过程控制复习.ppt

1、2020年9月3日,1,过程控制的任务和要求,什么是过程控制？ 过程控制是工业自动化中最重要的一个分支，它主要针对所谓六大参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等参数的控制问题。,生产对过程控制的要求主要归纳为三点：,1.安全性 在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要的也是最基本的要求； 现代企业必须把符合国家制定的环境保护法作为生产安全性的重要组成部分。,2020年9月3日,2,2.经济性 旨在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而效率高,3.稳定性 系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力,为了满足上述三个要求，在理论上

2、和实践上都还有许多课题有待研究。,二、过程控制的任务和要求,2020年9月3日,3,过程控制的任务是： 在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。 所以说过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。 过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。,过程控制的任务和要求,2020年9月3日,4,过程控制系统的设计和实现步骤：,1、确定控制目标：可根据具体情况提出各种不同的控制目标 2、选择测量参数：通过某些参数的测量来控制和监视整个生产过程 3、操作量的选择

3、：大多情况下没有多大选择余地，如有多个操作量和被调量的情况下，必须认真选择由哪个操作量去控制哪个被控量 4、控制方案的确定：与控制目标有密切关系，控制策略随控制目标和控制精度要求而不同，是整个设计过程中的关键步骤 5、选择控制算法：控制方案决定了控制算法 6、执行器的选择：根据操作量的工艺条件和对调节阀流量特性的要求来选择合适的调节阀,2020年9月3日,5,7、设计报警和联锁保护系统： 关键参数应有越限报警，报警系统的作用是在于及时梯形操作人员密切注意监视生产状况，以便采取措施减少事故的发生； 联锁保护系统是指当生产出现严重事故时，为保证设备、人身安全，使各个设备按一定次序紧急停止运转的系统

4、。 8、控制系统的调试和投运：控制系统安装完毕后，应随着生产过程进行试运行，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况，包括调节器参数的整定等，依次将全部控制系统投入运行。,二、过程控制的任务和要求,2020年9月3日,6,为什么要研究被控对象的动态特性？ 因为控制系统的设计方案都是依据被控对象的控制要求和动态特性进行的，调节器参数的整定也是根据对象的动态特性来进行的。,第一章 生产过程的动态特性1-1 过程控制系统的性能指标,过程控制系统在运行中有两种状态：稳态和动态,何为稳态？此时系统没有受到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。,何

5、为动态？当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后，原来的稳态遭到了破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生了变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时系统就处于动态。,2020年9月3日,7,结论：要评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况。,过程控制系统的性能指标,评价控制系统的性能指标要根据工业生产过程对控制的要求来制定，这种要求可概括为： 稳定性、准确性和快速性 上述三方面的要求在时域上体现为若干性能指标,包括： 单项性能指标:如衰减比(及衰减率)、最大动态偏差(及超调量)、残余偏差、调节时间(及振荡频率)等。 综

6、合性能指标：如误差积分、绝对误差积分、平方误差积分、时间与绝对误差乘积积分,2020年9月3日,8,过程控制系统的性能指标,2020年9月3日,9,1.对象的动态特性是不振荡的,对象的阶跃响应通常是单调曲线，被调量的变化比较缓慢。,对象的幅频特性M()和相频特性(),随着频率的增高都向下倾斜。,被控对象的动态特性,2.对象动态特性有迟延,由于迟延的存在，调节阀动作的效果往往需要经过一段迟延时间后才会在被调量上表现出来。,迟延的主要来源是多个容积的存在，容积的数目可能有几个直至几十个。,2020年9月3日,10,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的。,有些被控对象，当调节阀开度改变致使原来的物质

7、或能量关系遭到破坏后，随着被调量的变化不平衡量愈来愈小，因而被调量能够自动地稳定在新的水平上。这种特性称为自平衡，具有这种特性的被控对象称为自衡过程。,如果对于同样大的调节阀开度变化，被调量只需稍改变一点就能重新恢复平衡，就说该过程的自平衡能力强。,自平衡能力的大小用对象静态增益K的倒数衡量,称为自平衡率：,被控对象的动态特性,2020年9月3日,11,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的。,有些被控对象，当调节阀开度改变致使原来的物质或能量关系遭到破坏后，不平衡量不因被调量的变化而改变，因而被调量将以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢复平衡。这种对象不具有自平衡特性，称为非自平

