过程控制工程课设置的目的和任务

1、绪论过程控制工程课设置的目的和任务Process control （过程控制）课，是培养从事过程控制系统的方案设计，及其在工程上 予以实施的能力。控制方案的形成有两个来源：一是来自控制原理的进展，讨论的核心问题是在保证系统 稳定的基础上，如何提高系统的品质；而另一来源是为了满足工艺的特殊要求而开发出来的 控制方案。本课的基础涉及到化工原理、控制原理和仪表计算机技术等学科知识。过程控制的发展简史硬件第一阶段：30-40年代，基地式仪表，就地控制第二阶段：40-50年代，电气动单元组合仪表，车间、工段或全厂集中控制 第三阶段：60年代后，由于计算机的出现，全厂性、企管性控制过程控制手段40年代初：

2、“黑箱子”时期50年代末：“灰箱子”时期，用反馈控制理论于生产过程50年代初、中：对生产过程的模型的建立导致化工动态学的发展用实验方法 来探讨模型、系统辩识60年代：现代控制理论发展，我国75年后计算机控制较普遍，发展快过程控制设计从局部的设计到总体的设计，从单回路到多回路再到大系统从定值控制到浮动控制事故出现硬停车到软保护控制从离散控制（模拟仪表）到计算机控制学习方法及基本要求本课程上本专业的一门只要专业课，要求学生能综合运用所学的基础课、专业基础课及 其他专业课知识，进一步掌握过程控制工程理论和实践知识，培养学生具有解决过程控制 系统的分析、设计及投运的能力。本课程包括课堂教训、实验教学、

3、课程设计、生产实习四个环节。学习本课程应注意自 己的工程实际能力的培养。参考文献1、化工过程控制工程祝和运（浙江大学）化学工业出版社2、过程控制系统及工程翁维勤化学工业出版社3、过程控制工程庄兴稼华中理工大学出版社4、过程控制系统F.Gshinskeg方崇智译化工出版社5、化工过程控制理论与工程stephanopoluos G关惕华译化学工业出版社六、学时安排课堂教学40学时；实验教学8学时。总计48学时第1章 简单控制系统简单控制系统是指单回路控制系统，是最基本、结构最简单的一种，具有相当广泛的适 应性。在计算机控制已占主流地位的今天，这类控制仍占控制70以上。简单控制系统虽然结构简单，却能

4、解决生产过程中的大量控制问题，同时也是复杂控 制系统的基础。掌握了单回路系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究 提供很大的方便。11 简单控制系统结构组成及控制指标简单控制系统结构组成简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）、测量变送装置、控制器 和控制阀。有时为了分析问题方便起见，把控制阀、被控对象和测量变送装置和在一起， 称为广义对象。如图1.1-1所示的水槽，控制要求是维持水槽液位L不变。为了控制液位，选择相应 的变送器、控制器和控制阀，组成液位控制系统（即简单控制系统）。图1.1-1 液位控制系统对于图1.1-1所示的液位控制系统可以画出它的方块图，如图1.

5、1-2所示液位控制系统的工作过程：在平衡状态下（Q,= Q 0， 如果输入流量端存有干扰/，使输入总流量（Qt + f） 增大，于是液位L上升，随着的L上升，控制器将感 受到偏差（给定与测量的比较值），从而控制器输出将 控制阀关小，使输入流量Q,减小，液位L将下降回到 给定值，达到新的平衡。图1.1-2 液位控制系统方框图从以上的液位控制系统工作过程可看出：在该系统中存在着一条从系统输出端引向输 入端的反馈线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进 行控制的。控制作用是纠正偏差的，所以负反馈是简单控制系统的一个特点。简单控制系统根据其被控变量的不同，可以分为温度控制系

6、统、压力控制系统、流量 控制系统、液位控制系统等。虽然这些控制系统名称不同，但是它们都具有相同的方块图 和结构组成。由于此类控制系统从组成方块图上看，由一个测量变送装置、一个控制器、 一个控制阀和相应的被控对象组成，并组成一个负反馈回路，因此简单控制系统也常称为 单回路控制系统。简单控制系统的控制指标对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该 平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方 面提出各种单项控制指标，把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。1.控制系统过渡过程单项指标控制系统按其输入方式不同可分为随动系统与定值系统，

