制(调节)规则Wc(s)，测量控制参数和选择变速器Wm(s)，执行器(调节阀)Wv(s)，12。受控过程总是不时受到各种外部干扰的影响。也就是说，系统通常处于动态过渡过程中。因此，过程控制系统的性能和质量的评估主要取决于它在受到外部干扰或给定值变化的影响后，是否能快速、准确和稳定地(而不是剧烈振荡)返回(或接近)到原始(或新的)给定值。(1)系统阶跃响应性能指数1。剩余差值(静态偏差)C(静态指数)是指系统过渡过程结束时给定值和稳定值之间的差值。一般来说，要求残差为零或不大于预定值。(1)过程控制系统的性能指标。13，14，2)衰减率:(动态指标)反映系统的稳定程度，应根据生产过程的特点确定合适的值，一般为0.750.9。(衰减比4:1 10:1) 3。最大偏差A(或超调)定值系统的最大偏差是指受控参数的第一波峰值与给定值之间的差值；随动系统通常使用超调指数，即4。过渡过程时间ts是指从系统受到干扰的时间到受控参数进入5%(2%)的新稳定值范围的时间。(快速指数)。嘿。15.上述所有性能指标相互矛盾。根据工艺生产的具体要求，应区分主次，统筹考虑。(2)离差积分性能指标以目标函数的形式表示，属于综合指标。1.偏差的绝对值积分(IAE -积分绝对误差)适用于衰减和无静态差的系统。2.绝对偏差值和时间乘积的积分(ITAE)。16，3。偏差平方值的积分(ISE) 4。不同的时间乘以偏差平方积分(ITSE)的积分性能指标对动态过渡过程有不同的要求。例如，ISE侧重于抑制过渡过程中的大误差，而ITAE和ITSE侧重于惩罚过渡过程的延迟，这在优化分析和设计中被广泛使用。ITSE考虑到了压制过程中的巨大误差。对于一个生产过程来说，有许多因素会影响操作，但并不是所有的因素都需要控制。但是，根据工艺要求，必须对工艺过程进行深入分析，找出对磷的产量和质量有决定性影响的参数例如，精馏塔：塔顶馏出物(或塔底残液)的浓度应被选为受控参数，因为它最直接地反映了产品质量。然而，目前仍然难以测量组成，因此通常使用塔顶(或塔底)的温度代替浓度作为控制参数。注：间接参数必须与直接参数有单值函数关系，必须有足够的灵敏度，还应考虑过程的合理性。直接参数或间接参数的选择并不是唯一的选择(更不要说任意选择)。只有通过对过程特性的深入分析，才能做出正确的选择。选择受控参数的一般原则1)选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性的可直接测量的工艺参数作为受控参数。2)当不能使用直接参数时，应选择与直接参数有单值函数关系的参数作为控制参数。3)必须具有足够高的灵敏度。4)必须考虑工艺过程的合理性和所用仪器的性能。控制参数的选择(控制变量)。在一些生产过程中，控制参数的选择是显而易见的(仅是确定的)。例如，在锅炉水位控制系统中，只能为供水选择控制参数。然而，在一些生产过程中，可能有几个控制参数可供选择，这需要通过分析和比较不同控制通道和不同干扰通道对控制质量的影响来进行合理选择。因此，控制参数的正确选择就是控制通道的正确选择。从过程特性对控制质量的影响，可以讨论选择控制参数的一般原则。过程静态特性的分析建立了如图3-4a所示的单回路控制系统。Wc(s)是控制器和执行器之间的传递函数。Wo是控制信道的传递函数；Wf(s)是扰动通道的传递函数。此外，假设被控变量Y(s)对扰动F(s)的闭环传递函数是单位阶跃扰动，系统的稳态值可由最终值定理得到。可以看出，扰动通道的静态放大系数Kf越大，系统的稳态误差越大。控制信道的静态放大因子Ko越大，控制效果越敏感，克服干扰的能力越强，控制效果越显著。因此，在确定控制参数时，Ko应大于Kf。当不能满足这一要求时，可以调整Kc进行补偿，使KcKo比Kf大得多。(2)过程动态特性分析1。干扰信道动态特性对控制质量的影响(1)干扰信道时间常数Tf的影响图3-4所示的单回路控制系统：在系统特性方程中增加了一个极点(-1/Tf)。