过程控制系统

过程控制系统

第一章

绪论第二章

单回路控制系统第三章

串级控制系统1精品PPT|借鉴参考第一页，共六十四页。过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。过程控制的特点：

1、被空对象的多样性

2、普遍存在滞后

3、特性往往具有非线性

4、控制系统比较复杂

凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。

1、过程控制的概念第一章绪论2、过程控制的特点2精品PPT|借鉴参考第二页，共六十四页。1-1典型单回路控制系统3、系统组成1、控制原理(如下图)以液体储槽的水位控制为例进行说明。液位变送器液位控制器执行器2、系统方块图3精品PPT|借鉴参考第三页，共六十四页。3、主要组成部分

(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。

(2)、检测变送单元：

(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。

(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。

(5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。

1、被控对象

(简称对象或过程)：

2、被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。4、常用术语4精品PPT|借鉴参考第四页，共六十四页。

：

凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。)

4、控制参数：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。

5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。

6、给定值：即被控变量的设定值。

7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。

8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。3、干扰:

5精品PPT|借鉴参考第五页，共六十四页。有常规控制系统、计算机控制系统。一、一般分类1、按工艺参数分类：

有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。2、按系统的任务分类：有比例控制、均匀控制、前馈控制等。3、按自动化装置的不同分类：5

过程控制系统的分类6精品PPT|借鉴参考第六页，共六十四页。5、按是否形成闭合回路分类：是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。

二、按设定值形式分类4、按控制器的动作分类：有1、定值控制系统PPIPID位式开环闭环、。7精品PPT|借鉴参考第七页，共六十四页。2、随动控制系统其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。3、程序控制系统8精品PPT|借鉴参考第八页，共六十四页。1.衰减比n：衰减比（Subsidenceratio）是控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：n=B1/B2

n=1等幅振荡n>1衰减振荡n无穷大为非周期过程一般认为，n=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。衰减率ψ:

是衡量过度过程稳定性的一个动态指标(于递减比含义相同).一般取=0.75～0.9。用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：

6控制系统的品质指标9精品PPT|借鉴参考第九页，共六十四页。2．超调量和最大动态偏差：

随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：

定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：

3．余差：

它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下，余差（Steady-stateerror）为：定值控制系统中，r=0，因此有：e(∞)=-C。余差是控制系统稳态准确性指标。10精品PPT|借鉴参考第十页，共六十四页。4．回复时间和振荡频率：

被控变量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间作为过渡过程的回复时间Ts（Settlingtime）。回复时间是控制系统的快速性指标。振荡频率ω与振荡周期T的关系是

在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。5．偏离度：

控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最大偏差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。11精品PPT|借鉴参考第十一页，共六十四页。12精品PPT|借鉴参考第十二页，共六十四页。控制系统运行的重要准则13精品PPT|借鉴参考第十三页，共六十四页。第二章单回路控制系统

1、典型例子：见下图一、系统的基本结构

单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章内容无疑是重点之一。§2-1概述液位变送器液位控制器执行器14精品PPT|借鉴参考第十四页，共六十四页。

2、系统方框图3、特点最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。15精品PPT|借鉴参考第十五页，共六十四页。一、被控参数(即被控量)的选择1.选择的意义§2-2被控参数和控制参数的选择2.选择方法(1).选直接参数

即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)

(2).选间接参数

当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度控制间接实现化学反应的质量控制。)16精品PPT|借鉴参考第十六页，共六十四页。3.选间接参数的原则

必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。

间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。

间接参数要有足够的灵敏度。

二、控制参数(即控制量)的选择

当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。一般希望控制通道克服扰动的应使扰动作用点位置远离被控量能力要强，动态响应应比扰动通道快,要突出干扰作用,应使扰动作用点位置远离被控量。17精品PPT|借鉴参考第十七页，共六十四页。(三).实例讨论

例1：喷雾式乳粉干燥设备的控制。

1.控制要求：干燥后的产品含水量波动要小。

2.被控参数选择：干燥器里的温度

3.控制参数的选择

(三种方案如图所示)

18精品PPT|借鉴参考第十八页，共六十四页。分析可知，以风量作控制参数为最佳选择。19精品PPT|借鉴参考第十九页，共六十四页。

在自动控制系统中，接受调节器的指令；

经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；

去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料。0、概述

1.作用2.组成§2-3执行器选择20精品PPT|借鉴参考第二十页，共六十四页。3.类型

21精品PPT|借鉴参考第二十一页，共六十四页。由两部分组成，如右图所示。一、气动薄膜控制阀的工作原理22精品PPT|借鉴参考第二十二页，共六十四页。(一)、气动薄膜执行机构

