过程控制系统及工程.ppt

过程控制系统及工程 过程控制发展概况 过程控制发展概况 70年代 黑微电子技术的发展 计算机控制DDC DirectDigitalControl DCS DistributedControlSystem 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 研究对象与任务 控制理论 仪表与计算机 过程控制系统 化学工程与工艺 综合与分析 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 ContinuousProcess 批量 间歇 过程 BatchProcess 离散过程 DiscreteProcess 流程工业 FlowManufacturingIndustry 离散制造业 DiscreteIndustry 过程控制 ProcessControl 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 我国的控制工程相对落后 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 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 观测恒温箱内的温度 被控制量 与要求的温度 给定值 进行比较 得到温度偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器 控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值 1 1单回路系统的结构组成 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定 并与实际温度u2比较得到温度偏差信号 u u1 u2 温度偏差信号经电压 功率放大后 用以驱动执行电动机 并通过传动机构拖动调压器动触头 当温度偏高时 动触头向减小电流的方向运动 反之加大电流 直到温度达到给定值为止 此时 偏差 u 0 电机停止转动 恒温箱自动控制系统工作原理 1 1单回路系统的结构组成 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 控制器输出增加 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 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 引言 了解生产工艺掌握生产过程的规律确定确定合理的控制方案 控制阀开闭形式 流量特性 控制器的类型及正 反作用 测量变送装置 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 选择被控变量的原则 1 尽可能选择直接控制参数 2 必须选择间接控制参数时 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 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 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 系统的余差也越大 控制质量越差 Y Kf 1 KCKo 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 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 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 15 动态 控制系统衰减比 与Kc与K0的乘积有关 见式 1 26 且KcK0越大 越小 稳定性差 因此 要保证KcK0 常数 在KcK0 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变量的选择 2 时间常数T0的影响 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 选择使干扰点远离控制阀 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 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成正比 对象负荷动态部分G0与控制阀流量F成反比 