8、衡过程。,这种系统是中性稳定的，就是说，它需要很长的时间，被调量才会有很大的变化。,不稳定的过程是指原来的平衡一旦被破坏后，被调量在很短的时间内就发生很大的变化。 这一类过程是比较少见的。,被控对象的动态特性,2020年9月3日,12,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的(续),自衡过程在调节阀开度扰动下的阶跃响应如左图。,自衡过程的传递函数可以用如下式近似：,T过程的时间常数 纯迟延时间,第一章 生产过程的动态特性 1-2 被控对象的动态特性,2020年9月3日,13,非自衡过程在调节阀开度扰动下的阶跃响应如右图。,非自衡过程的传递函数可以用如下式近似：,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的

9、(续),第一章 生产过程的动态特性 1-2 被控对象的动态特性,2020年9月3日,14,自衡过程在调节阀开度单位阶跃扰动下的响应的初期情况如右图。,为了便于在相同的基础上对各种被控对象进行比较，这里输入、输出量都用相对值表示，即阀门开度以全行程的百分数表示，被调量则以相对于测量仪表全量程的百分数表示。,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的(续),第一章 生产过程的动态特性 1-2 被控对象的动态特性,2020年9月3日,15,经过一段迟延时间后，被调量开始以某个速度变化，这个起始速度称为响应速度，以表示，显然有：,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的(续),第一章 生产过程的动态特性 1-2

10、 被控对象的动态特性,2020年9月3日,16,再经过时间后，被调量的变化量近似为：,结论：值愈大，则过程愈接近一个纯迟延过程，因此该过程就属于难控之列。,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的(续),第一章 生产过程的动态特性 1-2 被控对象的动态特性,2020年9月3日,17,结论： 值愈小，则说明：或者K极小，也就是过程的自平衡能力极强；或者/T比值极小，此时它接近一个自衡单容过程。这两种情况都意味着该过程属于易控之列.,再经过时间后，被调量的变化量近似为：,3.被控对象本身是稳定的或中性稳定的(续),控对象的动态特性,2020年9月3日,18,4.被控对象往往具有非线性特性,注意：严格

11、来说，几乎所有的被控对象的动态特性都呈现非线性特性，只是程度上不同而已。,许多被控对象的增益不是常数：,被控对象的动态特性,2020年9月3日,19,1、机理法建模,建立过程数学模型的两个基本方法,什么是机理法建模？就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型。 如：物质平衡方程；能量平衡方程；相平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程；物性参数方程和某些设备的特性方程等。,过程数学模型及其建立方法,机理法建模的首要条件是生产过程的机理必须已经为人们充分掌握,并且可以比较确切地加以数学描述。,机理法建模的次要条件是除非是非常简单

12、的被控对象,否则很难得到以紧凑的数学形式表达的模型。在计算机尚未得到普及应用前，几乎无法用机理法建立实际工业过程的数学模型。,2020年9月3日,20,2、测试法建模,一般只用于建立输入输出模型。,特点：把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。,什么是测试法建模？ 根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。,过程动态特性只有当它处于变动状态下才会表现出来，在稳态下是表现不出来的。,为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励的状态，例如施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。,2020年9月3日,21,几个确定传递函数

13、参数的方法：,（1）作图法：确定一阶惯性环节加纯迟延传递函数参数K、T和,如果阶跃响应是一条如图所示的S形的单调曲线，就可以用下式去拟合：,过程数学模型及其建立方法,增益K可以由输入输出的稳态值直接算出；,和T：作图法确定，如图,特点：精度较差，方法简便,可用于PID调节器的参数整定,应用较广泛,22,作图法来辨识系统的传递函数,2020年9月3日,23,（2）两点法 (一阶惯性加纯迟延环节) ： 利用阶跃响应y(t)上两个点的数据去计算T和；按输入输出稳态值计算增益K,A 、无量纲化：将y(t)转换成它的无量纲形式y*(t),即：,第一章 生产过程的动态特性1-3 过程数学模型及其建立方法,

