过程控制系统概述解析

1、3 过程控制系统概述,主要内容,3.2 简单控制系统,3.3 常用高性能控制系统,3.4 实现特殊工艺要求的控制系统,3.1 被控过程的数学模型,3.1.1 被控过程的数学模型及其作用,被控过程的数学模型是指过程的输入变量与输出变量之间定量关系的描述。,其中：过程的输入变量至输出变量的信号联系称为通道； 控制作用至输出变量的信号联系称为控制通道； 干扰作用至输出变量的信号联系称为干扰通道； 过程的输出为控制通道与干扰通道的输出之和。,3.1 被控过程的数学模型,一般是在工艺流程和设备尺寸等都确定的情况，研究对象的输入变量是如何影响输出变量的。,研究的目的是为了使所设计的控制系统达到更好的控制效

2、果。,在产品规格和产量已确定的情况下，通过模型计算，确定设备的结构、尺寸、工艺流程和某些工艺条件。,（a）,（b）,（c）,用于控制的数学模型（a、b）与用于工艺设计与分析的数学模型（c）不完全相同。,数学模型的表达形式,非参量模型,当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。,特点：,形象、清晰，比较容易看出其定性的特征,缺点：,直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难,表达形式：,对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示,当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。对象的参量模型可以用描述对象输

3、入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。,参量模型,被控过程的数学模型在过程控制中的作用：,1.全面、深入地掌握被控过程的数学模型是控制系统设计的基础。 2.良好数学模型的建立是控制器参数确定的重要依据。 3.数学建模是仿真或研究、开发新型控制策略的必要条件。 4.设计与操作生产工艺及设备时的指导。通过对生产工艺过程及相关设备 数学模型的分析或仿真，可以为生产工艺及设备的设计与操作提供指导。 5.工业过程故障检测与诊断的设计指导。利用数学模型可以及时发现工业 过程中控制系统的故障及其原因，并提供正确的解决途径。,3.1.2 被控过程的特性,有自衡特性和无自衡特性

4、,当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人或无控制装置的干预下，能够自动恢复到原来或新的平衡状态，则称该过程具有自衡特性，否则，该过程则被认为无自衡特性。,具有自衡特性的过程及其阶跃响应曲线,进水量阶跃增大水位升高出水阀前的静压增大出水量逐渐增大出水量等于进水量水位处于新的平衡状态。,无自衡特性的过程及其阶跃响应曲线,进水量阶跃增大水位升高出水量不随水位升高而增大（出水量由水泵决定）水位一直上升。,振荡与非振荡过程的特性,在阶跃输入作用下，输出会出现多种形式。图中，a)、b)和c)为振荡过程，d)和e)为非振荡过程。,衰减振荡的传递函数一般可表示为,具有反向特性的过程,对过程施加一阶

5、跃输入信号，若在开始一段时间内，过程输出先降后升或先升后降，即出现相反的变化方向，则其为具有反向特性的被控过程。,锅炉汽包水位的变化过程为典型的具有反向特性的过程 在给水量阶跃增大而燃料量和蒸汽负荷不变的情况下，由于蒸发率的降低，于是刚开始时水位会下降，然后才逐渐上升。,3.1.3 过程建模方法,1.机理演绎法,根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。,2.试验辨识法,先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列试验数据或曲线，最后再根据输入输出试验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的

6、参数。,主要步骤,3.混合法,机理演绎法与试验辩识法的相互交替使用的一种方法,3.2 简单控制系统,单回路控制系统：由一个测量元件、一个变送器、一个调 节器、一个执行器和一个对象组成的单 闭环控制系统。也称简单控制系统。,3.2.1 概述,对以上两个控制系统可用下述方框图表示：,简单控制系统组成,被控对象,测量变送器,控制（调节）器,控制阀（包括执行器）,3.2.2 简单控制系统设计, 控制系统组建,设计步骤,一、被控变量选择, 被控变量和操纵变量的选择, 调节规律的选择, 自动化仪表设备选择（包括软件编制）,生产过程中希望保持恒定或按一定规律变化的变量,一般选择对产品的质量、产量或安全生产具

