过程控制工程he

1、过程控制系统及工程绪论历经一段时间一般工业生产伴随物质能量变化连续过程(Continuous Process)批量（间歇）过程(Batch Process)离散过程(Discrete Process)流程工业(Flow Manufacturing Industry)离散制造业(Discrete Industry)。 被控对象被控对象控制变量控制变量设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量y反馈量反馈量 z图图12 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u是指被控制的装置或者设备。是指被控制的装置或者设

2、备。施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号的规律运行，一般用符号u 表示。表示。被控变量被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y 表示。表示。偏差信号偏差信号扰动信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e 表示。表示。使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f 表示。表示。 设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量y反

3、馈量反馈量 z图图12 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u设定值（给定值）设定值（给定值）希望系统输出达到的数值，一般用符号希望系统输出达到的数值，一般用符号x 表示。表示。2、控制系统的组成、控制系统的组成定值元件定值元件 控制器控制器 执行元件执行元件用来产生设定值或参考输入。用来产生设定值或参考输入。 或称调节器。通过一定的控制规律给出或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。控制量，送到执行元件。完成功率转换或信号转换，常称为执完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。行机构或者执行器。 设定值设定值x控制器控制器执行器执行器

4、被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量y反馈量反馈量 z图图12 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u测量、变送元件测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。量，并变换成标准信号送到控制器。 比较元件比较元件用以产生偏差信号用以产生偏差信号2、控制系统的组成、控制系统的组成设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量y反馈量反馈量 z图图12 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量

5、控制变量u3 3、 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性稳定性、精确性和快速性 q 稳定性稳定性 控制系统设计的首要条件控制系统设计的首要条件 系统自身的属性系统自身的属性 有界输入，有界输出有界输入，有界输出q 精确性精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。反映系统的被控变量偏离设定值的程度。 q 快速性快速性控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间达到另一个平衡状态的时间 。 单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统 加热电阻丝加热电阻丝 工作过程：工作过程：控制器控制器控制阀控制阀被控被控对象

6、对象测量测量变送变送偏差偏差给定给定 测量测量 液位液位给定量位于系统的输入端，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。 也称为也称为参考输入参考输入量量（信号）。（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使统的输入端，使 之与输入量进行比较，产生之与输入量进行比较，产生偏差偏差（给定信号与返回的输出信号之差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为）信号。输出量的返回过程称为反馈反馈。返回的全部或部分输出信号。返回的全

7、部或部分输出信号称为称为反馈信号反馈信号。 维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好偏差控制：纠正偏差偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统占大多数过程工业中，此类系统占大多数按被控参数分类：按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控制回路常规常规PID控制系统组成控制系统组成 PID控制器 调节阀工艺对象检测仪表给定值偏差被测变量A/DD/A PID控制器：它是各类自动控制系统的核心部分。由于控制对象的不同，以及对系统静、动态特性的要求和应用的控制规则的不

8、同，可以构成各种类型P, PI, PID控制器。 比例（P）控制器：适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。如：中间储罐液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力。 比例积分(PI)控制器：它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。 比例积分(PI)控制器是使用最多、应用最广的控制器。 比例积分微分（PID）控制器：适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，目前应用较多的是温度系统。常规常规PIDPID控制系统控制系统 常规PID（Proportional In

9、tegral Derivative）控制器是过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器，它具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，而且PID调节规律对相当多的工业控制对象，特别是对于线性定常系统的控制非常有效。 即使在现代控制技术飞速发展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。由于计算机的广泛使用，控制器的实现大都有微机实现控制算法。PID控制算法控制算法 PID算法是根据给定值SP与实际输出值PV构成控制偏差e(t)=SP-PV，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：比例作用比例作用 比例部分：由数学表达式Kpe(t)表示，比例

10、系数Kp越大，则过渡过程越快，控制结果的静态偏差也越小;但Kp越大，也越容易产生振荡。因此，比例系数Kp选择必须恰当，才能取得过渡时间少，静差小而又稳定的结果。 积分作用积分作用 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，它的控制作用就会不断增加;只有在偏差e(t)=0时，它的积分才会为一个常数。 可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间Ti对积分的作用影响极大。当Ti较大时，积分作用较弱;这时系统的过渡时间不会产生振荡;但是消除偏差的时间较长。当Ti较小时，则积分作用较强，系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差的时间较短。微分作用微分作用 微分部分的作用由微分时间Td决定;T

