过程控制工程第一章

1、教材： 北京化工大学信息学院编，过程控制工程， 高等教育出版社出版，2007年 主要参考书目： 金以慧过程控制第1版北京：清华大学出版社，2004年 B.Roffel, B.H.BetlemAdvanced practical process controlBerlin: Springer,2004 邵惠鹤工业过程高级控制第1版上海：上海交通大学出版社，1997年 王树青工业过程控制工程第1版北京：化学工业出版社，2003年 F.G.Shinskey过程控制系统应用、设计与整定萧德云，吕伯明译 第3版北京：清华大学出版社，2004,过程控制发展概况,过程控制发展概况,70年代,微电子技术的发展

2、 -计算机控制 DDC（Direct Digital Control) DCS(Distributed Control System) PID控制及高级算法：推断，预测，自适应，最优 大系统理论（第4代）,自动化发展的两个特点 任务的需要、理论的开拓、 技术手段的进展 一门综合性的技术,过程控制发展概况,过程（Process）-生产过程,基本概念,历经一段时间 一般工业生产 伴随物质能量变化,过程（Process）的特点,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 Manuf

3、acturing Industry) 离散制造业(Discrete Industry),过程控制(Process Control）,针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分（如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。,被控参数种类,基本概念,温度 压力 流量 液位 成分（氧含量，产品组份等） 物性（粘度，干点，冰点等）,过程控制领域,基本概念,石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡 胶，合成氨 电力：火电厂 冶金：冶金加热炉，热处理炉 生化：啤酒，制药 轻工：食品，漂染 环境：水处理，大气监测 其它：农业，养殖业,单回路反馈控制

4、系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控

5、制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.1单回路系统的结构组成, 单回路反馈控制系统 四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀 反馈控制中的最基本系统 特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍 - 占70%以上,1.1单回路系统的结构组成,F1增加 L增加 变送器输出信号增加 偏差（测量值-设定值）为正、增加 控制器输出减小 阀开度增加 F2增加 L降低；,工作过程：,1.1单回路系统的结构组成,给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。,被控制量位于系统的输出端，

6、称为系统输出量。, 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使 之与输入量进行比较，产生偏差（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反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。,1.1单回路系统的结构组成, 控制系统的原理和作用（定值）,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 过程工业中，此类系统占大多数 按被控参数分类： 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,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5

7、测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,控制系统的设计目标,1.2 被控变量的选择,即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）,分类,1.2 被控变量的选择,直接控制,最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数 温度、压力、液位、流量,间接控制,质量指标，以及一些特殊的参数 成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制 应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行

8、控制,1.2 被控变量的选择,例1：,苯、甲苯二元精馏系统,质量指标是最重要的控制参数 如塔顶产品的纯度 xD 但 xD 目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。 根据精馏原理，xD = f (TD, p), 即与温度和压力成非线性函数关系。 理论上，固定一项，就可用另一项控制xD 。 一般的，实际中都采用恒定p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。,1.2 被控变量的选择,选择原则： （1） 测量滞后 P （2） 工艺合理性 T 工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率 各块塔板压力恒定，XD与T有对应关系 选择XD=F（T）,1.2 被控变量的选择,选择被控变量的原则,（1）

9、尽可能选择直接质量指标参数； （2）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好； （3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制； （4）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。,操纵变量的选择： （1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量； （2）不止一个，重要因素,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制

10、规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,对象特性分析,精馏塔: 影响塔顶成分的有,温度、压力、 进料流量、进料成分等,对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（MIMO),F1,F2,Fn,Y,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,设计单回路控制系统:,必须从影响被控量的诸多影响参数中 选择一个，作为操纵变量 其它影响量则只能视作干扰量了,控制：,用操纵量克服干扰量对被控变量的影响,F1(s),F2 (s),U(s

11、),Y(s),Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,操纵量输出：控制通道 干扰量输出：干扰通道 干扰作用与控制作用相互对立而存在 问题：如何选择一个良好的操纵变量。 分析通道特性,通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择, 干扰通道特性分析,=,GPD(s),1+ Gc(s) GPC(s),Y(s),F(s),干扰作用下的闭环传递函数为：,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（1） 放大倍数Kf的影响,结论： Kf越大

12、，系统的余差也越大， 控制质量越差,Y()=,Kf,1+ KC Ko,分析过程：,Y(s)=,GPD(s),1+ Gc(s) GPC(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（2） 时间常数Tf的影响,结论：Tf越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统的动态偏差越小， 控制质量提高 干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3） 纯滞后 f的影响,结论： 干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响， 只是滞后了干扰对控制的影响,Y(s)=,GPD(s)e-s,1+ Gc(s) GPC(s),

