控制方案的设计

1、第三章 简单过程控制系统单回路控制系统的工程设计,3.1 过程控制系统设计概述 3.2 控制方案的设计 3.3 控制系统的投运和控制器参数的整定 3.4 单回路系统设计实例,3.2 控制方案的设计,3.2.1 过程控制系统的性能指标 3.2.2 被控参数的选择 3.2.3 控制参数的选择 3.2.4 系统设计中的测量变送问题 3.2.5 执行器的选择 3.2.6 控制器的选择,核心：包括根据生产工艺要求合理选择系统性能指标，合理选择 被控参数，控制参数，控制规律，兼顾被控参数的测量与 变送、执行器的选择等,3.2.1 过程控制系统的性能指标,过程控制系统的工程设计与应用的核心是控制方案的设计,

2、静态：系统不受外来干扰（或扰动量不变），同时给定值不变， 被控参数也不随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况,平衡和静态是暂时的、相对的、有条件的， 不平衡是和动态是普遍的、绝对的、无条件的。 干扰不断产生，控制作用不断克服干扰的影响， 所以自控系统处在运动之中,动态：干扰变化或者给定值变化，稳态遭到破坏，系统各部分的输入输出量都相继发生变化，被控参数也将偏离稳态,评价： 系统经常处于动态过渡过程，评价一个系统的性能，主要看它在受到扰动（或给定值变化）后能否快速、准确、平稳地恢复到原来（或新的）稳态,性能指标： 1）阶跃响应性能指标 2）偏差积分性能指标,一）. 系统阶跃响应性能指标,余差C(

3、静态偏差,余差C,余差C,给定值域稳态值的差值,衰减率,衡量系统过渡过程稳定性的动态指标。取值：0.75-0.9,最大偏差A（超调量,A：第一个波峰与给定值的差,过度过程时间ts,进入新的稳态值+5,二）. 偏差积分性能指标,偏差平方值积分 (ISE,时间乘偏差的平方积分(ITSE,偏差绝对值积分 (IAE,时间乘偏差绝对值的积分 (ITAE,这些值达到最小的系统就是最优的系统,以目标函数形式表示的,抑制大误差,惩罚过渡过程拖得太大,3.2.2 被控参数的选择,一、选择的意义 二、选择的方法 三、实例 四、选择的原则,一、选择的意义,影响正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。只有根据工艺 要

4、求，深入分析工艺过程，才能选择出合适、可测的被控参数,是控制系统方案设计的一个至关重要的问题,适当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件 有很大的作用,若选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过 程检测控制仪表，都不能达到良好的控制效果,二、选择的方法,对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位作为被控变量，这是容易理解的，也无需多加讨论,当选直接参数有困难（信号微弱或者无法进行检测）时采用。 可以选择那些能间接反应产品质量和产量又与直接参数有单值对 应关系的、易于测量的参数作为被控参数,即能直接反应生产过程产品产量和质量，以及安

5、全运行的参数,1).选直接参数,2).选间接参数,三、实例,精馏过程示意图,精馏原理：根据被分离物各组分挥发度 的不同，把混合物分离为组 分较纯的产品,假定：要使塔顶馏出物达到规定的纯 度，那么塔顶馏出物的组分纯 度XD应该作为被控变量，因为 它就是成产工艺的质量指标,但是：对于成分的分析一直以来都比 较困难，或者分析出的结果滞 后比较大,因此：不能直接以XD作为被控变量的进行直接控制，此时，要从 与XD有关的参数中找出合适的变量作为被控变量，进行间接 指标控制,过程控制 第三章,假设：对苯、甲苯二元体系的精馏,精馏过程示意图,根据：化工原理可知，当气液两相 并存时，塔顶易挥发组分的 纯度XD

6、、塔顶温度TD、塔顶 压力P三者之间的关系为,结论：选择TD作为被控变量， 原因是在精馏操作中，往往希望塔压保持一定，如果塔压 波动，塔内原来的气、液平衡关系就会遭到破坏，随之挥发度 就会发生变化，塔处于不良的工作状态；同时，塔压变化，塔 的进料和出料也会相应受到影响，原来的物料平衡会遭到破坏,分析：在TD和P之间只要固定一个，另一个就可以代替组分XD作为 间接指标,选择被控变量时需要考虑到工艺的合理性和国内外仪表的生 产状况,若可行，尽量选择质量指标参数作为被控变量,当不能选择质量指标作被控量时，应当选择一个与产品质量 指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控量,所选的间接指标应当具有足够大