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 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 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 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 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 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三作用控制器 PID ProportionalIntegralDerivative 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 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 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 ij 0 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 2 ij 1 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 ij 1 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 1 8 单回路系统投运和整定 系统投入运行以及控制器的参数调整 投运前的准备 1 熟悉被控对象和整个控制系统 检查所有仪表及连接管线 以保证投运时能及时 正确的操作 故障能及时查找 2 现场检验所有的仪表 保持仪表能正常使用 3 根据经验或估算 设置Kc TI To 或为纯比例 比例度设置在较大位置 4 确认阀的开 闭形式 5 确认控制器的正 反作用 6 根据上述选择 假设被控变量受一干扰 看控制系统能否克服干扰的影响 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 一旦控制控制系统安装到位 控制系统的品质就取决于控制器的参数设置 整定的目的 整定方法两类 理论计算和工程整定方法 1 8 2 控制系统整定 工程整定方法理论整定方法 必须要求已知各个环节的传递函数 对于一般的实际问题 难于满足 另外 理论计算也比较烦琐 工程上一般不采用 工程整定方法 直接在闭合的控制回路中对控制器参数进行整定 经验方法 简单 方便 易于掌握 工程实际中广泛采用 1 8 2 控制系统整定 1 临界比例度法步骤 系统闭环 TI最大 TD最小 没有积分 微分作用 比例度 放到100 K 1 由大往小逐渐改变 每改变一次 通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰 观察输出Y的变化 若Y衰减振荡 则继续减小 若Y发散振荡 则应增大 当Y出现等幅振荡 临界振荡 此时 k称为临界比例度 振荡周期Tk称为临界周期 工程整定方法 1 8 2 控制系统整定 有了 k和Tk后 按经验公式确定 TI TD 按此参数可使控制系统呈4 1衰减 若还有差距 可适当调整 1 8 2 控制系统整定 等幅振荡曲线 临界周期 1 8 2 控制系统整定 表1 5临界比例度整定控制器参数经验公式 2 衰减曲线法与临界法类似4 1衰减曲线 比例度 放到100 K 1 由大往小逐渐改变 每改变一次 通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰 观察输出Y的变化 若Y衰减比大于4 1 则继续减小 若小于4 1 则应增大 直到出现4 1衰减振荡 记录此时比例度 s和振荡周期Ts 按经验公式确定 TI TD 工程整定方法 1 8 2 控制系统整定 1 8 2 控制系统整定 表1 6衰减曲线法整定控制器参数经验公式 4 1衰减曲线 s Ts 振荡周期 比例度 1 8 2 控制系统整定 3 反应曲线法测试广义对象的时间特性步骤 系统开环 稳定 测量值等于给定值 手动操作控制器产生一个阶跃输出 它将作用于广义对象上 记录Y的曲线 反应曲线 工程整定方法 1 8 2 控制系统整定 1 8 2 控制系统整定 y T0 0 y A C B D t 对象反应曲线 纯滞后时间 时间常数To 1 8 2 控制系统整定 表1 8反应曲线法整定控制器参数经验公式 