1、组成：由膜片、推杆、弹簧等组成。2、作用方式正作用—控制气压增加时，其开度增加。反作用--控制气压增加时，其开度减小。3、作用原理

PPAe=kll=AeP/k

(二)、控制阀体

1、作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。

当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。

2、调节原理23精品PPT|借鉴参考第二十三页，共六十四页。二、控制阀的流量特性

1、概念

理想(固有)流量特性--假定阀前后差压不变。工作(实际)流量特性.2、类型24精品PPT|借鉴参考第二十四页，共六十四页。(一)、理想流量特性

取决于阀芯曲面的形状。

1、直线流量特性

(1)、定义：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即(2)、特性方程25精品PPT|借鉴参考第二十五页，共六十四页。

2、其他流量特性

(3)、特点：适于在较大开度下使用。(注：国产阀，可控比R=30)

对数特性：小流量时，控制作用平缓；大流量时，控制作用灵敏有效，克服了直流特性的不足。快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特性小开度时控制性能差的缺点。26精品PPT|借鉴参考第二十六页，共六十四页。三、控制阀作用方式的选择

选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。1、从生产的安全出发2、从保证产品质量考虑3、从降低原料和动力的损耗考虑4、从介质特点考

(一)、气开气关方式的选择

先选气开、气关方式，再选执行机构。

(二)、执行机构正、反作用方式的选择27精品PPT|借鉴参考第二十七页，共六十四页。

§2-4控制器的选型

积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。

TI愈小，稳定性愈差。

信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。

根据对象特性和控制质量要求选择控制器的控制作用确定控制器的类型。

随着控制器放大系数Kc的增大，控制系统的稳定性降低。

随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除。二、积分控制作用对控制质量的影响一、比例控制作用对控制质量的影响28精品PPT|借鉴参考第二十八页，共六十四页。三、微分控制作用对控制质量的影响

(1)、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。

(2)、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。

引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。四、控制器的选型应由对象的特性和工艺要求确定

1、P控制器的选择29精品PPT|借鉴参考第二十九页，共六十四页。

2、PI控制器的选择

(1)、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。 (2)、适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。

(1)、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。(2)、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。

负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。

4、复杂控制系统3、PID控制器的选择30精品PPT|借鉴参考第三十页，共六十四页。五、控制器正、反作用的选择

原则：使整个单回路构成负反馈系统---乘积为负。1、控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”；

2、控制器：正作用为“＋”，反作用为“-”；3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“＋”，随之减少为“-”；4、变送器：一般为“＋”；

控制器正、反作用选择的判别式：

(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“-”31精品PPT|借鉴参考第三十一页，共六十四页。控制系统运行的重要准则32精品PPT|借鉴参考第三十二页，共六十四页。控制系统框图的几点说明33精品PPT|借鉴参考第三十三页，共六十四页。说明几点：简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。对象的增益有正、有负例如：加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负；气开阀的增益为正、气关阀的增益为负；正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正；检测变送器的增益一般为正。通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。34精品PPT|借鉴参考第三十四页，共六十四页。

如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。控制器的参数整定，就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态。4：1递减比为最佳参数整定的常用依据。4:1参数整定的方法:1、概述§2-5控制器的参数整定35精品PPT|借鉴参考第三十五页，共六十四页。：对数频率特性法、根轨迹法等。(2)、工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。

(1)、理论整定法

对于单元组合仪表

比例度的概念：对于比例作用大小，工业控制器常用δ表示，其义为：36精品PPT|借鉴参考第三十六页，共六十四页。一、现场经验凑试法二、稳定边界法（临界比例度法）

是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。三、阻尼振荡法（衰减曲线法）

是在总结稳定边界法的基础上，经过反复实验提出来的。四、响应曲线法（动态特性参数法）

依据对象的响应曲线---飞升特性整定参数，精度更高。37精品PPT|借鉴参考第三十七页，共六十四页。第三章串级控制系统§3-1概述

单回路控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。

复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务

串级控制系统：对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。38精品PPT|借鉴参考第三十八页，共六十四页。一.串级控制系统的组成

以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例。(1)、采用直接控制方案：如图4-1所示。优点：所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。缺点：对燃油流量变化等干扰控制不及时，总滞后较大。(2)、采用间接控制方案：如图4-2所示。优点：能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰。缺点：燃料油控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量和温度、炉膛压力变化等方面的干扰。1、问题的提出39精品PPT|借鉴参考第三十九页，共六十四页。

加热温度测量返回40精品PPT|借鉴参考第四十页，共六十四页。

加热流量测量返回41精品PPT|借鉴参考第四十一页，共六十四页。PPT内容概述过程控制系统。1、被控对象(简称对象或过程)：。7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。1.衰减比n：衰减比（Subsidenceratio）是控制系统的稳定性指标。最简单、最基本。应用最广泛、最成熟。一、被控参数(即被控量)的选择。§2-2被控参数和控制参数的选择。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。正作用—控制气压增加时，其开度增加。PPAe=kll=AeP/k。当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特性小开度时控制性能差的缺点。简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。三、阻尼振荡法（衰减曲线法）。四、响应曲线法（动态特性参数法）。(2)、采用间接控制方案：如图4-2所示。§3-3串级控制系统的工业应用。逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。63第四十二页，共六十四页。