7、随动系统与定值系统控制要 求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系统同样必须稳定，但定值系统的衰减比可以 低一些，随动系统的衰减比应该更高一些，随动系统的重点在于跟踪，要跟得稳、跟得快、 跟得准；定值系统的关键在一个定字，要定得又稳又快又准。主要时域指标包括衰减比、超调量（最大偏差）、余差、调节时间和振荡频率。这些指 标可从控制系统的过渡过程曲线上求取。图1.1-3单位阶跃响应曲线1）衰减比n在欠阻尼振荡中，两个相邻的同方向幅值之比称为衰减比，前一幅值作为分子，后一 幅值作为分母。如图1.1-3中的B./B。衰减比n是衡量稳定性的指标，n 4TT111212可等效为两个不相互影响的容积。2TT

8、12则P12为两个不同的实根，表明两个相互影响的容积 不过是时间常数需校正，过程总是呈过阻尼状态2）假定两个储槽具有相同的时间常数（T1=T2 =T），P- (2T + AR ) + J( A 2 R 2 + 4TAR )=1_2f 1 211 k1 时，,一 ,一 k结论：当k T 0，传递函数存在正 k T 一 k实部零点的过程属于非最小相位过程，较难控制，应考虑特殊方法(如后面讲多冲量控制系 统)。1.2.5 不稳定过程工业过程中，还存在具有不稳定特性的过程，主要在化学反应中，如吸热反应的反应温度T是稳定的，反应器内部存在负反馈。当T受干扰增大时， 吸热量Q也相应增大，从而使反应温度T减

9、小，恢复到给定值; 而对于放热反应的反应温度T的变化，由于反应器内部存在正 反馈因而反应温度是不稳定的。当T受干扰增大时，放热量Q 也相应增大，从而使反应温度T更大，从而不能恢复到给定值。G Q)=3为开环不稳定系统。图1.2-9 不稳定过程的阶跃响应曲线被控变量与操纵变量的选择被控变量的选择被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的 稳定操作,产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不 当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足 不了生产的控制要求。为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究

10、，只有在熟 悉生产工艺的基础上才能正确的选择出被控变量。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，这是很容易理解的，也无需多加讨论。质量指标是产品质量的直接反映，因此，选择质量指标作为被控变量应是首先要进行 考虑的。采用质量指标作为被控变量，必然要设计到产品成分或物性参数(如密度，粘度等) 的测量问题，这就需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。有关成分和物理参数的测 量问题，目前国内外尚未得到很好的解决。一来因为产品品种类型很不齐全，致使有些成 分或物性参数目前尚无法实现在线测量和变送；二来这些仪表，特别是成分分析仪表具有较严重的测量滞后，

11、不能及时地反映产品质量变化的情况。当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接的指标作 为被控变量。但是必须注意，所选用的间接指标必须与直接指标有单值的对应关系，并且 还需具有一定变化灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。以苯、甲苯二元系统的精馏为例。在气、液两相并存时， 塔顶易挥发组分的浓度XD、温度和压力P三者之间有着如下 函数关系：XD = f （Td , P）（1.3-1）为被控变量，组成相应的控制系统。图1.3-1简单精馏过程示意图这里xD是直接反映塔顶产品纯度的，是直接的质量指标。 如果成分分析仪表可以解决，那么，就可以选择塔顶易挥发组分

12、的浓度XD作为被控变量，组成成分控制系统。如果成分分析仪 表不好解决，或因成分测量滞后太大，控制效果差，达不到质量 要求，则可以考虑选择一间接指标参数：塔顶温度T或塔压P作 d在考虑选择Td 或 P其中之一作为被控变量时是有条件的。由式（1.3-1）可看出，它是一个二元函数关系，即xD与Td及P都有关。只有当Td或P有一个不变时，式（1.3-1） 才可简化成一元函数关系。即当P 一定时：XD 二f3）（1.3-2）当T 一定时： dxD= f2（ P）（1.3-3）总之，对于某个给定的工艺过程，应选择哪几个工艺函数为受控变量采用直接参数法即以工艺参数为受控变量（最好为温度T、压力P、流量F、液