过程控制系统及工程 第二章串级控制系统 串级控制系统 2 1概述2 2串级控制系统2 3投运和整定2 4串级控制系统的特点2 5串级系统副回路的设计 第2章 2 1 概述 复杂控制系统 串级控制系统原理 精馏控制过程 P42图2 1提馏段温度控制 通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定 2 1 概述 精馏塔提馏段温度控制 结果 温度控制不稳定 2 1 概述 分析干扰 若干扰仅来自精馏塔进料的波动 则通过此回路可控制温度 情况一 很多情况下 除了进料因素影响 加热蒸汽流量也会有波动 如锅炉蒸汽出口压力的波动 这时 在一定的阀门开度情况下 加热蒸汽量不同 解决办法 再加入一个蒸汽流量控制系统 可控制流量稳定 问题 两套控制系统不能协调 甚至出现矛盾温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量 而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制 2 1 概述 串级控制系统 两套控制系统的协调控制 2 1 概述 2 1 概述 主环 定值控制系统 给定值由工艺设定 主控制器输出作为副控制器的设定副环 随动控制系统 给定值由主控制器输出给定 副控制器输出控制控制阀 2 1 概述 串级控制系统工作过程 控制系统处于稳定的平衡状态 2 1 概述 气开式控制阀 反作用的流量控制器 反作用的温度控制器 情况1 副环内出现干扰 流量控制器 粗调 温度控制器 细调 2 1 概述 蒸汽流量突然增大 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 但流量测量增大 流量控制器正偏差 流量控制器输出减小 控制阀关小 蒸汽流量减小 削弱对提馏段温度的影响 提馏段温度缓慢上升 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 流量控制器设定值减小 流量控制阀开度进一步减小 情况2 主环内出现干扰 进料量突然增大 塔釜液位上升 提馏段温度下降 温度控制器负偏差 输出增大 流量控制器负偏差 流量控制器输出增大 控制阀开度增大 蒸汽量增加 提馏段温度回升 2 1 概述 2 1 概述 情况3 主环和副环同时 1 副环干扰使蒸汽流量增大 主环干扰使提馏段温度降低 1 副环干扰使蒸汽流量增大 主环干扰使提馏段温度升高 sp sp 结论 串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能 控制质量优于单回路控制系统 并且 实现方便 生产过程中应用比较普遍 2 1 概述 2 2 串级控制系统的实施 组成控制系统的设备不同 实施方法也有差异目前主要是 电动 型仪表系统 气动 型仪表系统 计算机控制系统 DCS PLC 实施前要考虑的几个问题 1 系统设备间的传输信号要匹配 电信号4 20mA 1 5V 气信号0 02 0 1Mpa 混合时需要转换装置 电 气转换 2 副控制器必须具有外给定功能 3 是否需要切换开关 即切换成 a主控制器直接控制控制阀 b副控制器不接受主控制器的外给定 实现其独立控制 并且要考虑无扰动切换 无扰动切换 2 2 串级控制系统的实施 2 2 1 串级控制系统控制方案 电动仪表 气动仪表 很少用 计算机 1 一般的串级方案 2 能实现主控 串级切换的串级方案 2 2 2 串级控制系统的实施 主变量是生产工艺的主要操作指标 要求比较严格 一般不允许有余差副变量是粗调 一般要求不严格 允许有波动和余差主控制器 定值控制 一般选择比例积分控制规律 有时为了克服对象滞后 也加入微分作用副控制器 随动控制 力求快速反应 所以 一般不加入积分作用 只选择比例控制规律只要主控制器有积分规律 主变量就可以保证没有余差 不管干扰出现在什么位置 1 主 副控制器控制规律的选择 2 2 2 串级控制系统的实施 选择顺序 先副后主副控制器 副回路按单回路独立考虑 与主回路没有关系即从稳定性考虑 开环放大倍数必须为 负 要求 知道副对象的符号 以及控制阀的符号主控制器 考虑主环内各个环节的符号情况主控制器 主对象 以及副回路 副回路可以看作是一个符号为 正 的环节 随动系统 跟踪主控制器的输出 2 主 副控制器正反作用的选择 2 2 2 串级控制系统的实施 副控制器 控制阀选 气开 式 正副对象 压力对象 阀门开大 负 反作用压力上升 正变送器一般均为正主控制器 副环 正主对象 温度对象 燃料压力增大时 燃料量增加 负 反作用出口温度上升 