7、有决定性作用的关键变量。,选择原则： 应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都为工艺过程中比较重要的变量。 该量在工艺操作过程中经常受到一些干扰而发生变化，为维持恒定需较频繁调节。 尽量选直接参数。如直接参数难以测量，则应选与直接参数成单值函数的间接参数。 该量应能够被测量出来，且有足够的灵敏度。 应考虑工艺合理性和国产仪表产品现状。 该量应是独立可控的。,二、操纵变量的选择,用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。,选择原则： 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 操纵变量一般比其它干扰对被控变量的影响更加灵敏。,PID调节规律：,三、调节规律的选择,PID调

8、节规律特点综述：,PID调节规律阶跃响应特性曲线,四、自动化仪表选择 1.测量元件选择 测量元件时间常数（主要指测温元 件时间常数） 会造成测量滞后, 测量元件纯滞后（主要由测量元件安装位置引起）,例 a ：温度控制系统,例 b ： PH值控制系统图,2.调节器选择,主要依据：调节规律、输入通道数,3.其它仪表选择,变送器、配电器、执行器、记录仪、显示仪、计算机等,五、自动控制系统组建,3.2.3 参数整定,参数整定：对某一具体的控制系统，确定最合适的比例度、积 分时间和微分时间。,整定方法,理论计算法 工程整定法（实验整定法）,一、临界比例度法 二、衰减曲线法 三、经验凑试法,3.3 常用高

9、性能控制系统,主要内容,3.3.1 串级控制系统,一、组成及工作原理, 反应釜温度控制,1.反应釜原理,2.温度控制方案, 单回路控制系统, 串级控制系统,、管式加热炉温度控制,1.管式加热炉原理,2.控制方案, 单回路控制系统, 串级控制系统,、锅炉主蒸汽温度控制,1.锅炉原理, 单回路控制系统,2.控制方案, 串级控制系统,二、串级控制系统典型方框图,系统结构特点：两个闭会回路（主回路、副回路），两个变量（主变量、副变量），两个调节器（主调节器、副调节器，一个调节器的输出作为另一个调节器的设定值），两个测量变送器（主测量变送器、副测量变送器）。,三 、应用范围,1.容量滞后较大的过程,2.

10、纯延时较大的过程,3.干扰变化激烈且幅度 较大的过程,4.参数相关联的过程,5.非线性过程,3.3.2 前馈控制系统,一、问题的提出,以下介绍两个反馈控制实例, 反馈控制系统控制滞后、不及时。, 为了改变反馈控制不及时的状况及不稳定的内在因素，提出 了前馈控制理论,前馈控制 又称为扰动控制，它与反馈控制原理完全不同， 它是按引起被控变量变化的干扰大小进行控制 的，在这种系统中，要直接测量负载干扰量的 变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就 发出调节信号，使操纵变量作相应变化， 使两 者（干扰与操纵变量）抵消于被控变量发生偏 差之前。因此，前馈控制对干扰的克服比反馈 控制要快。,二、前馈控制概

11、念,三、组成及原理,四、特点及局限性,1.特点： 、前馈控制是一种开环控制。 、前馈控制按干扰大小进行补偿。 、前馈控制的调节规律不同于常规PID调节规律。 、前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响。,2.局限性： 、不可能针对每一个干扰都设计并应用一套独立的前馈控 制系统。 、对不可测的干扰无法实现前馈控制。 、前馈控制调节规律难以实现。,五、前馈控制的几种形式,1.单纯前馈控制控制系统, 换热器温度控制, 锅炉汽包液位控制, 前馈控制一般不单独使用（因为达不到预期效果），实际上 常与反馈控制混合使用，即组成前馈反馈控制系统。,2.前馈反馈控制系统, 换热器温度控制, 锅炉汽包液位