13、位L四大参数）间接参数法原选定的受控变量受检测仪表的约束，要寻找与受控变量有单一的线性函数关系的间接 参数来作为受控变量。如蒸馏塔组分xD的检测控制，一般用温度代替，但压力（塔压）必须恒定，即xD = f （T）。一个设备多个受控变量应以自由度分析，找出独立变量F = C P + 2C 组分数 P 相数例1.3-1饱和蒸汽C =1，P =2，则自由度F =1-1+2=1蒸汽质量受控变量选一个（T或P）过热蒸汽C =1, P =1,则自由度F =1-1+2=2受控变量则选2个（T、P）操纵变量的选择为了正确地选择操纵变量。首先要研究对象的特征。我们知道被控变量是被控对象的一个输出。影响被控的外部

14、因素则是被控对象的输入。 现在的任务是在影响被控变量的诸多输入中。选择其中某一个可控性良好的输入量作为操 纵变量。而其它未被选中的其他输入量,则称为系统的干扰。因此对操纵变量的选择应注 意： 工艺的合理性不能选工艺流程的主物料量（除非有中间储槽）为调节参数,应选辅助（侧线）物料, 如换热器,只能选载热体为调节量,而不能选物料加入量为调节参数,因后者在调节过程中 引起生产波动。对受控变量有明显的影响作用，即要求有放大系数k大，时间常数T快速。过程可控程度分析过程可控程度：指对过程进行控制的难易程度。本节介绍一种度量过程程度的指标km。度量过程可控程度（简称可控性）的指标km3c的导出条件：相同的

15、控制器、最佳整定,在相同的干扰作用下进行不同过程的比较。假定控制器为纯比例,参数整定目标 n = 4：1如图1-17所示的二阶系统：图1.4-1 二阶系统方块图 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark69 o Current Document Y （s ）k其传递函数为：巾二仁二edtk 12cpkk当n =4： 1 时，Y 氏 1.5f=1.5 f （令k = k k ）max 1 + k k 1 + kc pcp式中：k = kkp 开环系统总的静态增益。8 利用偏差绝对值积分（IAE）指标J 二）|e|dt2兀由于工作周期也是系统过程的品质指标，则引入T (

16、 =3 ) s T则上式写成J edt I六edtnk11.5-f I1 + k 3k 11.5-f n1 + k 3n =4:1震荡时，工作频率3比临界频率30约小10-30%,两者有一定的比例关系对上式由于,相同(相同的干扰)J e1dti(1 + k)3n|e|dtn(1 + k )31若系统没有较大的纯滞后或分布参数，一般k值大于10,这样上式中的“1”可以忽略去。J e1dt 1 k 3 n化简得edtnm c ,k 3 Imc3c都是过程在纯比例控制下，系统达到震荡时的参数。此式说明，J edt于k3成反比km 3 c越大质量越好。广义对象时间常数T和纯滞后。对可控程度km3的影响

17、.以三阶过程为例，时间常数T对的影响GHQ)=T + 1)T ： 1)T + 1)，令T1 T2 T3与一般单回路系统的广义对象传递函数 123类似。T1 一可看成对象时间常数，最大；T2 一可看成调节阀时间常数，次之；T3 一可看成对检测变送时间常数，最小。下表为时间常数T变化对km3c的影响。表1.4-1列出T1、T2、T3不同变化下3 、km与km3crrr20520.36819,3137.10710520.41312.6455.2225，n4?ng xm4 314in in，n144T14 79110620.38812.8504.985in2?n T2*或T2 0.6,基本无畸变。畸变

18、规律是： 特性曲线总是向左上方畸变,线性阀接近快开,百分比接近线性。S值越小，畸变越严重。畸变后，最小流量变大，使可调比R=Qmax变小，R“仁R 13以 后，阀门才逐渐开启。这一时间上的推迟，使工艺生产在每次开车时，压力的第一个偏差峰 值会特别大。这有时会危及安全。为避免这种情况，应采取防止由于积分作用而使信号超越 “信号有效范围”，这就是所谓“防积分饱和”。图2.11恒压放空系统图2.12 积分饱合的影响下面通过比例积分调节器传递函数，说明防积分饱和的基本原理。1 Ts +1u (s) = k (1 + )e (s) = ik e (s)c TsTs cii（2-10）改写为Ts1k e