14、与传递函数,相对应的阶跃响应无量纲形式为,上式中只有两个参数T和，只能根据两个点的测试数据进行拟合,2020年9月3日,24,第一章 生产过程的动态特性1-3 过程数学模型及其建立方法,B、可以选定两个时刻t1, t2. （t1t2）,可以得到：,2020年9月3日,25,第一章 生产过程的动态特性1-3 过程数学模型及其建立方法,为计算方便，取y*(t1)=0.39,y*(t2)=0.63,得,C、最后取两个时刻进行校验,特点：仅凭两个孤立点的数据进行拟合,而不顾及整个测试曲线的形态，此外,两个特征点的选择具有随意性,所得结果的可靠性不能保证,2020年9月3日,26,（3）确定二阶惯性加纯

15、迟延环节传递函数中参数K、T1 、 T2和的方法,如果阶跃响应是一条S形的单调曲线，也可以拟合成二阶惯性加纯迟延环节。,第一章 生产过程的动态特性1-3 过程数学模型及其建立方法,a) 确定增益K: 仍由输入输出稳态值确定,b) 确定迟延 根据阶跃响应曲线脱离起始的毫无反应的阶段，开始出现变化的时刻，可以确定参数,2020年9月3日,27,第一章 生产过程的动态特性1-3 过程数学模型及其建立方法,c) T1,T2的确定 截去纯迟延部分并化为无量纲形式,传递函数为,对应的阶跃响应为：,如：读取曲线y（t1）=0.4 y（）所对应的时间t1值； 读取曲线y（t2）=0.8y（）所对应的时间t2值

16、；,可以利用阶跃响应上两个点的数据t1,y*(t1)和t2,y*(t2) 确定参数T1和T2。,2020年9月3日,28,第一章 生产过程的动态特性1-3 过程数学模型及其建立方法,2020年9月3日,29,第一章 生产过程的动态特性1-3 过程数学模型及其建立方法,当,当,相当于一阶环节。,当 当,n为阶次。,即该阶跃响应需用更高阶的传递函数拟合：,30,2020年9月3日,控制器的作用：将测量变送信号与设定值相比较，若存在偏差，就按预先设置的不同控制规律产生输出信号。,控制规律：控制器的输出信号随偏差信号的变化而变化的规律。 常用控制规律：双位控制，P控制，PI、PD、PID控制。,PID

17、控制:比例(proportion),积分(integration ),微分(differentiation )控制的简称，是一种负反馈控制.,PID控制规律,PID控制的优点：, 原理简单，使用方便, 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式, 鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感,31,2020年9月3日,在控制系统方框图中，每一个环节（方框）的作用方向都可用该环节放大系数的正、负来表示。 控制系统中各环节的作用方向（增益符号）是这样规定的： 正作用方向：当该环节的输入信号增加时，输出信号也随之增加,在方框上标“”。 反作用方向：当输入增加时，输出减小，即输出与输入

18、变化方向相反,在方框上标“”。,系统中各环节正、反作用方向的规定,32,2020年9月3日,Kc：调节器运算部分的增益;K、Kv和Km：分别代表被控过程、调节阀和测量变送装置的增益;为调节阀的开度;ym为被调量y的测量值。,正作用方式是指调节器输出信号随着被调量的增大而 增大,整个调节器增益的符号为正 。 反作用方式是指调节器输出信号随着被调量的增大而减少,调节器增益为负.,33,2020年9月3日,设置的目的：保证控制系统成为负反馈。 负反馈准则：控制系统开环总增益为正 开环总增益：各组成环节的增益之积 环节的增益为正：当环节输入增加时，其输出也增加,负反馈准则：KCKVKKm0,负反馈准则

19、：,34,2020年9月3日,2、控制器的正反作用（续）,设置的目的：保证控制系统成为负反馈。 负反馈准则：控制系统开环总增益为正 开环总增益：各组成环节的增益之积 环节的增益为正：当环节输入增加时，其输出也增加,负反馈准则：KCKVKKm0,负反馈准则：,35,2020年9月3日,控制器的正反作用举例,36,2020年9月3日,比例带对于调节过程的影响,比例调节的残差随比例带的加大而增大，从这一方面考虑，希望尽量减小比例带然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度，然后再考虑使