12、控制,3.3.3 大滞后过程控制系统,纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传 输、多容器串联成分测量等。,纯滞后的程度：/T0.3，称为一般纯滞后； /T0.3，称为大纯滞后。,大纯滞后难于控制，其主要原因如下： 1）测量纯滞后使调节作用不及时； 2）控制介质传输滞后使调节动作不及时； 3）纯滞后的存在使系统的开环频率特性相角滞后随频率的增大而增大，结果使闭环系统的稳定裕度下降。而要保证其稳定裕度，只能减小调节器的放大倍数，但这将导致调节质量的下降。,解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等。,3.4 实现特殊工艺要求的控制系统,主要内容,3.4.1 比值控制系统,

13、一、概述,比值控制系统：,实现两个或两个以上参数符合一定 比例关系的控制系统,煤气：,主物料、主动量、主流量Q1,空气：,副物料、副动量、副流量Q2,作用：,使副物料Q2与主物料Q1成一定的比例关系,即：Q2/Q1=K,（K为比例系数）,二、常见比值控制系统,1.开环比值控制系统, 原理图, 方框图, 特点,A、优点：设备少，投资省；,B、缺点：只能保证Q2的阀门开度与Q1成比例，不能 保证Q2与Q1成比例。,2.单闭环比值控制系统, 原理图, 方框图, 特点,A、缺点：设备多，投资多；,B、优点：能保证Q2与Q1成比例。,3.双闭环比值控制系统, 原理图, 方框图, 特点,A、缺点：设备多，

14、投资多；,B、优点：能保证Q2与Q1成比例，且能稳定主变量Q1。,4.变比值控制系统,5.串级比值控制系统,三、比值系数计算,比 值：K=Q2/Q1 比值系数：K=（I2-4）/（I1-4）,1.流量与测量信号成非线性关系时,2.流量与测量信号成线性关系时,四、比值控制系统的实现,具体实现方案有两种:,2.把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控制方案。,1.把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。,3.4.2 均匀控制系统,一、问题的提出,图a图c是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图b才体现了均匀控制的思想，即L和F都缓慢波动且都稳

15、定在一定范围内。,将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使A塔的液位在允许的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢地变化。,均匀控制的设计思想：,自动控制时前后设备的液位、流量关系,二、均匀控制的特点,1.结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。,2.参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。

16、无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要件等因素来确定其主次。,3.参数应在限定范围内变化 在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的范围内变化。,三、均匀控制系统的设计,均匀控制系统的设计主要包括：控制方案的选择、调节规律的选择、调节器的参数整定等。,1.控制方案的选择,（1）简单均匀控制系统,注意：当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调节阀开度 的大小，还将受到压差波动的影响。,（2）串级均匀控制系统,为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影响，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统。,从结构上看，它与一般的液位和

17、流量串级控制系统是一致的。但这里采用串级形式的目的并不是为了提高主参数液位的控制精度，而是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响，使流量变化平缓。,2.调节规律的选择,3.调节器的参数整定,(1) 在所有的均匀控制系统中，不应加微分控制。,(2) 主调节器一般采用比例控制或比例积分控制，而在串级控制中，副调节器一般采用比例控制，特殊情况下，也可采用比例积分控制。,经验法：即根据经验，按照“先副后主” ，把主、副调节器的比例度调节到某一适当值；然后由小到大进行调节，使系统的过渡过程缓慢地、非周期衰减变化，最后再根据过程的具体情况，给主调节器加上积分作用。需要注意的是，主调节器的积分时间要调

18、得大一些。,3.4.3 分程控制系统,间歇式化学反应器分程控制系统,在一般的控制系统中，调节器的输出只控制一个调节阀，但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。这种控制系统通常称为：分程控制系统。,一、定义,二、方框图,三、控制阀动作方向,1.同向动作,2.异向动作,四、分程控制系统的设计,分程控制系统本质上是属于单回路控制系统。 由于调节器的输出信号要进行分程而且所用调节阀较多，所以在系统设计上也有一些特殊之处。,分程即将调节器输出分成几个区段，一段信号控制一个调节阀。,1.调节器输出信号的分程,2.调节阀特性选择与注意的问题 同向与异向的选择：根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀 流量特性的平滑衔接：在分程控制中，当把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求分程点处的流量特性平滑。 调节阀的泄露量：在分程控制系统中，必须保证在调节阀全关时无泄漏或泄漏量极小。,五、工业应用,1.用