19、(s)= u (s)i = u (s) u (s)cTs +1Ts + 1 bii（2-11）u (s) = k e (s) + -u (s)c T s + 1 Bi（2-12）当uB （s） = u（s）时，（2-12）式是比例积分控制算式，调节器具有比例积分作用；当u （s） = 0时，控制器输出u与偏差e成比例关系，这时由于积分控制作用不存在，就不会 B出现积分饱和现象。这种防止积分饱和的方法称为积分外反馈，即积分信号来自外部的信号，自行进行比例与比例积分调节规律切换。下面以气动仪表为例，说明用限幅器的方法，防积分饱和的基本原理。图2.13是气动 单元组合仪表的比例积分调节器，输入输出信

20、号之间的运算关系为u(s)= k e(s) + u (s)(2-10)式中 e (s) = r (s) y (s)R 1、C 1组成一个节流盲室，其输入输出关系为1u (s)=u(s)(2-11)cT s + 1i(2-11)式代入(2-10)式，得u(s) = k + 1 e(s)(2-12)c Tsi这就是气动比例积分调节器的算式，式中kc为比例增益，Ti为积分时间。(2-12)式可用图2.13的方块图表示，由图可见，方框图中存在正反馈。积分控制作 用正是由这正反馈造成的。如果对正反馈进行限幅(见图中虚线方框)，限幅上、下限分别 为uH,L、,L。则在限幅上限时，比例积分调节器算式为u (

21、s) = k e (s) + -u c T s + 1iH,L(s)(2-13)(s)图2.6 气动比例积分调节器图2.7 比例积分调节器方框图在限幅下限时，算式为利用限幅器切断了正反馈，输出u不会一直增长，从而避免出现积分饱和现象。这里只 介绍了用限幅器的方法防单回路积分饱和，以后在串级控制与选择性控制章节中，我们还要 用介绍外反馈法防积分饱和。183 比例微分调节1.微分调节的特点前面介绍的比例积分控制规律，由于同时具有比例和积分控制规律的优点，针对不同 的对象，比例度和积分时间两个参数均可调整，因此适用范围较宽，工业上多数系统都采用。 但当对象滞后特别大时，可能控制时间较长，最大偏差较大

22、；当对象负荷变化特别剧烈时， 由于积分作用的迟缓性质，使控制作用不够及时，系统稳定性较差，在上述情况下，可以再 增加微分作用，以提高系统控制质量。具有微分控制规律的调节器，其输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即(2-14)u=T de=S deD dt 2 dt式中 TD 微分时间；S 2 微分速度；de一偏差对时间的导数，即偏差信号的变化速度。dt然而，纯微分作用的调节器是不能工作的。这是因为实际的调节器都有一定的失灵区， 如果被控对象的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调节器不能觉察的速度缓慢变化 时，调节器并不会动作。但是经过相当长的时间以后，被调偏差却可以积累到相当大的数字

23、而得不到校正。这种情况当然是不允许的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成比例微分或比例微 分积分调节动作。2.比例微分控制器比例微分调节器的动作规律是de u = k e + S(2-15)c 2 dt或1 deu = (e + T)(2-16)5 D dt式中，5为比例度，可视情况取正值或负值；TD为微分时间。按照上式，比例微分调节器的传递函数应为G (s) = -(1 + T s)(2-17)c5 D但严格按照(2-17)式动作的调节器在物理上是不能实现的，工业上实际采用的比例微分调节器的传递函数是：G (s) = - 1rD (2-18)c 5Tss +1 k式

