过程控制工程总结1

1、过程控制工程总结1 被控对象的多样性多样性： 催化裂化装置、高炉、精馏塔、燃煤锅炉 过程特性的难辨性难辨性： 催化裂化过程的模型、高炉冶炼的模型 普遍存在滞后滞后： 换热器温控过程、空气分离过程 特性往往具有非线性非线性： 间歇式加温过程、高炉冶炼过程过程控制(Process Control)l 工业生产过程：石油、化工、冶金、纺织等。l 过程参数：温度、压力、流量、液位、成分 l 过程控制：工业生产过程中过程参数的控制。过程控制工程中的重要术语被控变量/受控变量 (Controlled Variable，CV)是指：必须保持在某一期望值的变量或工艺参数设定值/给定值 (Setpoint，SP

2、)是指：被控变量的期望值操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable，MV)是指：控制系统直接可操作、并用于使被控变量保持在其设定值的其它工艺变量扰动/扰动变量 (Disturbance，DV)任意可能导致被控变量偏离其设定值的、而控制系统本身又无法干预的各种因素。过程控制系统设计概述过程控制系统的设计过程 确定控制目标，选择被控变量 选择测量参数和仪表 操作变量的选择和主要干扰分析 操作变量和被控变量的配对 执行器的选择 控制系统的现场安装、调试和投运控制系统举例 对于上述储气罐压力控制系统，请指出其 CV、SP、MV、DVs，并给出其控制系统的方块图与设计目标。2211F

3、KFKdtdPVPPfKFV11112222PPfKFV假设变量之间满足以下关系：uf1001控制方块图一般的反馈控制系统常用被控变量（CV）：某一工艺介质的温度、压力/差压、流量、液位/料位、成份含量、属性。一般的反馈控制系统控制器包括: 硬件、系统软件与应用软件控制方案/算法及其实现常用控制算法 PID类（包括：单回路类（包括：单回路PID、串级、比值、分程、选择或超驰串级、比值、分程、选择或超驰控制等）控制等）特点：特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。 APC类类（先进控制方法，包括：前馈前馈、解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），特

4、点：特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。总结控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值过程：需要实现控制的机器、设备或生产过程过程特性：是指被控过程的输入变量（操纵变量或扰动变量）发生变化时，其输出变量（被控变量）随时间的变化规律。简单控制系统方块图通道：输入变量对输出变量的作用途径控制通道：操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径扰动通道：扰动变量f(t)对被控变量c(t)的作用途径广义对象特性主要通过响应曲线来呈现控制通道的响应曲线：当被控作

5、用u(t)做阶跃变化（扰动f(t)不变）时被控变量的时间特性c(t)扰动通道的响应曲线：当扰动f(t)做阶跃变化（控制作用u(t) 不变）时被控变量的时间特性c(t)被控过程的分类 自衡过程/稳定对象(1) 纯滞后过程 (2) 单容过程(3) 多容过程 非自衡过程例如：某些液位对象与某些放热反应器获取过程动态特性的途径 基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。 基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。机

6、理建模的步骤 根据建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设 ； 根据过程的内在机理建立数学方程； 进行自由度分析，保证模型有解； 简化模型。描述过程特性的关键参数 过程增益（K）过程输出（响应输出）的变化量与过程输入（施加激励）的变化量的比值，即finalinitialfinalinitialOOOutputKInputIIn过程一阶时间常数（T）n过程纯滞后时间（）05101520253035404550253035404550556065Time, minTemperatureInlet Temp.Outlet Temp.speepest slope 过程增益计算举例 #1(4530) C

7、ent(6050) CentCent outlet temp.1.5Cent inlet temp.finalinitialfinalinitialOutputKInputOOII过程增益备注 过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。 被控过程增益包括三部分：符号、数值与单位。 过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。05101520253035404550345678910Time, minmeterLiquid Level9+(4-9)*63.2% = 5.84 T 过程一阶时间常数（T） 基本定义对单容过程而言

8、，过程一阶时间常数定义为过程输出开始变化至达到全部变化的63.2%所需的时间.过程纯滞后时间（） 基本定义过程纯滞后时间定义为过程输入施加激励至过程输出开始变化所需的时间.05101520253035404550253035404550556065Time, minCentInlet/Outlet Temp.Inlet Temp. Outlet Temp. T 关于过程特性参数 K,T, 这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中 K 反映静态特性，而T、 反映了过程的动态特性。 由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。 对象两时间参

9、数的比值（/ T）直接关系到控制系统的可控性。/ T越大，控制难度越大。气动调节阀的结构u(t)：控制器输出 ( 420 mA 或 010 mA DC)；pc ：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积；q ：受调节阀影响的管路相对流量。执行机构电气转换器阀体管路系统u(t)pclfq执行机构阀体.pc气动调节阀的工作原理功能：根据阀头气压的大小，通过阀杆改变阀体中阀芯的位置，进而调节流经阀体的流体流量。阀门的“气开”与“气关”1. 气开阀与气关阀 * 气开阀： pc f (“有气则开”) * 气关阀： pc f (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气