11、d越大，它抑制偏差e (t)变化的作用越强;Td越小，它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统的动态过程有很大的作用。PID参数的整定参数的整定 P I D控制器参数整定的实质是，寻找或者选择控制器的三项参数值，使控制器的特性与被控过程的特性得到良好的匹配，从而使控制系统的特性满足期望的目标。 P I D控制器参数整定的方法很多，工程上常用的方法有：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法临界比例度法临界比例度法 临界比例度法：先通过试验得到临界比例度k和临界周期TK，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。 具体做法：先只加纯比例作用，在干扰作用下，从大到小逐渐改变比例度，直到

12、系统产生等幅振荡，这时的比例度叫临界比例度k，振荡周期为临界周期TK，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。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控制作用比例度/% 积分时间/min微分时间/minP2 kPI2.2k0.85TKPID1.7k0.5TK0.125TK衰减曲线法衰减曲线法 衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的。 具体做法：先只加纯比例作用，将控制器比例度放在较大的数值上，在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度s，并从曲线上得出衰减周期TS

13、，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。衰减曲线法法参数计算公式表衰减曲线法法参数计算公式表控制作用比例度/% 积分时间/min微分时间/minPSPI1.2S0. 5TSPID0.8S0.3TS0.1TS经验凑试法经验凑试法 经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，按照规定顺序，对比例度、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。经验数据表经验数据表被控变量特点/%Ti/minTd/min流量对象时间常数小，参数有波动，401000.31温度对象容量滞后

14、较大20603100.53压力对象容量滞后一般30700.43液位对象时间常数范围较大，2080过程控制系统及工程第二章第二章 串级控制系统串级控制系统 TC 分析干扰：分析干扰：情况一，情况一， TCFC串级控制系统：串级控制系统：特点：特点： TCFC温度控制器流量控制器流量控制器控制阀控制阀流量对象流量对象温度对象温度对象温度变送器温度变送器流量变送器流量变送器 流量控制器：流量控制器：“粗调粗调” 温度控制器：温度控制器：“细调细调” 蒸汽流量突然增大蒸汽流量突然增大（一段时间：提馏段温度不变，（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流温度控制器输出不变

15、，流量控制器设定值不变，但流量测量增大量测量增大（流量控制器正偏差，流量控制器输出（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）减小，控制阀关小）蒸汽流量减小，削弱对提馏段蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响）温度的影响） 提馏段温度缓慢上升提馏段温度缓慢上升（温度控制器正偏差，温（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。小。FCFCspsp结论：结论： 温度控制器流量控制器流量控制器控制阀控制阀流量对象流量对象温度对象温

16、度对象温度变送器温度变送器流量变送器流量变送器因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为主对象为“正正”，则主控制器取，则主控制器取“反反”作用，主对象作用，主对象为为“负负”，则主控制器取，则主控制器取“正正”作用作用 例例1 1P48 图图2-7 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气开气开”式式正正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升压力上升正正 变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：

17、主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升出口温度上升正正例例2 2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统FCTC副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气闭气闭”式式负负 正对象，流量对象，阀门开大，正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大流量增大正正 变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加，蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上

18、升提馏段温度上升正正 过程控制系统及工程第三章第三章 比值控制系统比值控制系统 12FFK (a)(a)原理图原理图FCF1F2(b)(b)方块图方块图3.2.1 开环比值控制系统开环比值控制系统控制器控制器控制阀控制阀对象对象F2测量变送测量变送F1本质：整个控制系统处于开环状态，本质：整个控制系统处于开环状态，F2流量根据流量根据F1流量，流量， 按比例系数开闭阀门按比例系数开闭阀门场合：这种方案应用较少场合：这种方案应用较少优点：简单，仪表少优点：简单，仪表少缺点：系统开环，缺点：系统开环，F2波动时比值难以保证波动时比值难以保证3.2.2 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 在开环比值控制系统的基础上，增加了一个在开环比值控制系统的基础上，增加了一个副流量的闭环控制系统副流量的闭环控制系统