25，如图3-5所示。随着时间常数Tf的增加，磁极A将接近jw轴，因此过渡时间将延长(效果将是平缓的)。当过渡过程乘以1/Tf(见公式(3-11)时，整个过渡过程的幅度减少了Tf倍，因此过冲随着Tf的增加而减小。因为Wf(s)是惯性环节，所以它过滤干扰f(s)并抑制干扰对受控参数的影响。因此，扰动通道的时间常数Tf越大，体积越大，扰动对被控参数的影响越小，控制质量越好。干扰信道的时间延迟(纯滞后)f的影响如图3-6所示。当扰动通道具有纯滞后时，系统对扰动的闭环传递函数是基于拉普拉斯变换的平移定理。可以得出，在单位阶跃扰动作用下，图3-4和3-6的系统中受控变量的时间响应y(t)和y(t)之间的关系是y (t)=y (t-)。27岁。可以看出，当扰动通道具有纯时滞时，理论上控制质量不受影响，只有被控参数受到干扰(3)扰动作用点的位置，扰动对被控参数的影响随扰动作用点的位置而变化，28，图3-7扰动引入系统的位置对受控参数的影响。29，2。控制通道动态特性对控制系统的影响将控制系统的临界放大系数设为Kmax，临界振荡频率设为c，Kmax和c以及Kmaxc在一定程度上代表了被控过程的控制性能(Kmax越大，可选放大系数k越大，系统稳态误差越小；c越大，可选择的系统工作频率越大，转换过程越快)，这为研究控制信道的动态特性(即时间常数和时间延迟)对系统控制质量的影响提供了便利。从表3-1可以看出，控制通道中的大时间常数、高阶和纯延迟会降低过程的Kmax和c值，从而降低控制性能。可以看出，应该选择具有小时间常数和小纯滞后的信道作为控制信道。(1)时间常数T0对控制信道时间常数T0的大小的影响反映了控制动作的强度和控制器的校正动作克服干扰对受控参数的影响的速度。如果T0太大，控制效果太弱，被控参数变化缓慢，控制不及时，系统过渡过程耗时长，控制质量下降。如果T0太小，虽然控制功能强，但控制及时，扰动影响克服快，过渡过程时间短，容易造成系统振荡，降低系统稳定性，不能保证控制质量。因此，在系统设计中，要求控制信道时间常数T0应该适当地更小，以便及时校正它并获得更好的控制质量。(2)控制信道的时滞包括纯滞后o和容量滞后 c，它们对控制质量有不利影响，尤其是o影响最大。无纯滞后系统的开环传递函数：有纯滞后系统的开环传递函数：33岁。由于0，相位角延迟将增加0弧度(图3-9)。从图中可以看出，当o0时，随着KcKo的增加，有可能包围(-1，j0)点。o值越大，这种可能性就越大。可以看出，纯滞后o的存在会降低系统的稳定性。当控制通道中存在纯延迟时，控制器的校正效果将滞后一个时间o，从而增加超调，增加受控参数的最大偏差，并导致系统的动态指标下降。34、控制信道容量延迟c也会导致控制功能不及时，使控制质量下降。然而，c的影响比纯滞后 o的影响更为温和。此外，如果引入微分作用，对于克服c对控制质量的影响具有显著的效果。(3)时间常数分布的影响如系统的开环传递函数所示(图3-1):其中t1=10s，T2=5s，T3=2s。如果一次改变一个或两个时间常数，可以获得一组Kmax、c和Kmaxc值，如表3-2所示。从表3-2可以看出，还原过程中的最大时间常数T1反而会导致控制质量下降。相反，增加最大时间常数T1，虽然c略有下降，但Kmax增加，这有助于改善控制指标。然而，降低T2或T3可以提高控制性能指数。如果T2和T3同时降低，提高性能指标的效果更好。因此，在选择控制通道、调节阀、测量变送器和设计控制(调节)装置时，开环传递函数(包括控制器、调节阀、被控过程和测量变送器)中几个时间常数的值错开，以减小中间时间常数，从而提高系统的工作频率，减少过渡过程时间和最大偏差，提高控制质量。在实际生产过程中，如果过程本身有多个时间常数，最大时间常数往往涉及生产设备的核心，不容易改变，但减少第二和第三时间常数更容易。(3)根据过程特性选择控制