7、的灵敏度，以便反应产品质 量的变化,被控变量选择的原则,3.2.3 控制参数（量）的选择,一、概述 二、过程静态特性的分析 三、过程动态特性的分析 四、选择的一般原则 五、实例讨论,一、概述,被控量确定后，需要选择一个合适的操纵变量（控制量）。 扰动发生后，通过控制量的调整，使被控量迅速地返回到给定 值上，以保持产品质量的不变,控制量一般选系统中可以调整的物料量或能量 系数，最常见的控制量是物料流或能量流， 即流量,在一个控制系统中，可以作为控制量的参数 往往不至一个，所以控制量的选择问题也是 系统设计中一个重要考虑的因素,从过程特性对控制质量的影响入手来讨论 控制量的选择问题,过程静态特性的

8、分析 过程动态特性的分析 根据过程特性选择控制参数的一般原则,二、过程静态特性的分析,假设,被控量Y(S)对扰动F(S)的闭环传递函数为,系统是稳定的，在阶跃扰动作用下，系统 稳态值可应用终值定理求得,分析得,1）静态特性对控制质量好坏有很大影响，这是选择操纵参数的一个重要依据,2）扰动Kf越大，系统稳态误差就越大，降低控制质量，应使Kf越小越好,3）控制通道K0越大，表示控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强,4）确定控制参数时，K0Kf是合理的，当这一条件 不能满足时，可以调节Kc，使KcK0Kf,三、过程动态特性的分析,一).扰动通道动态特性对控制质量的影响,复平面,分析得：（p145-14

9、6,1）Tf的影响：Tf越大，扰动通道容积越大，Tf越多，容积越多，扰动对被控参 数的影响就越小，控制质量越好,2）扰动通道滞后时间f的影响：干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反 应在时间上平移了一段时间，理论上无影响,3）干扰作用位置的影响：在系统设计时，应使扰动作用点位置远离被控量，p146,1,二).控制通道动态特性对控制质量的影响,P147表3-1,分析得,1）时间常数T0的影响,T0太大：使控制作用变弱，控制质量变坏。 T0过小：控制作用增强，但系统容易振荡,控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱,2）.滞后时间的影响（ 0 c,1).纯滞后0的影响较大 控制器的校正作用将要滞

10、后一个时间，从而使超调量增 ，被控参数偏差增大，系统动态指标下降,2).容量滞后c同样会使控制作用不及时，使控制作用下 降，但是c的影响比较缓和，引入微分作用可有效克服,3）T的分布的影响：p149表3-2,四).选择控制参数的一般原则,1.控制变量应该是可控的，即工艺上允许调节的变量,2.控制变量一般应该比其他干扰对被控量的影响更加灵敏,扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)；容量滞后愈大，愈有利于控制,为此，要合理选择控制变量，使控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后时间0越小 越好，0与T0之比

11、应小于1,时间常数匹配：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,3.注意工艺操作的合理性、经济性,五、实例讨论,实例1：氨直冷式薄板冷却系统,组成：液氨贮罐、薄板冷却器,原理：热物料从薄板器的上端 进入、下端流出；液氨 从薄板器的下端进入， 与热物料逆流相遇时被 气化成氨后，从上端抽 出。利用液氨汽化时所 消耗的热量带走热物料 的热量而对其进行冷却,工艺要求：冷却器物料出口 温度保持在恒定 值，对物料流量不作要求,分析：影响T0的因素主要有哪些,热物料的温度T

12、1、热物料的流量F1、液氨的流量F2及气氨的回气压力P,热物料的温度T1：不可控 热物料的流量F1： 液氨的流量F2 ：不适宜 气氨的回气压力P,实验获得的两个通道的放大系数,冷物料温度最大变化范围为0-100 0C 热物料流量最大变化范围为0-50 t/h 压力最大变化范围为0-500 KPa,结论,选择P0为控制变量,T1,F1,F2,P,实例2：牛奶的干燥过程,工作过程：浓缩的溶液由高位槽流 经过滤器，除去凝结块等杂质， 再至干燥器顶部由喷嘴喷出。 空气由鼓风机送至换热器（热蒸 汽加热），热空气与鼓风机送来 的空气混合后，经风管进入干燥 器，从而蒸发乳液中的水分，成 为奶粉，并随湿空气一