(1)、结构图：将图4-1、图4-2方案综合起来，即得串级控制系统如图4-4所示。

2、系统组成

加热流量测量温度测量43精品PPT|借鉴参考第四十三页，共六十四页。(2)、方框图：如图4-3所示。(3)、特征：两台控制器串联在一起，控制一个调节阀。44精品PPT|借鉴参考第四十四页，共六十四页。(4)、另一实例45精品PPT|借鉴参考第四十五页，共六十四页。(5)、常见名词术语:主、副变量，主、副控制器，主、副对象，主、副变送器，主、副回路等，如图4-5.4-546精品PPT|借鉴参考第四十六页，共六十四页。二、二次干扰作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。图4-5为串级控制系统的通用方框图。三、串级控制系统的工作过程仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析克服干扰的过程。1、干扰来自燃料油流量初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变。出口温度变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设定值。47精品PPT|借鉴参考第四十七页，共六十四页。2、干扰来自原料油(1)、使主、副变量同向变化(2)、使主、副变量反向变化

分析可知：副控制器具有“粗调”作用，主控制器具有“细调”作用；两者配合，控制质量必高于单回路控制系统。

出口温度温度控制器输出流量控制器设定值3、一、二次干扰同时出现燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。48精品PPT|借鉴参考第四十八页，共六十四页。§3-2串级控制系统的特点一、时间常数

串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，放大系数增大，从而显著提高控制质量。二、工作频率

由于等效副回路时间常数的缩短，系统的工作频率提高了三、抗干扰能力串级比单回路抗干扰能力差。四、有一定的自适应能力

单回路控制系统只有一个控制器，设定值一般不变，难以适应负荷非线性的变化。串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强。49精品PPT|借鉴参考第四十九页，共六十四页。§3-3串级控制系统的工业应用

当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。例如下图所示：

原则：凡是用单回路控制系统能满足控制要求的，就不再用串级控制系统。一、用于克服对象的纯滞后50精品PPT|借鉴参考第五十页，共六十四页。副变量：过热蒸汽温度，位于滞后较小的B点。被控参数：A点温度控制参数：减温水流量主要干扰：减温水压力波动。51精品PPT|借鉴参考第五十一页，共六十四页。二、用于克服对象的容量滞后 容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。 以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大，致使控制质量变差。 对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制系统的使用最为普遍，效果较好。 此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。 副环的时间常数不能过大，以防共振；也不能过小，力求多包含一些干扰。

例如下张图：52精品PPT|借鉴参考第五十二页，共六十四页。燃料油热值变化后，炉膛反应滞后3分钟，而出口温度则需15分钟。53精品PPT|借鉴参考第五十三页，共六十四页。三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰

串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。

设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在副回路中。

副回路放大系数应大些，会使抗干扰能力大大提高。

例如下图4-13，脱气塔的压力对主控指标(液位)影响很大，甚至造成溢出或打干的事故，是主干扰，串级控制后效果很好。54精品PPT|借鉴参考第五十四页，共六十四页。四、用于克服对象的非线性负荷变化会引起工作点的移动。当负荷变化大且频繁时，只有高级控制系统才有重整参数以适应控制要求的能力。

一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。

例在图4-14中，其中部温度要严控，则将具有非线性特性的换热器包含在副回路。55精品PPT|借鉴参考第五十五页，共六十四页。§3-4串级控制系统的设计

主变量(操纵量)的选择原则主要有：(1)、条件允许时选质量指标作为主变量。

正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其特点。设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制规律选型和正、反作用的确定。一、主、副回路的选择(一)、主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。

(2)、其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量。(3)、所选主变量应有足够的灵敏度，且工艺合理、易实现。56精品PPT|借鉴参考第五十六页，共六十四页。(二)、副回路应包括尽可能多的扰动。

应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉，主扰动为然油压力还是然油热值，则副回路的选择大不相同。

并非包括的干扰越大越好。干扰包括得越大，副变量的位置会越靠近主变量，灵敏度会降低。(三)、主、副对象的时间常数要匹配。(四)、选副回路应考虑工艺上的合理性(五)、副回路设计应考虑经济性原则57精品PPT|借鉴参考第五十七页，共六十四页。

1、对主变量控制质量要求高主变量宜采用PI规律；欲克服容量滞后，应引进微分作用，采用PID规律。副变量一般采用P规律就可以了。2、对副变量控制要求也较高主、副变量均采用PI控制规律。3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动主变量采用P规律，副回路对主回路的跟随要求快而准时采用PI控制规律。二、主、副控制器的选择

(一)、控制规律的选择58精品PPT|借鉴参考第五十八页，共六十四页。副控制器按单回路方式选择。

主控制器按下式确定:(二)、正、反作用方式的选择

4、对主、副变量控制要求均不高

可均采用P规律；必要时对主变量控制引进微分作用。

(主控制器+/-)(副对象+/-)(主对象+/-)=(-)

主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确，可进行验证。59精品PPT|借鉴参考第五十九页，共六十四页。§3-5串级控制系统

控制器参数的整定

所谓投运，就是通过适当的步骤，使主、副