正 2 2 2 串级控制系统的实施 例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 2 2 2 串级控制系统的实施 副控制器 控制阀选 气闭 式 负正对象 流量对象 阀门开大 流量增大 正变送器一般均为正主控制器 副环 正主对象 温度对象 蒸汽流量增大时 加热量增加 提馏段温度上升 正 2 2 2 串级控制系统的实施 结论 1 主控制器的正 反作用与阀的开 闭形式无关 2 直接先确定主控的正反作用 2 2 2 串级控制系统的实施 串级 主控 用主控制器代替原副控制器的输出 直接控制控制阀主控 串级 用副控制器代替原主控制器的输出 直接控制控制阀无论哪种切换 必须保证阀的控制方向正确 直接切换条件 3 串级与主控的切换条件 例1 2 2 2 串级控制系统的实施 sp const sp const 副控制器为反作用 负 sp const sp const 副控制器为正作用 正 可见 此时主 副控制器输出信号变化一致 此时主 副控制器输出信号变化不一致 如副控是反作用 可执行切换 如副控是正作用 需先改变主控的方向 再切换 条件 结论 如对控制阀的开闭形式没有要求 应选择使副控为反作用的开 闭形式 2 2 2 串级控制系统的实施 2 3 串级控制系统的投运和整定 2 3 1 串级控制系统的投运 根据组成系统的仪表类型有所不同基本原则 先投副环 后投主环 保证投运无扰动 型以上仪表 计算机控制 2 3 1 串级控制系统的投运 投运步骤 4 调节主控制器手操输出 使副控制器的偏差为零5 分别将副 主控制器切入自动 1 主 副控制器手动位置 主控制器内给定 副控制器外给定 正反作用正确 PID参数正确 2 副控制器手动操作 3 通过副参数的变化 使主参数接近给定值 而副参数变化也比较平稳 2 3 2 串级控制系统的工程整定方法 逐步逼近法 两步法 一步法 先副环 后主环 两步法 主环控制器比例度100 积分时间最大 微分时间最小 按4 1整定方法直接整定副环 确定副环4 1振荡过程时的比例度和振荡周期 放好副控制器4 1的比例度 积分时间最大 微分时间最小 同样方法整定主控制器 确定副环4 1振荡过程时的比例度和振荡周期 分两步整定两个控制器 按照得到的四个参数 可按单回路系统的公式计算PID参数 先副后主 先比例次积分后微分投入 再小范围调整 2 3 2 串级控制系统的工程整定方法 一步法 副控制器参数经验设置值 按单回路方法直接整定主控制器 主要整定主控制器 比两步法简单 实用 观察控制过程 适当调整主控制器K值 或适当调整副控制器的参数 系统方块图的比较 串级系统和单回路系统 可见串级系统的特点 2 4 串级控制系统的特点 2 4 串级控制系统的特点 1 副回路的存在 改善了对象特性 提高了系统工作频率 GC1 s GC2 s GV s G 02 s G01 s Gm1 s 2 4 串级控制系统的特点 比较可知 串级系统的等效副对象的放大倍数和时间常数都比原副对象的要小 结论 2 4 串级控制系统的特点 2 串级控制系统具有较强的抗干扰能力 特别是干扰出现在副环内的时候 相当于两个控制器进行控制 副 粗调 主 细调 副环起到超前调节的作用据统计 当干扰作用于副环时 控制质量可提高10 100倍 干扰作用于主环时 也可提高2 5倍 例 精馏塔提馏段温度控制系统1 副环干扰2 主环干扰 2 4 串级控制系统的特点 3 串级系统具有一定的自适应能力 自适应问题 控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的 当控制对象特性发生变化时 非线性特性 操作条件变化 负荷变化 原来好的控制器参数就变得不好了 不适应了 串级系统中 副控制系统是随动系统 主控制器可根据操作条件的变化 不断修改副控制器的给定值 自适应能力 能力有限 自适应控制 现代控制技术 串级系统的缺点 仪表多 投运和整定都比单回路复杂工程上 宜简不宜繁 2 5 串级系统副回路的设计 串级系统的关键在于副环的设计设计合理 能有效发挥串级系统的优势设计不合理 失去了串级的意义 而使控制系统复杂化关键 对工艺进行细致的分析 包含有两方面的内容 1 主参数的确定 2 副参数的确定 2 5 串级系统副回路的设计 设计原则 1 使副环包含系统的主要干扰 副环具有快速抗干扰的能力 2 使副环包含更多的干扰 系统干扰较多且难于分出主要干扰 2 5 串级系统副回路的设计 例1 加热炉出口温度控制系统 PC TC A 炉出口温度与燃料压力串级方案 燃料压力波动 2 5 串级系统副回路的设计 例1 