10、关阀全开。2. 气开阀与气关阀的选择原则 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。调节阀的气开气关选择出料进料冷却剂TCTC进料出料燃料TTmTspRfu调节阀的理想流量特性100806040200204060801003.3f 100l 1001243调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。( )flf 为相对流量；l 为相对开度：n 线性阀（1）：fKdldfn 等百分比阀或称对数阀（2）：fKdldff调节阀流量特性总结n 线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而

11、随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。n 对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少， Kv 渐近于常数。调节阀流量特性的选择n 选择原则：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。控制系统“广义对象”的概念“广义对象”包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对CV测量输出的影响。 “广义对象”的概念控制器GC (s)执行器GV (s)控制通道GP (s)测量变

12、送Gm (s)ysp(t)+_u(t)q(t)扰动D(t)干扰通道GD (s)+广义对象y(t)ym (t)特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。广义对象的描述控制器GC (s)控制通道GP 1 (s)偏差 e+_扰动 D干扰通道GD 1 (s)+广义对象ysp(t)ym (t)u(t)1spppK eGT s可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：获取过程动态特性的途径 基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的

13、动态特性。 基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。对象特性的阶跃响应测试法 借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出CO（控制器输出）与TO （变送器输出）的动态响应数据。(1) 将控制器改为“手动”操作模式；(2) 以阶跃方式，改变控制器输出；(3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。 基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数 过程增益的计算(2025)T/hr(12 10)mAT/hr2.5mAfinalinitpfinalinityyKuu 1spppK eGT s过程的时间常数1spppK

14、 eGT s过程的时间滞后1spppK eGT sHOMEWORKHOMEWORKP2-3 P2-5P2-7P2-9总结PID 控制器控制器PID（比例（比例-积分积分-微分）控制器微分）控制器001( )( )( ( )(),tcdide tu tKe tedTuTdt1( )(1)ccdiG sKT sTsTd 为微分时间n 理论PID 控制器n 工业 PID 控制器11( )11dccdidT sG sKTTssAAd 被称为微分增益。 控制器增益 Kc或比例度PB增益增大(即Kc 增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降； 积分时间Ti积分作用增强（即Ti 下降），使系统消除

15、余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降； 微分时间Td微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。PID参数对控制性能的影响参数对控制性能的影响PID控制器类型选择控制器类型选择*1: 对于某些具有较长时间常数的慢过程，建议引入微分作用。但若存在较大的测量噪声，需要对测量信号进行一阶滤波或平均滤波分析上述选择原因 ?被控过程控制器类型温度 / 成份PID*1流量 / 压力 /液位PI部分液位PPID参数整定的概念参数整定的概念经验法经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再

16、作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见 p.58 表3-2）基于过程特性参数基于过程特性参数K, T,的的离线参数整定法离线参数整定法 步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K, T,。 步骤 3：按经验公式设定 PID参数 Kc、Ti、Td，并将控制器切换至“自动”模式。 步骤 4：根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益

17、Kc直至满意为止。01020304050607080901005456586062%Controller Output01020304050607080901006668707274767880%Transmitter Output离线整定仿真举例离线整定仿真举例步骤步骤 1：阶跃响应测试：阶跃响应测试 See ./PIDControl/PIDLoop.mdl01020304050607080901006668707274767880%minTransmitter Output步骤步骤 2：获取过程参数：获取过程参数0632. 0TTtOOOttT283. 0632. 05 . 1,%,%fi

18、nalinitialfinalinitialTOTOTOKCOCOCO步骤步骤 3：获取初始：获取初始PID参数参数(Ziegler-Nichols 方法方法)控制器类型KcTiTdP0PI0PID1TK 0.9TK 1.2TK 3.332.00.5注意：上述整定规则仅限于0T取值步骤步骤 3：获取初始：获取初始PID参数参数(Lambda 整定法整定法)控制器KcTiTdP0PIT0PIDT/21TK 1TK 1TK 00.2注意：上述整定规则不受/T 取值的限制PID控制器的积分饱和问题控制器的积分饱和问题详见以下仿真举例/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl积分

19、饱和问题的由来问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。单回路单回路PID控制器的积分饱和现象控制器的积分饱和现象讨论以下现象：（1）控制器的积分饱和现象（2）控制阀全开或全关0204060801001201401601802005560657075Ym, Ysp020406080100120140160180

