化工自动化过程控制系统(第一节)

1、化工自动化过程控制系统化工自动化过程控制系统F现代工业生产过程，随着生产规模的不现代工业生产过程，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，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。效生产的主要技术手段。F自自 20 世纪世纪 90

2、年代以来，计算机技术产生了年代以来，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。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发展到了现场总线控制系统 （FCS)。 F自

3、动化技术已在工业生产、科学技术和人们生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成为衡量各行各业现代化水平高低的一个重要标志。标志。F过程控制控制涉及工业生产的各个领域，不同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、

4、经济性和稳定来有三个方面的要求：安全性、经济性和稳定性性 。生产过程控制的发展20 世纪世纪 50 年代以前年代以前 经典控制理论经典控制理论PID控制规律控制规律 实现控制的手段主要是单个实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器传感器、控制器和执行器。20 世纪世纪 80 年代以后年代以后 自动化的实现工具也由自动化的实现工具也由 DCS 发展到了现场总线控制系统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和自动控制F人工控制：在人的直接参与下，使被控人工控制：在人的直接参与下，使被控量等于给定值量等于给定值 反应不及时，可以处理复杂问题反应不及时，可以处理复杂问题F自动控制：

5、在没有人的直接参与下，利自动控制：在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值于给定值 反应快，按设定的程序控制，必须有模型反应快，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一、自动控制的基本方式F开环控制之一：按给定值的操纵，其操纵变量开环控制之一：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。时，操纵变量随之变化。控制装置设定值按设定值控制的开环系统开环控制之

6、二：按扰动量进行控制，即所谓前馈控开环控制之二：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，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，操纵变量随之变化动出现时，操纵变量随之变化控制装置按扰动而控制的开环系统闭环控制系统闭环控制系统 系统的输出（被控变系统的输出（被控变量）通过测量、变送环量）通过测量、变送环节，又返回到系统的输节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入控制以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用，器，对系统起控制

7、作用，整个系统构成一个封闭整个系统构成一个封闭的反馈回路，这种控制的反馈回路，这种控制系统统称为闭环控制系系统统称为闭环控制系统或反馈控制系统。统或反馈控制系统。闭环控制系统TTTC给定值二、自控系统的组成二、自控系统的组成F2.1过程控制：过程控制：应用于石油、化工、冶金、应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门的自动化能等工业部门的自动化F2.2过程控制系统：过程控制系统：自动控制系统的按被自动控制系统的按被控制量分为温度、压力、流量、液位成控制量分为温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及分、粘度、湿度以及PH值等的控制系

8、统值等的控制系统2.1.1、液位控制系统、液位控制系统F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。LTLC给定值2.1.2、温度控制系统温度控制系统F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。进料蒸汽TTTC给定值蒸汽加热器温度控制系统2.1.3、流量控

9、制系统流量控制系统F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。FC流量控制系统2.1.4、常用术语、常用术语F1、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。F2、被控变量：被控对象内要求保持设定数值的

10、工艺参数，称为被控变量。上述个例中的液位、温度、流量。F3、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。F4、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。F5、设定 值：被控变量的预定值，称为设定值。F6、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、自控系统的分类三、自控系统的分类F按系统的结构特点分类按系统的结构特点分类 反馈控制系统反馈控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 前馈反馈控制系统前

11、馈反馈控制系统F按给定值信号的特点分类按给定值信号的特点分类定值控制系统：定值控制系统：将被控制量保持在某一定值或将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统很小的范围中的控制系统随动控制系统：随动控制系统：被控量的给定值随时间任意地被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统变化的控制系统程序控制系统：程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系数程序而变化的控制系数四、过渡过程及其品质指标F1、系统的静态和动态系统的静态和动态静态：静态：输入不变，调节系统在调节器的输入不变，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自动调节作用下，被调量不

12、再随时间变化的平衡状态化的平衡状态 动态：动态：被调量随时间变化，系统处于不被调量随时间变化，系统处于不平衡状态平衡状态 一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作用于对象，使被调量偏离设定值用于对象，使被调量偏离设定值2 2、过渡过程基本形式、过渡过程基本形式F发散振荡发散振荡012340 .00 .51 .01 .52 .0tF等幅振荡等幅振荡024681 01 21 41 60 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 21 . 41 . 61 . 82 . 0 h(t)t F 1F衰减振荡衰减振荡1051 01 52 02 50 .00