20、用其它方法减小残差,增大，则比例系数Kc减小，由比例调节器输出u=Kc*e,则调节阀的动作幅度减小因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差大,调节缓慢,调节时间长 减小，则比例系数Kc增大，调节阀的动作幅度增大，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小 具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不稳定了,对调节过程的影响：,37,2020年9月3日,Kc对控制系统性能的影响,（减小时）,在单回路控制系统中，增大比例系数，如果系统稳定，则残差会减小;超调量增大;振荡频率升高,38,2020年9月3日,S0减小,S0越大，调节阀的动作愈快(由du/dt=S

21、0e可知)越容易引起和加剧振荡同时，振荡频率越来越高，而最大动态偏差越来越小，被调量最后无残差 增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程,三、积分速度对调节过程的影响,39,2020年9月3日,例：某气动比例温度控制器的输入范围为50010000C，输出范围为20 100KPa，当控制器输入变化2000C时，其输出信号变化40KPa，则该控制器的比例度为多少？,解：,40,已知比例积分控制阶跃响应如下图所示，在图上标出和TI的数值；若同时把放大4倍，TI缩小1倍，把u(t)t曲线画在同一坐标系中，并标出新的TI和值。,=0.5 TI =1(秒),=2 TI =0.5(

22、秒),41,积分速度S0增大,增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。积分速度愈大，调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，与此同时，振荡频率将愈来愈高，最大动态偏差则愈来愈小。被调量最后都没有偏差，这是I调节器的特点。,积分速度S0改变对响应过程影响,42,2020年9月3日,PD控制系统不同微分时间的响应过程,TD减小,微分调节动作总是力图抑止被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。适度引入微分动作后，可以允许稍许减小比例带，同时保持衰减率不变。大多是PD控制系统随着微分时间增大，其稳定性提高，表现在可以减少偏差，减少短期最大偏差和提高了振荡频率。但某些特

23、殊系统也有例外，当TD超出某一上限值后，系统反而变得不稳定了。,43,2020年9月3日,调节规律的选择,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 。, 广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分动作. 如工艺容许有残差，可选用比例微分动作；如工艺要求无残差则选用比例积分微分动作如温度、成分、pH值等控制过程. 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分动作如管道压力和流量控制 广义对象控制通道时间常数较小,负荷变化较小,工艺要求不高时，可选择比例动作，如液位控

24、制.,44,2020年9月3日,如果被控对象传递函数为,则可根据对象的可控比/T选择调节器的动作规律：,/T1.0：采用简单控制系统不能满足控制要求，应选用复杂控制系统，如串级，前馈控制等, 当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化也很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统,45,控制系统整定的基本要求,1) 控制系统的控制质量的决定因素:被控对象的动态特性,简单控制系统组成,2) 整定的实质: 通过选择控制器参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，实现最佳的控制效果,3) 整定的前提条件：设计方案合理，仪表选择得当，安装正确,46,4) 评定整定效

25、果的指标（参数整定的依据）, 单项性能指标,衰减率： =(y1-y3)/y1=1-1/n,最大动态偏差： y1 超调量：=y1/y,调节时间: ts(进入稳态值5%范围内),单一指标概念比较笼统，难以准确衡量；一个指标不足以确定所期望的性能，多项指标往往难以同时满足,在单项指标中, 应用最广的是衰减率, 75%的衰减率是对偏差和调节时间的一个合理的折中.,47, 误差积分性能指标,各种积分指标： IE（误差积分） 优点：简单，也称为线性积分准则 局限：不能抑制响应等幅波动 IAE（绝对误差积分） 特点：抑制响应等幅波动 ISE（平方误差积分） 优点：抑制响应等幅波动和大误差 局限：不能反映微小