20、200-15-10-505D02040608010012014016018020050100150Uc, Up单回路控制的抗积分饱和原理单回路控制的抗积分饱和原理原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。maxmaxmaxminminmin)(,)(),()(,)(utuifuutuuiftuutuifutuccccp0204060801001201401601802005560657075%Ysp, Ym020406080100120140160180200050100150%time, minUc, Up抗积分饱和仿真举例抗积分饱和仿真举例工业单回路工业单回路PID控制器控制器

21、PID1PID2HOMEWORKHOMEWORKP3-5 总结串级控制思想的引入串级控制思想的引入 燃料供应系统的波动首先影响燃料气流量 Fgas ，然后再影响工艺介质炉出口温度。 基本思想基本思想：一旦感受到Fgas的变化，在T开始变化以前，就应当调整燃料阀的操作。 具体实现具体实现：该校正动作采用Fgas为中间变量来尽早感受干扰，并通过调节MV以减少干扰对CV的影响。如何减少 Pgas变化对炉出口温度的影响 ?工艺介质炉出口温度串级控制方块图这里，TC 23 被称为“主控制器”，而 FC 13 被称为“副控制器”；D1 表示了各种直接进入外回路的干扰，D2 表示了各种直接进入内回路的干扰。

22、干扰举例？串级控制中的常用术语串级控制中的常用术语 串级控制中副参数的选择原则串级控制中副参数的选择原则 对于某些干扰，副参数应比主参数更快地感受到其变化，而且“越快越好” 副回路应尽可能多地包含主要干扰，而且“越多越好” 如果可能，副回路应包含一些非线性对象。常见的串级回路：温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、液位-流量、温度-温度等。串级控制器类型选择串级控制器类型选择 副控制器（也称内回路控制器）通常采用PI控制律原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力 （强比例作用+弱积分作用，为什么？） 主控制器通常选用PID控制律（液位串级控制除外）通常主对象的响应速度缓慢，并带有较显著

23、的纯滞后，主控制器经常引入微分作用。 串级控制器参数整定步骤串级控制器参数整定步骤 #1#1 设置主控制器至“手动”方式，参照单回路整定方式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论？串级控制器参数整定步骤串级控制器参数整定步骤 #2#2 将副控制器切换至“自动” ，并以阶跃方式手动改变主控制器的输出（即副控制器的设定值），记录主回路“广义对象”的输出输出数据；并获取主对象对应的动态特性参数。串级控制器参数整定步骤串级控制器参数整定步骤 #3#3 参照单回路离线方式整定主控制器PID参数，并将主控制器切换至“自动”。结合主控制器给定值阶跃响应，适当调整主控制器增益，直至满意。总结前馈控制的一般概念D

24、1(t), , Dn(t) 表示某些可测量、且对被控变量CV影响显著的干扰 前馈控制的基本原理：前馈控制的基本原理：在这些可测干扰影响CV以前，同时调节操作变量MV以抵消这些干扰的影响，最终使CV维持不变或基本不变。线性前馈控制器的设计设计目标：( )( )( )( )( )( )0mYDYCFFDMYsGsGs Gs GsD s线性前馈控制器设计(续)前馈控制器设计公式：( )( )( )( )YDFFYCDMGsGsGs Gs ( )( )( )( )( )( )0mYDYCFFDMYsGsGs Gs GsD s设计目标：线性前馈控制器设计(续)( )( )( )( )YDFFYCDMGs

25、GsGs Gs ssTKsGDYDYDYDexp1)(ssTKsGCYCYCYCexp1)(DMDMKsG)(ssTsTKsGFFYDYCFFFFexp11)(DMYCYDFFKKKKCDFF, 0max( 为什么 ? )前馈控制器设计公式：物理意义分析可实现条件可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次；（2） 动态前馈控制的可实现性CD若条件（2）不满足，可人为令CD若条件（1）不满足，可令TDM = 0，而GYD (s)与GYC (s)均用一阶+纯滞后近似。因而，工业系统中常用的动态前馈控制器为sFFFFFFesTsTKsG11)(12前馈控制器的类型 静态前馈控制与动态前馈控

26、制 线性前馈控制与非线性前馈控制讨论常见的前馈控制器类型ssTsTKsGFFYDYCFFFFexp11)(DMYCYDFFKKKK混合过程的控制问题与解决方案问题：问题：当NaOH 流量QB变化时，如何通过调节水量QA 来维持混合液的浓度在 6 8%解决方案：解决方案：(1) 通过测量混合液的浓度，并采用单回路反馈控制来满足上述要求；(2) 不直接控制混合液浓度，而是采用输入流量比值控制来间接达到上述要求（即前馈控制方案）一般的流量比值控制问题控制问题：控制问题：通过操作流体A的流量QA以维持两流量的比值不变，即 QA / QB = KAB, 即使流体B的流量QB变化。流体B可被称为主动流体，