13、.20 .40 .60 .81 .01 .21 .41 .6 h(t)t最大偏差给定值余差tpts051 00 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 21 . 41 . 61 . 82 . 0 h(t)tF衰减振荡衰减振荡2F（单调过程）无振荡过程（单调过程）无振荡过程024681 01 20 .00 .20 .40 .60 .81 .0 h(t)tF3 3、品质指标、品质指标F余差余差（e） ：系统过渡过程终了时给定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值与被控参数所达到的新的稳定值之差F 最大偏差最大偏差（A）：过渡过程中被控变量）：过渡过程中被

14、控变量偏离设定值的最大数值偏离设定值的最大数值F衰减比衰减比（n）：过渡过程曲线上同方向第一个）：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波的峰值与第二个波的峰值之比F过渡过程时间过渡过程时间（ts）：系统过渡过程曲线进入）：系统过渡过程曲线进入新的稳定值的新的稳定值的5%或或2%范围内所需的时间范围内所需的时间F峰值时间峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一）：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衰减振荡的品质指标051 01 52 02 50 .00 .20 .40 .60 .81 .0

15、1 .21 .41 .6 h(t)t给定值tpts余差2%或5%对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求F稳：稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡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工作状态的能力F准：准：系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受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，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反映了动态后期的性能F快：快：动态过程进行的时间长短，过程时间持续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

16、复现快速变化的信号明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的信号五、单回路控制系统整定五、单回路控制系统整定F调节器参数的整定：调节器参数的整定：就是在一个已经调就是在一个已经调校好的控制系统中，去选择和设置合适校好的控制系统中，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，获取最佳改善系统的静态和动态特性，获取最佳控制效果控制效果系统整定方法：系统整定方法：F临界比例度法 F具体整定方法：具体整定方法： 在闭环的控制系统中，将调节器的在闭环的控制系统中，将调节器的Ti

17、置最大，置最大，Td置零，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，变调节器的比例度，直到系统产生等幅振荡， 根据临界根据临界过程参数过程参数(即临界比例度即临界比例度k和临界振荡周期和临界振荡周期Tk)，按经验公，按经验公式计算出调节器的各个参数值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，将比例度调在比计算值略大一点， 积分时间和微分时间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

18、修改逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修改Ti和和Td，直至，直至获得满意的过渡过程曲线为止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临界比例度法参数计算公式表/%T1（分）（分）TD（分）（分）比例比例2 k比例比例+积分积分2.2 k0.85Tk比例比例+微分微分1.8 k0.1Tk比例比例+积分积分+微分微分1.7 k0.5Tk0.125TkF衰减曲线法衰减曲线法F具体整定方法：具体整定方法： 在闭环控制系统中，将调节器的在闭环控制系统中，将调节器的Ti置最大、置最大、Td置零，置零， 使系使系统处于纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳统处于纯比例作用下，比例度放大较

19、大的数值上，待系统稳定定 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，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然后从大到小改变比例度 直到出现直到出现4:1衰减比为止，记下此衰减比为止，记下此时的比例度时的比例度s，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts ，根据根据s、Ts，按经验公式计算出调节器的各个参数值，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，将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上，Ti、Td分别分别置于计算值上，置于计算值上， 观察过渡过程曲线

20、，逐渐将比例度降至计观察过渡过程曲线，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衰减曲线法调节器参数计算表/%T1（分）（分）TD（分）（分）比例比例 s比例比例+积分积分1.2 s0.5Ts比例比例+积分积分+微分微分0.8 s0.5Ts0.3TsF经验法经验法 认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微分的顺序分的顺序 u闭合运行的控制系统中，将调节器的闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、置最大、Td置零、置零、取经验数据，改变设定值加入扰动，取经验数据，改变设定值

21、加入扰动，观察记录曲线，若超调量大且趋于非周期，应减观察记录曲线，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，小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，使系统达到使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程为止衰减振荡的过渡过程为止u在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大10-20%，然后再将积分时间然后再将积分时间T i由大到小进行凑试，若曲线回复时由大到小进行凑试，若曲线回复时间很长，应减小间很长，应减小Ti；若曲线波动较大则应增大；若曲线波动较大则应增大Ti，直到系，直到系统达到统达到4:1 衰减振荡的过渡过程为止衰减振荡的过渡过程为止 u若系统需加入微分作用，若系统需加入微分作用，应取得比纯比例作用时更小些，应取得比纯比例作用时更小些，Ti也应减小些，一般先取也应减小些，一般先取Td=(1/31/4)Ti，将微分时间，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若曲线振荡厉害则应减小Td，同时观察曲线，适当调整，同时观察曲线，适当调整Ti、，以使过渡时间短