改 过程控制工程及仪表课件(恢复)

1、 教学目的教学目的：掌握过程控制系统：掌握过程控制系统设计内容设计内容、 设计方法设计方法、设计过程设计过程 教学重点教学重点：控制方案的确定、：控制方案的确定、 PID参数整定参数整定 教学难点教学难点：PID参数整定参数整定 本章授课学时本章授课学时：1212 第三章第三章 简单过程控制系统工程设计简单过程控制系统工程设计 第三章第三章 简单过程控制系统工程设计简单过程控制系统工程设计 一个被控过程（调节对象）一个被控过程（调节对象） 一个测量变送器一个测量变送器 一个控制器（调节器）一个控制器（调节器） 一个执行机构（调节阀）一个执行机构（调节阀） 简单过程控制系统简单过程控制系统单回路

2、控制系统单回路控制系统 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页 系统中只有系统中只有 特点：特点： 调节器调节器 Wc(s) 调节阀调节阀 Wv(s) 被控过程被控过程 W0(s) 测量变送器测量变送器 Wm(s) X(s) E(s) Z(s) U(s) Q(s) Y(s) F(s) 图图 3-1 单回路控制系统框图单回路控制系统框图 特点：结构简单、投资少、易于调整和投运特点：结构简单、投资少、易于调整和投运 控制量控制量被制量被制量 适用场合：适用场合： 被控过程被控过程惯性小惯性小、纯滞后小纯滞后小、负荷和扰动变化比较负荷和扰动变化比较 平稳平稳、对控制性能要求不高对控制性

3、能要求不高的场合（的场合（80%以上）。以上）。 第一节第一节 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 本章研究的内容本章研究的内容 第三节第三节 检测、变送器选择检测、变送器选择 第四节第四节 执行器（调节阀）选择执行器（调节阀）选择 第二节第二节 控制方案设计控制方案设计 第五节第五节 控制器（调节器）选择控制器（调节器）选择 第六节第六节 过程计算机控制系统的设计过程计算机控制系统的设计 第七节第七节 过程控制系统的投运和控制器参数整定过程控制系统的投运和控制器参数整定 第八节第八节 单回路控制系统工程设计实例单回路控制系统工程设计实例 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页

4、下一页下一页 第一节第一节 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页 对过程控制系统设计的一般要求对过程控制系统设计的一般要求 过程控制系统设计步骤过程控制系统设计步骤 过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 系统设计中的若干问题系统设计中的若干问题 本章返回本章返回 一、对过程控制系统设计的一般要求一、对过程控制系统设计的一般要求 安全性、稳定性、经济性安全性、稳定性、经济性 安全性：在整个生产过程中，确保安全性：在整个生产过程中，确保人员设备安全人员设备安全，兼，兼 顾环境卫生、生态平衡等顾环境卫生、生态平衡等社会

5、安全性社会安全性要求。要求。 稳定性：在系统参数、工艺条件允许的变化范围内，稳定性：在系统参数、工艺条件允许的变化范围内， 系统在一定的外界扰动下，能系统在一定的外界扰动下，能长期稳定运行长期稳定运行 的能力。的能力。 经济性：提高产品质量、产量的同时，经济性：提高产品质量、产量的同时，降耗节能降耗节能，提，提 高经济效益与社会效益。高经济效益与社会效益。 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本节返回本节返回本章返回本章返回 二、过程控制系统设计步骤二、过程控制系统设计步骤 1、建立被控过程的数学模型、建立被控过程的数学模型 2、选择控制方案、选择控制方案 综合考虑综合考虑安全

6、性安全性、稳定性稳定性、经济性经济性和技术实施的和技术实施的 可行性可行性、简单性简单性，反复比较，选择合理的控制方案；，反复比较，选择合理的控制方案； 3、控制设备选型、控制设备选型 选择合适的选择合适的测量变送器测量变送器、控制器（控制规律）控制器（控制规律）、 执行器（调节阀）执行器（调节阀）； 4、实验（和仿真）、实验（和仿真） 是检验系统设计的是检验系统设计的正确性正确性、性能好坏性能好坏的重要手段。的重要手段。 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本节返回本节返回本章返回本章返回 三、过程控制系统设计的主要内容三、过程控制系统设计的主要内容 方案设计方案设计工程设计