13、F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择, 控制通道特性分析,Gc(s),GPC(s),GPD(s),R(s),E(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（1） 放大倍数K0的影响,静态：控制通道放大倍数K0大，控制系统稳态余差小，见式（1-7） 动态：控制系统衰减比与Kc 与K0的乘积有关，见式（1-18），且Kc K0越大，越小，稳定性差，因此，要保证Kc K0=常数。 在Kc K0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。 从控制角度看，K0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望K0大些好,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵

14、变量的选择,（2） 时间常数T0的影响,从控制系统传递函数推导进行分析 结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。 一般希望控制通道时间常数小些好。 但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3） 纯滞后 0的影响,结论：纯滞后0的存在，使得控制不及时，增加动态偏差， 降低稳定性。 控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量

15、的选择,操纵变量的选择,兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。,实质上是决定了控制通道的选择。,原则：,（1）操纵变量必须可控,（2）选择通道放大倍数相对大的,（3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道 时间常数大些）,（4）选择通道的纯滞后尽量小,（5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方

16、法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.4 控制阀的选择,控制系统的执行部件 接受控制器的命令执行控制任务。 选择内容： 口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式,口径大小, 直接决定介质流过的能力,1.4 控制阀的选择,通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。,口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；,口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。,开闭形式,气动控制阀：,1.4 控制阀的选择,电动控制阀：,一般均为电开式（电机带动阀门）,气开式输入气压信号（来自控制器）增大，,气闭式输入气压

17、信号（来自控制器）增大，,控制阀的气开、闭形式的选择原则：,1.4 控制阀的选择,（1）安全角度： 即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式） 如：锅炉燃气控制阀气开式,（2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量 （3）消耗角度：原料、成品及动力消耗 （4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素,1.4 控制阀的选择,流量特性,流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度 之间的关系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相对流量 f(L/Lmax)相对开度,1.4 控制

18、阀的选择,流量特性,目前控制阀的特性有三种： 线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性,L/Lmax,F/Fmax,一般的，生产负荷变化对象特性发生变化 如，热交换器： 负荷（被加热的流体）增大： 通过热交换器的时间缩短， 纯滞后减小； 特性改变 流速增大，传热效果变好 控制系统投运时，已经整定好了PID参数，一旦对象特性发生变化时，原来好的PID参数就变得不好了,1.4 控制阀的选择,流量特性,什么时候选择非线性特性？,（1）选择自整定调节器，代价大 （2）通过控制阀的特性选择进行弥补 K 1 / K0G0 如对象负荷静态部分K0与控制阀流量F成反比， 对象负荷动态部分G0与控制阀流量F

19、成正比， 控制阀特性取线性； P15 表1-1 控制阀流量特性的选择 课本P15分析的例子 P16 表1-2 控制阀流量特性经验选择,1.4 控制阀的选择,流量特性,解决办法：,1.4 控制阀的选择,结构形式,直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、 隔膜阀、三通阀 适用于不同工艺场合 表1-4,A,B,C,1.4 控制阀的选择,阀门定位器,控制阀的辅助装置 接受控制器信号，输出控制控制阀 作用： 提高控制阀控制精度，准确定位； 功率放大； 可改变控制阀流量特性； 可实现分程控制,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变

20、量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,测量滞后的影响,容量滞后： 由于测量元件具有一定的时间常数，一阶惯性环节 理论上讲，只有当过渡时间无限长时，输出才能达到稳态（等于工艺参数值）。因此，测量变送的输出一般小于工艺参数实际值，不利于系统控制,测量变送装置的容量滞后对控制系统不利。,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,测量滞后的影响,

21、纯滞后： 参数变化信号传递到测量点需要一定的时间 使得广义对象中含有纯滞后环节，不利于控制，要尽量克服,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,传递滞后的影响,测量信号传送滞后：变送器控制室 控制信号传送滞后：控制室控制阀 生产现场与控制室有较长的一段距离，对于气动信号的传递，就会产生信号的传送滞后。一般比较小，对于电信号，可以忽略。,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,克服滞后的办法,测量滞后： 选择快速反应的测量元件，以减小时间常数 选择合适的测量点，以减小纯滞后 使用微分单元，以克服容量滞后 微分环节起到超前作用，参考书上的推导，在分子上多了一个零点，对给定值的变化起到快速跟踪作用。

22、 但是，微分环节会使得系统稳定性变差，因此，要合理使用。,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,克服滞后的办法,传送滞后： 一般，气动仪表容易产生传送滞后，在气动管线比较长时，可考虑加入气动继动装置。,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,教学进程,1.6 控制