加热炉出口温度控制系统 TC2 TC1 B 炉出口温度与炉膛温度串级方案 燃料组成波动 2 5 串级系统副回路的设计 另外 还要考虑副环离主变量的 远 近 问题 非线性使对象特性发生畸变 因此使系统 不适应 副环是个随动系统 具有一定的自适应能力 因此 可以使控制系统在一定程度上克服非线性的影响 3 应使非线性环节尽量包含在副环中 2 5 串级系统副回路的设计 TC1 TC2 例2 醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统 把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中 对主参数的控制具有一定的帮助 2 5 串级系统副回路的设计 图2 17 化纤厂纺丝胶液压力控制系统 串级系统有效地克服胶液传送纯滞后 4 当对象具有较大的纯滞后时 应使副环尽量少包含或不包含纯滞后 尽量将纯滞后放到主对象中 以提高副回路的快速抗干扰能力 5 虑主 副对象时间常数的匹配 防止 共振 发生 共振 在主 副回路振荡频率范围内 其信号相互影响 相互增幅 原因 主副回路的工作频率接近 2 5 串级系统副回路的设计 由频率特性分析 得出结论 1 副环工作频率应该大于主环工作频率的3倍 即 2 3 1 对于时间常数 有T01 3T022 控制器的参数整定上下功夫 主控参数放宽 拉开工作频率 2 5 串级系统副回路的设计 2 3 1 2 5 串级系统副回路的设计 Tp2 Tp1 Tp Gp Gp2 Gp1 Tp2 好 干扰包围多 特性改善明显坏 不灵敏 使系统易于产生共振 Gp2 优 包围干扰多缺 不灵敏Gp2 优 灵敏缺 包围干扰少 6 考虑方案的经济性 工艺的合理性 2 5 串级系统副回路的设计 图2 22丙烯冷却器两种不同串级控制方案 a b 过程控制系统及工程 第三章比值控制系统 比值控制系统 3 1概述3 2比值控制系统的类型3 3比值系数的计算3 4比值控制方案的实施3 5比值控制系统的投运与整定3 6比值控制系统的其他问题 第3章 3 1 概述 工业过程中 经常需要控制两种或两种以上的物料保持一定的比例关系如 造纸过程中 纸浆和水要成一定的比例关系石化重油气化 重油和氧气量要成一定的比例关系锅炉燃烧 煤气和空气成一定的比例关系 等等 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流量比值较多 流量比值控制系统 主物料 主流量 处于比值控制中的主导地位F1从物料 从流量 按主物料进行配比F2比值控制系统 要求副流量F2与主流量F1成一定的比值关系 K为流量比值 3 1 概述 3 2 比值控制系统的类型 3 2 1 开环比值控制系统 a 原理图 b 方块图 3 2 1 开环比值控制系统 本质 整个控制系统处于开环状态 F2流量根据F1流量 按比例系数开闭阀门 场合 这种方案应用较少 优点 简单 仪表少 缺点 系统开环 F2波动时比值难以保证 3 2 2 单闭环比值控制系统 在开环比值控制系统的基础上 增加了一个副流量的闭环控制系统 从方块图上看 与串级控制系统的结构相似 只是主参数没有闭环 F2不影响F1副流量系统闭环 稳定副流量 定值控制 3 2 2 单闭环比值控制系统 3 2 2 单闭环比值控制系统 优点 1 能克服F2的波动2 结构简单 特别是在主流量参数工艺不能控制的场合实施 缺点 1 F1不固定2 F1 F2总量不定3 动态比值较差 场合 应用较广泛 几种物料直接进反应器受到限制 3 2 3 双闭环比值控制系统 在单闭环比值控制系统的基础上 增加了主流量控制回路 3 2 3 双闭环比值控制系统 3 2 3 双闭环比值控制系统 3 2 4 其他类型的比值控制系统 X 3 2 4 其他类型的比值控制系统 这实际上是一个以某种指标X为主参数 两物料比值为副参数的串级控制系统 串级比值控制系统 自整配比控制系统 氧化炉 例子 3 2 4 其他类型的比值控制系统 3 2 4 其他类型的比值控制系统 3 3 比值系数的计算 3 3 1 流量与测量信号成线性关系时的计算 工艺上 比值K是指两个物料的流量之比 而比值控制系统的K 一般是仪表的信号单位的比值 电动仪表4 20mA 气动仪表是20 100KPa 信号转换问题 1 DDZ 型仪表 0 Fmax4 20mADC 3 3 1 流量与测量信号成线性关系时的计算 比值系数K 是仪表信号之比 即 F1max是主流量变送器量程上限F2max是副流量变送器量程上限 2 气动单元组合仪表 0 Fmax20 100KPa 对于不同信号范围的仪表 