24、中kD称为微分增益。工业调节器的微分增益一般在510范围内。3.比例微分调节对过渡过程的影响在稳态下，de/dt =0，比例微分调节器的微分部分输出为零，因此比例微分调节也是有差的调节，与比例调节相同。由于微分调节动作总是力图抑制被调量的震荡，它有提高控制系统稳定性的作用。适度引入微分动作可以允许稍许减少比例度，同时保持衰减比不变， 这样也减小了余差和调整周期，如图2.22所示。由于微分作用，使系统具有超前控制功能，减小了动态偏差。因此，它适用控制对象 时间常数较大的场合（如温度调节系统）。只要微分时间设置得当，系统的动态品质、稳定 性都会有所提高，过渡过程时间也会相应缩短。对于时间常数小，测

25、量信号有躁声或周期性 干扰的系统，不能采用微分作用（如流量调节系统）。微分调节动作也有一些不利之处。因为微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此引入微分动作要适度，当7。超出某一上限值后，系统反而变得不稳定了。图2.23表示 控制系统在不同微分时间的响应过程。图1-31kp、TD变化对过渡过程的影响曲线184 比例积分微分调节PID调节器的动作规律是deu = k e + s edt + s （2-20）c 0 02 dt或u = -1（e + edt + T de）（2-21）5 T 0。dtPID调节器的传递函数为G （s） = -1（1 + + T s）（2-22）c 5 Ts 。

26、i不难看出，由式（2-22）表示的调节器动作规律在物理上是不能实现的。工业上实际采用的PID调节器如DDZ型调节器，其传递函数为1 + + T * sGC (s) = k*（2-23）T*s 。i TOC o 1-5 h z 11 T1 + -D- skiTisk。其中Tk * = Fk ； T * = FT ； T * = i cc ii D F式中带*的量为调节器参数的实际值，不带*者为参数的刻度值。F称为相互干扰 系数；、为积分增益。图2.24给出工业PID调节器的响应曲线，期中阴影部分面积代表微分作用 的强弱。此外，为了对各种动作规律进行比较，图2.25表示了同一对象在相同阶跃 扰动下

27、，采用不同调节动作时具有同样衰减比的响应过程。185控制规律的选择工业用控制器常见的有开关控制器、比例控制器、比例积分控制器、比例积 分微分控制器。过程工业中常见的被控参数有温度、压力、液位和流量。而这些 参数的控制要求也是各种各样的。通常，选择调节器动作规律时应根据对象特性、 负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以 及系统投入方便等。.广义对象控制通道的时间常数较大，或容积迟延较大时，应引入微分动作，如工艺 允许有余差，可选用比例微分作用；如工艺不允许有余差，可选用比例积分微分 作用，如温度、成分、pH值控值等。.当.广义对象控制通道的时间常数较小，负荷变化也

28、不大，工艺不允许有余差，可 选用比例积分作用，如管道压力和流量的控制。.当.广义对象控制通道的时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求也不高时，可选择比 例控制，如储罐压力和液位的控制。. 广义对象控制通道的时间常数较大，或容积迟延很大，负荷变化亦很大时，简单控 制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。图1-32 kp、Ti、Td变化对过渡过程的影响曲线从上图可看出,Kp、Td不变，Ti减小的过渡过程曲线图1-33 kp、Ti、Td变化对过渡过程的影响曲线从上图可看出,Kp、Td变，Ti不变的过渡过程曲线1.9 控制器参数整定和控制系统投运一个控制系统安装完毕或停车检修之后，如何投运仍是一项十分

29、重要的工作，尤其是 一些工艺条件苛刻的控制系统，投运时要逐级满足工艺条件后，方可逐次逐级的投运。191 控制系统的投运所谓控制系统的投运，就是通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳的转换到自动 工作状态。也称无扰动切换。无扰动切换法，是在手动将过程参数调到符合要求指标后，在投自动控制之前，要将 控制器的测量与给定相重和后，再将控制器的手动开关切换到自动控制位置。192 控制系统的工程整定方法1稳定边界法（临界比例度法）选用纯比例控制，给定值R作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直到被控变量出现临界振荡为止，记下临界周期T和临界比例带8。然后，按表4.1经验公式计算5、 uu 和 Td。表4.1稳定边界法整定PID参数控制规律5TiTdP2或PI2一26O.85TUP1DO.5OTUo 13 rLi2.动态特性法（响应曲线法）在系统处于开环情况下，首先做被控对象的阶跃曲线，如图所示，从该曲线上求