23、器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择,PID 三作用控制器,PID：Proportional Integral Derivative,PID控制：对偏差信号 (t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。,其中： Kpe (t) 比例控制项， Kp 为比例系数, 积分控制项，Ti 为积分时间常数；, 微分控制项，d 为微分时间常数；,1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择,PID 控制器，3个可调整的参数： 比例度（P）、 积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）,PID控制的传递函数：,1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择, PID控制是控制工

24、程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构。, 在很多情形下，PID 控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。显然，比例控制部分是必不可少的。 。, PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。, PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。,1.6.1,控制器参数对系统静态误差的影响,终值定理：,1.6.1,控制器参数对系统静态误差的影响,当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反

25、比，即与比例度成正比，比例度越大，余差越大； 当控制器引入积分作用时，可消除余差； 微分作用对余差没有影响。,1.6.2,对系统动态误差的影响,Kc 0，相当于开路 Kc 控制精度提高（余差减小）， 矛盾 系统稳定性变差，只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。,比例控制器：,比例作用基础上叠加对偏差的积分输出 消除余差 Ti小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振荡加剧，衰减比变小； Ti大，积分作用弱，消除余差的能力弱。,1.6.2,对系统动态误差的影响,PI控制器：,也是和比例作用配合，P、PI、PD、PID 微分输出与偏差变化速度成正比， “超前”调节作用 Td大，微分作用大

26、，控制系统灵敏， 但稳定性变差 P、I、D三参数相互配合控制器参数整定,PD控制器：,1.6.2,对系统动态误差的影响,1.6.3,控制规律的选择,（1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器； （2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用比例-微分控制器； （3）对于精度要求高的，要加入积分规律，PI； （4）较重要，控制精度要求比较高，希望动态偏差小，被控对象的时间滞后比较大的，PID,控制规律选择原则：,工业常见控制器有：P、PI、PD、PID,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的

27、选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.7系统的关联及其消除方法,1.7.1,系统的关联及其影响,如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响,所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响,提馏段温度与塔底液位控制系统,家中煤气供量，高峰期互相影响,由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。 系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非常注意,1.7.1,系统的关联及其影响,关联,蒸汽阀开大，蒸汽量

28、增加，温度上升， 但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；,同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于 被加热的液体减少，温度会增加。,1.7.2,分析系统关联的方法,相对增益方法,相对增益的计算： j i 通道 第一次计算只有第j个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益： 第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益： 于是，j i 通道的相对增益为：,相对增益定义：,相互关联程度,1.7.2,分析系统关联的方法,（5）ij0，其它回路闭合时，本回路将变成不稳定（条件稳定回路）,（1）ij=1，其它回路闭合与否对本通道没有影响，即， 该通道的控制回路与其它系统没有关联；,（

29、2）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即， 该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小， 负关联。（ij越大关联越大）,（3）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即， 该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大， 正关联。（ij越小关联越大）,（4）ij=0，其它回路开环时，ui对yi没有影响，j i 通道的控制回路 不能构成,1.7.2,分析系统关联的方法,相对增益矩阵A 布里斯托尔阵列,1.7.2,分析系统关联的方法,（6）=，只有在其它回路开环时，才能用ui控制yi，即此通道 的控制回路才能成立。,可见，可根据ij对1的偏离程度大小判断关联程度 ij

30、偏离1越大，系统间相互关联越厉害, 每行（列）相对增益之和为1。, 已知各通道的开环增益K,1.7.3,削弱或消除系统间关联的方法,关键：深入仔细分析关联的产生 方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法 若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析,例子：,离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统,流量和压力控制系统存在关联，可采用控制器参数整定的方法，拉开各自的工作频率。 若流量控制重要，可使流量控制器敏感些（减小比例度，减小微分时间），这样，系统出现扰动，流量系统快速调整，然后，压力系统再缓慢控制。 反之亦然。,1.7.3,削弱或消除系统间关联的方法,单回路反馈控制系统,1.1 单回

31、路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,教学进程,原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）,1.8,单回路系统投运和整定,控制器正反作用的确定,正：输入信号，输出信号 负：输入信号 ，输出信号,1.8,单回路系统投运和整定,一般，对于仪表控制器，都带有正反作用开关， 对于计算机控制，可以通过程序设置,1.8,单回路系统投运和整定, 关键是自动和手动的切换,要求，必须保证是无扰动切换,手动：通过控制器，手动给出控制器的输出， 手动输出,自动：控制器根据偏差，自动计算给出控制 器的输出，自动输出,无扰动切换,手动时，自动输出跟踪手动输出,自动时，手动输出跟踪自动输出,1.8.1,控制系统投运,双向平衡无扰动切换, 电动III型、I系列、EK系列, 电动II型,1.8.2,控制系统整定,目前基本控制器一般均为PID控制器（比例、积分、微分控制器） PID控制器整定，调节P、I、D参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。 一旦控