比值系数的计算公式是一样的 3 3 1 流量与测量信号成线性关系时的计算 结论 差压变送器测量流量 流量与差压成开方的关系 DDZ 型仪表 QDZ仪表 比值系数的计算 3 3 2 流量与测量信号成非线性关系时的计算 几点结论 1 流量比值K与比值系数K 是两个不同的概念 不能混淆 2 比值系数K 与K有关 同时也和流量变送器的量程有关 3 注意变送器的流量与测量的线性关系 3 3 2 流量与测量信号成非线性关系时的计算 3 4 比值控制方案的实施 3 4 1 两类实施方案 1 相乘方案 比值运算部件 乘法器 比值器 分流器 比率器 3 4 1 两类实施方案 2 相除方案 3 4 2 比值控制方案实施举例 I0 K 16 4由K 计算出I0 再由恒流器给出电流值 K 1 采用电动仪表乘法器 I0 K 16 4由K 计算出I0 再由恒流器给出电流值 采用电动仪表除法器 3 4 2 比值控制方案实施举例 3 4 3 比值控制系统中非线性环节的影响 K正比于静态工作点流量F0F0变化 K变化 影响动态质量 1 测量环节的非线性 流量测量时采用差压变送器时 流量与差压为开方关系 对于0 10mA 解决办法 加入开方器 或通过阀特性补偿 补偿办法 通过对数阀特性补偿 3 4 3 比值控制系统中非线性环节的影响 2 除法器的非线性 除法器本身就是一个非线环节 3 4 4 比值控制系统中的信号匹配问题 仪表本身一般有统一的量程 如0 10mA 4 20mA 0 01 0 1Mpa要尽可能在达到最大量程下进行运算而得到较大的精度 需要合理调整仪表量程 设置一定的系数 仪表的信号匹配 相乘方案 K 接近1时最灵敏 精度最高 3 5 比值控制系统的投运与整定 整定的方法步骤 投运前的准备工作与单回路相同 只是注意比值系数问题 根据比值系数计算方法进行计算时 若采用差压法测流量时 由于非线性问题 比值系数需要在线调整 随动系统整定步骤 参数整定 根据比值控制方案的不同 按相应的系统 单回路 串级 进行整定 双闭环比值主回路 定值系统 变比值主回路 串级系统 单闭环比值 双闭环比值副回路 变比值副回路 随动系统 3 5 比值控制系统的投运与整定 3 6 比值控制系统的其他问题 3 6 1 流量测量中的压力 温度的校正 采用差压方法测量气体流量时 若实际工况与设计工况的温度 压力不一致时 将会影响比值精度 需要补偿 在静态比值基础上 要求动态比值一致 即在外界干扰作用下 主副流量接近同步变化 加入动态补偿环节Gz s 理论推导工程做法 也可以通过闭环动态特性测试获得动态补偿环节的传递函数在稳定好副流量控制器参数的基础上 将比值系统投入 对主流量加阶跃干扰 得到副流量控制曲线 做近似处理 可以得到补偿环节 3 6 2 主 副流量的动态比值问题 3 6 3 具有逻辑规律的比值控制 比值控制时 负荷变化时 控制主副流量升降顺序 加入逻辑控制 逻辑提量 例子 锅炉燃烧系统 燃料量与空气量成一定比值 蒸汽用量 逻辑规律 提量 P汽 空气 燃料 降量 蒸汽用量 P汽 燃料 空气 保证燃烧完全 HS高选器 选高LS低选器 选低 3 6 3 具有逻辑规律的比值控制 提量 P汽 空气量 燃料 降量 燃料 空气 图3 20锅炉燃烧过程的具有逻辑规律的比值控制系统 IP P汽 IP 空气 燃料 IP I1 I2 副流量随主流量变化 但当副流量不足 即阀全开时仍不能保证比值控制流量时 一般的控制系统就无能为力了 采用阀位控制 自动解决这个问题阀位控制系统 第七章 通过阀位控制器VC 输入信号阀位开度 和选择器HS在副流量不足时控制主流量 3 6 4 副流量供料不足时的自动配比 3 6 5 主动流量与从动流量的选择 主动量与从动量的选择 工艺参数的地位 主要物料 不可控 其它物料 可控 供应不足问题 安全问题 过程控制系统及工程 第4章均匀控制系统 均匀控制系统 4 1均匀控制问题的提出及特点4 2均匀控制方案4 3均匀控制系统的理论分析4 4其他需要说明的问题 第4章 4 1 均匀控制问题的提出及特点 如串联精馏塔系统 甲塔控制液位 而乙塔要控制进料量 出现矛盾 过程生产的连续性 物料连续 前一设备出 后一设备进 前后设备的控制系统经常会出现不协调 矛盾 均匀控制目的 两参数都允许在一定范围内波动 但波动都不大 4 1 均匀控制问题的提出及特点 解决办法 工艺上可在两塔之间加入缓冲罐 增加投资 控制系统上解决 均匀控制系统 做法 把两参数统一考虑 只设置一个控制系统 如LC 然后调整控制器参数 均匀控制系统的特点 1 结构上无特殊性可以是单回路 可以是串级 均匀是指控制目的 而不是指结构 2 参数都要允许变化 