13、起送出， 进行分离,工艺要求：对干燥后的产品质量 要求很高，水分含量 不能波动太大，即对 干燥的温度要求严格控制,1.被控参数： 由于产品中水分检测精度不高，根据生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥温度密切相关，因此，选取干燥温度为被控量,过程控制 第三章,影响干燥温度的因素有： 乳液流量f1(t)： 旁路空气流量f2(t)： 热蒸汽流量f3(t,2.控制量的选择,通过实验测得,干燥筒的传函(f1为输入，干燥温度T为输出,换热器的传函1(f2为输入，冷热混合处温度T2为输出,换热器的传函2(f3为输入，冷热混合处温度T2为输出,风管的传函(T2为输入，T为输出,假设调节阀、测量/变送 环节的传

14、函为1,T2,分析,根据被控量T， 三个主要影响因数：f1(t)、f2(t)和f3(t)， 根据示意图，可得到控制对象的方框图,T2,T2,f2,分别以f1、f2和f3为控制变量可以得到三个不同的控制方案,方案 1：控通： 扰道： 2：控通： 扰通： 3：控通： 扰通：1,一阶惯性,e-2s,e-3s,3（8.5,1（2s,2（100,1（3s,1（3s,1（3s,4,1（2s,1（100,5,1（2s,结论：方案,1（3s,若使用Tm较大的测量元件，控制器得到的是一个失真信号， 不能发出正确控制指令，使控制质量下降,3.2.4 系统设计中的测量变送问题,被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映

15、其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据,测量和变送环节的描述,1.测量变送元件时间常数Tm对测量过程的影响,一、测量滞后对控制质量的影响,a)被控量作阶跃变化，z慢慢靠近y，前一段，两者差距较大,b)被控量作递增变化，z一直跟不上y,c)被控量作周期性变化，z要落后y一个相位,Tm越大，以上现象越显著，使测量值与被控量之间产生较大的动态误差,2.测量变送元件纯滞后时间常数m对测量过程的影响,造成测量纯滞后原因： i）工艺原因，安装位置 ii）物理测量：如分析仪表，采样，预处理，分析,对过程的影响 )不能及时反映被控量的变化 和对象控制通道存在滞后一样，会严重影响控制质量,3.信号传输滞后

16、的影响,距离传输产生信号传输滞后,对电信号来说，传输滞后可以忽略 不计,对气动信号来说，传输滞后不能不 加以忽略，因为因为气动管线具有 一定的容量,二、克服测量滞后的几种常用方法,1.选择快速测量元件,Tm110 To (控制通道时常)为宜,克服测量滞后的根本方法,2.正确选择测量元件的安装位置,温度和成分分析的取样装置引起的测量滞后最大,通常，测量元件应选择在最具代表性、响应最灵敏、最迅速的位置安装，尽量减少纯滞后,3.正确使用微分器,微分作用具有“超前”控制作用，可合理使用来克服测量容量滞后,若调整Td，使Td=Tm，Km=1，则,U(S)=Y(S,但若微分作用使用不当，会产生相反结果，导

17、致系统不稳定,4.尽量采用电信号进行传输,电/气转换器,气动继动器（提高信号传输功率）,减少滞后,3.2.5 执行器的选择,一、阀的结构形式的选择：根据工艺生产过程需要单座、双座、高压角型,控制阀在系统设计中考虑： 1）阀结构类型直通单座、双座、蝶阀等 2）阀门的口径正常开度在15%-85% 3）阀的开闭形式气开、气关 4）阀的流量特性对数、直线、快开,二、调节阀口径大小的选择,控制阀的口径大小直接决定其流通能力,1）口径太大,3）阀门的口径Dg、dg必须合理选择，正常工况下，希望调节阀的开度在15%-85%之间,调节阀将经常处于小开度下工作,2）口径太小,调节阀将经常处于大开度下工作，阀的特

18、性也不好,阀的特性会产生畸变，调节不灵敏，容易引起震荡,口径选择应留有一定的余量，以适应增加生产的需要,当系统受到较大扰动时，阀可能运行在全开或者接近全开 的非线性饱和状态，使系统暂时失控,若需要设备增加负荷时，原有口径将不够用，需更换阀或 生产线，不适应生产发展的需要,三、调节阀气开、气关形式的选择,1）首先从生产安全考虑： 供气、供电中断，保证装置和人身设备安全,选择原则,2）从事故状态下减少经济损失考虑： 如控制精馏塔进料的控制阀应选用气开阀，一旦失去气源，发就处于关闭状态，以免造成浪费,3）从介质特点的角度考虑： 如精馏塔塔釜的加热蒸气阀一般选用气开式，一旦阀失去气源立即关闭，以避免蒸