7、工程设计工程安装和仪表调校工程安装和仪表调校 调节器参数整定调节器参数整定 是整个控制工程设计中最重要的一步是整个控制工程设计中最重要的一步 包括仪表（微机）选型、控制室操作包括仪表（微机）选型、控制室操作 台和仪表盘设计、供水供电供气设计、台和仪表盘设计、供水供电供气设计、 信号及联锁保护系统设计等信号及联锁保护系统设计等 保证正常运行的前提保证正常运行的前提 （单校或联校）（单校或联校） 保证系统运行在最佳状态保证系统运行在最佳状态 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本节返回本节返回本章返回本章返回 四、系统设计中的若干问题四、系统设计中的若干问题 1、越限报警与联锁保护

8、、越限报警与联锁保护 关键参数关键参数设置高、低限报警值设置高、低限报警值 联锁保护联锁保护生产出现异常，各设备生产出现异常，各设备按一定次序按一定次序 紧急紧急自动停止自动停止运行运行 2、其它系统安全保护对策、其它系统安全保护对策 采用系统可靠性设计、选用采用系统可靠性设计、选用本质安全防爆本质安全防爆 （防腐、防暴结构材料）的仪器仪表及装置（防腐、防暴结构材料）的仪器仪表及装置 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本节返回本节返回本章返回本章返回 例：加热炉运行中出现严重故障后必须紧急停车例：加热炉运行中出现严重故障后必须紧急停车 停燃油泵、关燃油阀、停引风机、切断热油阀

9、停燃油泵、关燃油阀、停引风机、切断热油阀 燃油燃油 原油原油 热油热油 热油阀热油阀 燃油阀燃油阀 燃油泵燃油泵 引风机引风机 烟气烟气 加热炉加热炉 1 2 3 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本节返回本节返回本章返回本章返回 4 第二节第二节 控制方案设计控制方案设计 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章返回本章返回 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 被控参数的选择被控参数的选择 控制参数的选择控制参数的选择 一、过程控制系统的性能指标一、过程控制系统的性能指标 （一）系统阶跃响应性能指标（一）系统阶跃响应性能指标 1、余差（稳态误差）、

10、余差（稳态误差）C 系统过渡过程终了时系统过渡过程终了时给定值给定值与被控参数与被控参数稳态值稳态值之差。之差。 衡量精度衡量精度 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章返回本章返回本节返回本节返回 控制系统控制系统 给定变化给定变化 输出输出迅速、准确、平稳迅速、准确、平稳 达到达到新值的能力新值的能力 干扰变化干扰变化 输出输出迅速、准确、平稳迅速、准确、平稳 回到回到 (或接近或接近)原值的能原值的能 力力 衡量系统性能好坏应考虑：衡量系统性能好坏应考虑： 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 偏差积分性能指标偏差积分性能指标 1 2 1 21 B B 1 B BB 衰减率

11、：衰减率： 式中式中 B1 第第一一个波的个波的峰值与稳态值峰值与稳态值之差之差 B2 第第二二个波的个波的峰值与稳态值峰值与稳态值之差之差 为保证系统具有足够的稳定程度，为保证系统具有足够的稳定程度， =0.750.9 3、最大偏差、最大偏差A（或超调量（或超调量 ） 最大偏差最大偏差A（对于恒值系统）：（对于恒值系统）： 被控参数第一个波的峰值与给定值的差。被控参数第一个波的峰值与给定值的差。 超调量超调量 （对于随动系统）：（对于随动系统）： 衡量系统相对稳定性衡量系统相对稳定性 %100 )(y )(y)t (y p 2、衰减率、衰减率 衡量系统过渡过程稳定性衡量系统过渡过程稳定性 最

12、大偏差（超调量）表示被控参数偏离给最大偏差（超调量）表示被控参数偏离给 定值的程度，是衡量系统性能的重要指标定值的程度，是衡量系统性能的重要指标 4、过度过程时间、过度过程时间ts 系统从受扰动作用或给定值变化时起，到被控系统从受扰动作用或给定值变化时起，到被控 参数进入新的稳态值的参数进入新的稳态值的 5%或或 2%的范围内所经历的范围内所经历 的时间。的时间。 衡量控制的快速性衡量控制的快速性 注意注意 各性能指标相互矛盾，应根据生产工各性能指标相互矛盾，应根据生产工 艺的具体要求，分清主次、统筹兼顾艺的具体要求，分清主次、统筹兼顾 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章