但都要缓慢 并且要有主次 3 参数变化要限定范围 非定值控制 而是定范围控制 注意 明确均匀控制意图 4 1 均匀控制问题的提出及特点 4 2 均匀控制方案 常用的结构形式 4 2 1 1 简单均匀控制结构与单回路相同 在控制器参数整定上不同 较大的比例度和积分时间 弱控制作用 适用于干扰不大 要求不高的场合 图4 5液位和流量I0 IL IF IS 稳定时 IL和IF的符号相反 抵消 IS 结构与串级系统相同 主控制器与简单均匀控制器参数设置相同 常用的结构形式 4 2 1 2 串级均匀控制 3 双冲量均匀控制 冲量 信号 双冲量 一个控制器综合两个测量信号 控制规律的选择 4 2 2 不能加微分控制规律 简单均匀 控制器 纯比例 或比例积分 串级均匀 主控制器 纯比例 或比例积分副控制器 纯比例 或比例积分 双冲量均匀 控制器 比例积分 利 积分的引入对液位参数有利 液位不越限 高频噪声 弊 积分的引入对流量信号不利 平衡状态过程很短 积分饱和 参数整定 4 2 3 串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定 其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定 整定的原则 慢 过渡过程不能出现振荡 根据工艺对流量和液位两个参数的要求 适当调整控制器的参数 以保证液位不超出允许的波动范围 先设置好控制器参数 修正控制器参数 充分利用容器的缓冲作用 使液位在最大允许的范围内波动 输出流量尽量平稳 4 3 均匀控制系统的理论分析 常规的基于传递函数分析方法 略 课本中介绍的关联系统分析方法 4 4 其他需要说明的问题 气体压力与流量的均匀控制 4 4 1 对于汽相物料 前后设备间的均匀控制一般是压力和流量的串级均匀控制 图4 12 精馏塔 回流泵 去加氢反应器 分离器 PC FC 过程控制系统及工程 第5章前馈控制系统 前馈控制系统 5 1前馈控制系统的特点5 2前馈控制系统的几种主要结构形式5 3前馈控制规律的实施5 4前馈控制系统的应用5 5前馈控制系统的参数整定5 6多变量前馈控制 第5章 5 1 前馈控制系统的特点 反馈 亡羊补牢 前馈 防患于未然 5 1 前馈控制系统的特点 用加热载体的流量控制被加热流体的温度 滞后控制 前馈控制 按干扰进行控制的开环控制方式 a 反馈控制方案FBC 按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响 超前控制 换热器进料量为出口温度的主要干扰量 可通过流量测量 通过前馈装置 控制阀门 即用蒸汽变化补偿由于进料流量变化对出口温度的影响 b 前馈控制方案FFC 5 1 前馈控制系统的特点 5 1 前馈控制系统的特点 前馈控制系统的补偿过程 5 1 前馈控制系统的特点 前馈控制系统的特点 被控变量的偏差 干扰量的大小 被控变量 干扰量 偏差出现后 偏差出现前 5 1 前馈控制系统的特点 开环控制 控制效果不能通过反馈验证 因此对控制器设计的要求比较严格 对象 不象反馈控制通用PID算法 前馈控制算法依对象不同而不同 前馈控制器设计依据 扰动补偿理论 5 1 前馈控制系统的特点 5 1 前馈控制系统的特点 缺点 5 2 前馈控制系统的几种主要结构形式 动态前馈控制 实现动态干扰补偿 静态前馈控制 实现稳定工况下的干扰补偿 要求没有动态那么高 单纯的前馈控制系统 5 2 1 图5 4锅炉汽包三冲量控制 蒸汽量D 液位L 流量F 静态前馈控制系统 例子1 给水 蒸汽 单纯的前馈控制系统 5 2 1 对于较为简单的对象 可以写出静态方程式 例子2 Cp 比热 hs 蒸汽的汽化潜热 单纯的前馈控制系统 5 2 1 图5 5换热器的静态前馈控制流程原理图 FC 1i Cp hs 开环不稳定对象 要在控制器设计时注意 单纯的前馈控制系统 5 2 1 有时 为了提高动态品质 可在静态前馈基础上适当加入动态环节 单纯前馈控制要注意系统稳定性问题 开环通道稳定 FFC稳定 前馈 反馈控制系统 5 2 2 单纯前馈控制的局限性 1 不能根据偏差进行控制效果检验 不能反馈 而不断纠正偏差 2 受模型精度影响GPD s GPC s 3 一个前馈控制只能处理一个扰动 前馈 反馈控制系统 5 2 2 图5 7换热器FFC FBC系统 FFC按负荷F的变化校正蒸汽量Fs FBC根据温度偏差 对蒸汽量Fs进行进一步校正 FFC与FBC作用叠加 又称复合控制系统 前馈 反馈控制系统 5 2 2 前馈 反馈控制系统 5 2 2 GPD s 十Gff s GPC