26、误差对系统的影响 ITAE（时间与绝对误差乘积积分） 优点：着重惩罚过度时间过长,当采用不同的误差积分指标作为系统整定的性能指标时，其对应的系统响应会不同。 误差积分指标往往与其它指标并用，很少作为系统整定的单一指标,对抑制大的误差，ISE比IAE好，而抑制小的误差，IAE比ISE好 与ITAE指标对应的系统响应调节时间最短，但最大动态偏差最大,48,5) 常用整定方法, 理论计算整定法,根轨迹法，频率特性法,由于数学模型总会存在误差，实际调节器与理想调节器的动作规律有差别，所以理论计算求得的整定参数并不可靠而且，理论计算整定法复杂，烦琐，使用不方便但它有助于深入理解问题的本质，结果可以作为工

27、程整定法的理论依据, 工程整定法,动态特性参数法，稳定边界法，衰减曲线法,通过实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到广泛的应用。 方法简单，易于掌握,49,一 动态特性参数法（响应曲线法）,这是一种通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法，即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定。,前提: 广义对象的阶跃响应曲线可用G(s)=Ke-s/(Ts+1)来近似,整定步骤：,（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录下测量变送环节Gm（s）的输出响应曲线y（t）。 （2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似

28、模型与模型参数K, T,并计算出值; (=K/T)； （3）根据控制器类型与对象模型，根据经验公式选择PID参数KC, TI、TD，并投入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。,50,表1Z-N调节器参数整定公式,Ziegler-Nichols参数整定法,特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。,51,稳定边界法（临界比例度法）,是一种闭环的整定方法由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，因而方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。,1) 使调节器仅为比例控制，比例带设为较大值(如100以上)，TI=,TD=0,让系统投入闭

29、环运行.,2) 待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程此时的比例带为cr，振荡周期为Tcr,3) 利用cr和Tcr值，按稳定边界法参数整定计算公式表，求调节器各整定参数,TI, TD,稳定边界法基于纯比例控制系统临界振荡试验所得的数据, 即临界比例带cr和临界振荡周期Tcr(此时相对稳定度m=0), 利用经验公式, 求取调节器最佳参数, 具体步骤为：,52,衰减曲线法,1) 使调节器仅为比例控制,比例带设为较大值(如100以上),TI=,TD=0,让系统投入运行.,2) 待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则减小比例带；反之，若

30、系统响应衰减过慢，应增大比例带. 如此反复, 直到系统出现4:1衰减振荡过程或者如图b所示的衰减比为10：1的振荡过程时 .记录下此时的值（设为s ），以及Ts值（如图a中所示），或者Tr值（如图b中所示）。,原理: 根据纯比例控制系统处于某衰减比 (如4:1或10:1) 时振荡试验所得的数据(即比例带s和振荡周期Ts), 由经验公式求取调节器最佳参数值. 与稳定边界法类似也是闭环整定法, 其步骤为：,53,a)4:1衰减曲线b)10：1衰减曲线,3) 利用求得的s和Ts(或Tr)，根据衰减曲线法整定计算公式得到, TI, TD,54,经验法,先根据经验确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行

31、，然后人为加入阶跃扰动（通常为调节器设定值扰动），观察被调量或调节器输出曲线变化，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的参数，一般先整定，再整定TI和TD，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止,55,例 某温度控制系统采用PI调节器.在调节阀扰动量=20%时,测得温度控制通道阶跃响应特性参数:稳定时温度变化()=60;时间常数T=300s,纯迟延时间=10s.温度变送器量程0100 ,且温度变送器和调节器均为DDZ-III型仪表求调节器，TI的刻度值,解 被控对象稳态增益为:,采用动态特性参数法，按Z-N公式计算等效调节器的等效比例增益有：,等效调节器由调节器，变送器和调节阀组成，因此,P92例35,56,其中变送器转换系数Km=(20-4)/(100-0)mA/, 调节阀的转换系数Kv1=(100-0)/(20-4)%/mA, 则调节器的比例增益实际值为,相应的比例带为,调节器积分时间TI的实际值，由公式TI/T=3.33(/T)1.000 得,因为调节器为PI工作方式，参数的实际值就是它的刻度值,57,例 对某温度控制系统采用PID调节器。已知：临界比例带cr=20%，临界振荡周期Tcr=30s，试用稳定边界法选择PID调节器参数、TI、TD；,采用稳定边界法，可得调节器的比例带值为：,调节器积分时间TI的值为：,调节器微分时间TD的值为：,58