27、而流体A可称为被动流体。maxmax1ABABQQKK 比值控制方案 #1稳态条件：稳态条件：1maxmax100100,ABABQQKQQBAABQQK假设两流量变送器均为线性，其输出为0 100%，仪表量程分别为0, QAmax、0, QBmax,1,A mA spB mQQK Q比值控制方案 #21maxmax211KQQKKBAAB稳态条件：稳态条件：2maxmax100100,ABABQQKQQBAABQQK,2,B mmA mQyK Q比值控制方案 #3稳态条件： QA, sp = QA, mmaxmax1maxmaxBBAABBAAQQQKKQQQ对于以%为单位的数字仪表，乘法器

28、输出为,1,A spB mQKQ讨论：与方案#1的异同比值控制方案 #4,A mmB mQRQ稳态条件：Rsp = Rm而除法器输出为maxmaxmaxmaxBBAspABBAAQQQRKQQQ但该流量回路存在很强的非线性。为什么?存在问题存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。HOMEWORKHOMEWORKP4-3P4-5 中期总结均匀控制问题均匀控制问题LCh(t)qo(t)qi(t)塔甲塔乙当塔甲的进料量qi(t)变化时，希望塔甲的液位h(t)与出料 qo(t)同时平稳，以确保塔乙进料波动的减少。完全不同于单

29、纯的液位控制系统，要求液位与出料 同时“均匀”地变化。均匀控制系统的特点均匀控制系统的特点 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与操纵变量(MV)都有平稳的要求； 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。 均匀控制指的是控制功能控制功能，而不是控制方案。均匀控制系统的分析均匀控制系统的分析LCH(t)Qo(t)精馏塔FCQi(t)A假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成)()()(tQtQdttdHAoi均匀控制系统

30、的分析均匀控制系统的分析(续续1)假设液位测量范围为Hmax，进出流量的测量范围均为Qmax，则广义对象特性可表示成maxmax),()()(QAHTtqtqdttdhThoih其中h(t)、 qi(t)、 qo(t)分别为液位与进出流量的归一化值。LCH(t)Qo(t)精馏塔FCQi(t)A均匀控制系统的分析均匀控制系统的分析( (续续2)2)对于纯比例控制器Gc = Kc，可得到的闭环特性为：1( )( )11,( )( )11cochhihcihcccKq sKh sTTq sT sKq sT sKssKKLCH(t)Qo(t)精馏塔FCQi(t)A纯比例纯比例均匀控制系统的特点均匀控制

31、系统的特点 可实现进出物料的自动平衡； 当物料的平均停留时间Th一定时，控制器增益Kc的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动与余差同时增大； 为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少量的积分作用。1( )( )11,( )( )11cochhihcihcccKq sKh sTTq sT sKq sT sKssKK均匀控制系统仿真举例均匀控制系统仿真举例均匀控制的均匀控制的PIDPID参数整定参数整定 对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择PI规律，按单回路工程整定法确定其PI参数。 对于主调节器，一般应选择纯比例规律，即积分时间足够大。通过调整增益Kc以使出料尽可能地平缓，而同时确保液位不超出

32、允许范围。有时为减少液位的调节余差，可引入少量的积分作用，但积分时间应大于纯比例控制下系统对于主要扰动的恢复时间。 当液位测量噪声较大时，为避免出料流量的同频率波动，可对液位测量信号进行低通滤波。控制器的“正反作用”选择问题控制器Gc (s)执行器Gv (s)控制通道Gp (s)测量变送Gm (s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD (s)+被控对象问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的作用方向选择：假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即： u Rf。 假设温度控制器为正作用，即：Tm u；则TC进料出料燃料T

33、TmTspRfuTmuRfTTm结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.超驰控制问题的提出 在超驰控制（也称“选择控制”、“约束控制”）系统中，仅有一个操作变量MV，但有两个或两个以上被控变量CVs，其中 一个常规的 CV，要求一直维持在其设定值（属精确控制）； 其余均为辅助 CVs，要求维持在一定的操作范围（某一上下限之间）内以确保安全。缓冲罐液位与流量控制的兼顾问题如何避免液位低于 hmin ?控制方案 #2 （1）试给出该超驰控制系统的方块图（2）如何保证两回路切换过程的平稳 ?LS: 低选器 （Low Selector）u(t) = min(u1, u2)流量液位选择控制系统方块图流量液位超驰控制方案RFB：外部积分反馈 (external reset feedback）LS: 低选器 （Low Selector）u(t) = min(u1, u2)超驰控制中的抗积分饱和特点分析：只有处于闭环条件下的控制器才有积分作用，而非活动控制器只是跟踪活动控制器的输出。讨论正常工况下与液位过低情况下，该控制系统如何工作？分程控制的基本设计思想 在分程控