19、汽的浪费,但是，如果塔釜内液体为易凝固、易结晶或易聚合等物料时，蒸汽阀应选择气关式，防止阀失去能源时关闭，蒸汽停止进入而导致塔釜内液体的结晶或凝聚,4）由于工艺要求不一，对同一个阀可能有两种不同的选择结果,1）从防止蒸汽带水会损坏汽轮机叶片 的角度出发,气开式,2）从保护锅炉出发，防止断水导致锅炉爆炸,气关式,3）矛盾：分清主要矛盾和次要矛盾，权衡利弊，按主要矛盾进行选择,四、调节阀流量特性的选择,阀出厂时参数中标注的是理想特性,阀工作时，受多种因素影响（配管），压降不能保持恒定，流量特性发生变化，呈现工作流量特性,选择原则,1.根据过程特性选择,根据控制理论：系统开环放大系数Kc、Kv、Km

20、、Ko乘积为常数时系统衰减比保持不变，常数=0.5，则系统近似4：1衰减,当系统一定时, Kc、 Km 为常数。 当对象特性Ko变化时，可用阀的Kv来补偿其变化，使开环系统放大倍数乘积为一常数，保证衰减比,当过程为线性时，选择直线特性调节阀 非线性时， 对数,2.根据生产负荷选择,3.根据配管情况选择,S=10.6时， 理想与工作特性一致S=0.3-0.5时，应选对数特性,在1的基础上，同时考虑2，3,3.2.6 控制器的选择,一、控制规律的选择 二、控制器正、反作用的选择,一、控制规律的选择,在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节,P

21、ID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一,被控对象、执行器、测量变送器合在一起称为广义对象,在广义对象已经确定不能任意改变的情况下，只能通过控制规律的选择来提高系统的控制质量,1.根据 比值选择控制规律,经验表明,时，选用P或PI控制规律,时，选用PI或PID控制规律,时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求， 应根据具体情况，采用其他控制方式,当已知过程的数学模型，并可用 近似描述时，可根据滞后时间0与时间常数T0之比来选取控制器的控制规律,适用于过程容量滞后较大的场合。 对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微

22、分作用，避免系统的震荡和失控,2.根据根据过程特性选择控制规律,若过程的数学模型比较复杂或无法准确建模时，可以根据不同控制规律适用于不同的过程特性再结合工艺要求来选择,P：克服干扰能力强，控制及时，简单、调整方便 但存在余差,适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大， 扰动幅度较小， 负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。 如贮罐液位、和不太重要的蒸汽压力的控制等,PI：引入积分作用能消除余差,适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大， 工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制,PD：引入了微分，会有“超前”控制作用，能使系统的稳定 性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程， 改善

23、了控制质量,PID：PI作用消除了余差，但是降低了响应速度。 对多容过程，响应过程本身就很缓慢，仅采用PI作用会更缓慢。 加入微分“超前”作用，来补偿容量滞后，提高响应速度,适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合； 温度和成分分析等属于缓慢和多容过程，常采用PID控制,PID控制作用最佳，但并不意味任何情况下采用PID三种作用调节都是最好的,引入I作用消除余差，但降低了系统的响应速度,引入D作用“超前”控制，但对纯滞后无效。且对于滞后 小，干扰频繁的系统尽可能避免微分作用，避免震荡,选择什么样动作规律的调节器与具体的被控对象相匹配，是个复杂的问题,综合考虑对象特性、负荷变化、主要扰动、系统控制指标等具体情况，同时考虑系统的经济性及系统投入运行的方便等,二、控制器正、反作用的选择,1.控制器有正、反作用的原因：保证系统正常运行和安全操作,控制系统运行的必要条件：闭环回路构成负反馈 被控量增加，控制作用使之降低 偏低， 增加,控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有 各自的作用方向,若组合不当，构成正反馈，破坏生产过程的稳定性,系统投运前，必须注意各环节的作用方向，保证系统形成负反馈,2.各环节的正、反作用方向的定义,执行器： 气开式调节阀：正作用， 其静态放大系数Kv取正； 气关式调节阀：反作用， 其静态