13、返回本章返回本节返回本节返回 （二）偏差积分性能指标（二）偏差积分性能指标 以以目标函数目标函数形式表示形式表示 偏差绝对值积分（偏差绝对值积分（IAE） dt| ) t (e|J 0 偏差绝对值与时间乘积的积分偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)dt| ) t (e| tJ 0 偏差平方值积分（偏差平方值积分（ISE） 0 2 )( dtteJ 时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分（ITSE）dtte tJ)( 2 0 避免慢避免慢 避免大误差避免大误差 避免大误差避免大误差 避免慢避免慢 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章返回本章返回本节返回本节返回 控制的目的控制

14、的目的 目标函数目标函数 J 最小最小 二、被控参数（或被控变量、被控量）的选择二、被控参数（或被控变量、被控量）的选择 直接参数法直接参数法 ：选择能选择能直接反映直接反映生产过程中产品产量和生产过程中产品产量和 质量，又质量，又易于测量易于测量的参数作为被控参数。的参数作为被控参数。 间接参数法：间接参数法： 能能间接反映间接反映产品产量和质量，又与直接参产品产量和质量，又与直接参 数有数有单值对应关系单值对应关系、易于测量易于测量的参数作为的参数作为 被控参数。被控参数。 （1）选择被控参数的方法）选择被控参数的方法 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章返回本章返回本

15、节返回本节返回 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、 环境保护等具有决定性作用的，可直接测量的工环境保护等具有决定性作用的，可直接测量的工 艺参数为被控参数。艺参数为被控参数。首选直接参数首选直接参数 当不能用直接参数作为被控参数时，应选择一个当不能用直接参数作为被控参数时，应选择一个 与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控 参数。参数。其次间接参数其次间接参数 被控参数必须具有足够高的被控参数必须具有足够高的 灵敏度灵敏度 被控参数的选取，必须考虑工艺过程被控参数的选取，必须考虑工艺过程 合理性

16、合理性 和所用仪表和所用仪表 性能性能 （2）选择被控参数的原则）选择被控参数的原则 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章返回本章返回本节返回本节返回 三、控制参数的选择三、控制参数的选择正确选择控制通道正确选择控制通道 扰动通道扰动通道 单回路系统框图单回路系统框图 W1 (s) W2 (s) F(s) Y(s) + + Q(s) 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章返回本章返回本节返回本节返回 控制通道控制通道 s f f f s 0cc f e 1sT K (s)We 1sT K (s)WK(s)W 0 0 0 X(s) - 调节器与执行器调节器与

17、执行器 Wc (s) 被控被控 参数参数 控制控制 参数参数 扰动扰动 参数参数 扰动通道扰动通道 Wf (s) 控制通道控制通道 W0 (s) )1()1)(1( )1( )()(1 )( )( )( 00 0 0 sTKKsTsT KsT sWsW sW sF sY fcf f c f 扰动通道的传递函数：扰动通道的传递函数： （一）过程静态特性分析（一）过程静态特性分析K0 、Kf 的影响的影响 阶跃扰动作用下系统稳态输出：阶跃扰动作用下系统稳态输出：扰动稳态误差扰动稳态误差 0c f f0cf0 f0 0s 0st ss KK1 K s 1 )1sT(KK)1sT)(1sT( K)1s

18、T( sLim )s(sYLim)t (yLim)(ye Kf 越大越大 误差越大，控制质量下降误差越大，控制质量下降 K0越大越大 误差越小，控制作用愈灵敏，控制效果显著误差越小，控制作用愈灵敏，控制效果显著 K0 Kf 或或 Kc K0 Kf （二）过程动态特性分析（二）过程动态特性分析Tf 、 f 、T0 、 0的的影响影响 1、扰动通道扰动通道动态特性对控制质量的影响动态特性对控制质量的影响Tf 、 f 返回主页返回主页总返回总返回上一页上一页下一页下一页本章返回本章返回本节返回本节返回 扰动通道扰动通道 控制通道控制通道 单回路系统框图单回路系统框图 调节器与执行器调节器与执行器 Wc (s) 控制通道控制通道 W0 (s) 扰动通道扰动通道 Wf (s) X(s) F(s) Y(s) + +- Q(s) 1sT f f K Tf 越大越大 扰动通道惯性越大扰动通道惯性越大 扰动对输出的影响越小扰动对输出的影响越小 控制质量愈好控制质量愈好 无滞后：无滞后： s f e K 1sTf f 有滞后有滞后 )()(1 )( )( )( 0 sWsW esW sF sY c s f f )()( f tyty 扰动通道纯滞后的存在，理论上不影响扰动通道纯滞后的存在，理论上不影响 控制质量，仅使输出