过程控制系统

过程控制过程控制系统工业过程可以分为连续过程工业、离散过程工业和间歇过程工业。其中，连续过程工业所占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、建材、食品等工业部门，连续过程工业的发展对于我国国民经济意义重大。过程控制主要是指连续过程工业的过程控制。过程控制系统一般由以下几部分组成：1.被控对象（对象）2.用于生产过程参数检测的检测与变送仪表3.控制器4.执行机构5.报警、保护和联锁等其他部件过程控制系统的基本结构图控制器根据系统输出量检测值y(t)与设定值r的偏差，按照一定的控制算法输出控制量u,对被控过程进行控制。执行机构接受控制器送来的控制信息调节被控量，从而达到预期的控制目标。过程输出信号通过过程检测与变送仪表，反馈到控制器（或称调节器）的输入端，构成闭环控制系统。例如：氨水液控常用名词术语：被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程，被称为被控对象。例如锅炉。被控变量：对象内要求保持设定值（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，称为被控变量，如锅炉水位。操纵变量：受调节器操纵，用以使被控变量保持设定值（给定值）的物料或能量，称为操纵变量，如锅炉给水。干扰（扰动）：除操纵变量以外，作用于对象并能引起被控变量变化的因素，称为干扰或扰动。负荷变化就是一种典型的扰动，如蒸汽用量的变化对锅炉水位控制是一种典型的干扰。设定值（给定值）：被控变量的目标值（预定值），称为设定值。偏差：偏差理论上应该是被控变量的设定值与实际值之差。但是能够直接获取的是被控变量的测量值信号而不是实际值，因此，通常把给定值与测量值之差称为偏差。控制系统的分类开环控制系统控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统，称为开环控制系统。开环控制系统分为2种。一种是按设定值进行控制。另一种是按扰动量进行控制，即所谓的前馈控制。闭环控制系统系统的输出（被控变量）通过测量变送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入调节器，对系统起控制作用，整个系统构成了一个封闭的反馈回路，这种控制系统称为闭环控制系统，或成反馈控制系统。闭环控制系统的过渡过程及其品质指标（1）闭环控制系统的过渡过程一个处于平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用后，被控变量发生变化；与此同时，控制系统的控制作用将被控变量重新稳定下来，并力图使其回到设定值或设定值附近。一个控制系统在外界干扰或给定干扰作用下，从原有稳定状态过渡到新的稳定状态的整个过程，称为控制系统的过渡过程。控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质优劣的重要依据。（2）过渡过程的质量指标衰减比：是表征系统受到干扰以后，被控变量衰减程度的指标。其值为前后两个相邻峰值之比，及图中的B1/B2，一般希望它能在4:1到10:1之间。余差：是指控制系统受到干扰后，过渡过程结束时被控变量的残余偏差，即图中的C。C值也就是被控变量在扰动后的稳态值与设定值之差。控制系统的余差要满足工艺要求，有的控制系统工艺上不允许有余差，即C=0。最大偏差：表示被控变量偏离给定值的最大程度。对于一个衰减的过渡过程，最大偏差就是第一个波的峰值，即图中的A值。A值就是被控变量所产生的最大动态偏差。对于一个没有余差的过渡过程来说，A=B1。过渡过程时间又称调节时间。它表示从干扰产生的时刻起，直至被控变量建立起新的平衡状态为止的这一段时间，图中以TS来表示。过渡过程时间愈短愈好。振荡周期被控变量的相邻两个波峰之间的时间叫振荡周期，图中以T来表示。在衰减比相同的条件下，周期与过渡时间成正比，因此一般希望周期也是愈短愈好。一个好的控制系统需要注意以下几个问题：纯滞后纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量，因此必须注意被控变量的测量点（安装位置）应具有真正的代表性，并且纯滞后越小越好。测量滞后是指由于检测元件时间常数所引起的动态误差。如测温元件测温时，由于存在着热阻和比热容，它本身具有一定的时间常数，因而测温元件的输出总是滞后于被控变量的变化，从而引起幅值的降低和相位的滞后。传递滞后为了减少传输时间，当气动传输管线长度超过150m时，在中间可采用气动继动器，以缩短传输时间。当调节阀膜头容积过大时，为减少容量滞后，可采用阀门定位器。选择控制规律PID的选择。简单控制系统简单控制系统的组成简单控制系统又称单回路反馈控制系统。由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一只调节阀所组成的单回路闭合控制系统。简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程的控制要求，因而应用很广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后小，时间常数小，负荷和干扰变化比较缓慢，或者对被控变量要求不太高的场合。简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分等5种控制系统。煤焦油加氢预处理氨水液位控制返回调节器的“正”“反”作用如果将调节器的输入信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的调节器，称为“正作用”调节器；反之，调节器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”调节器。正、反作用调节器的选定目的：使调节器、调节阀、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起到负反馈的作用。步骤：首先，由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向。其次，由工艺安全确定调节阀的气开、气关型式。最后，由对象、调节阀、调节器三个环节组后为“负”来确定调节器的正、反作用。判定方法：气开阀为“正”方向，气关阀为“负”方向。调节阀开大，被调参数上升为“+B”，下降为“-B”一个单参数控制系统中，正、反作用调节器的选择。A*B=“+”调节器为反作用A*B=“-”调节器为正作用煤焦油加氢氨水液位控制系统中调节阀为F.C气开型+A调节阀开大，液位下降，-B“+A”*“-B”=“-”调节器为正作用。作用过程：液位上升液位变送器信号变大调节器输出变大阀门开度变大液体输出变大液位下降例2：加热炉温控复杂控制系统凡是多参数，具有两个以上变送器、两个以上调节器或两个以上调节阀组成多回路的自动控制系统，称之为复杂控制系统。目前常用的复杂控制系统有串级、均匀、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等，并且随着生产发展，又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。（1）串级控制系统串级控制系统是应用较早，效果最好，使用最广泛的一种复杂控制系统。它的特点是两个调节器相串接，主调节器的输出作为副调节器的设定，适用于时间常数及纯滞后较大的被控对象。串级控制系统是由主、副两个调节器串接工作的。主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出去操纵调节阀，以实现对主变量的定值控制。由副调节器、调节阀、副对象、副测量变送器组成的回路称为副回路。整个串级控制系统包括主对象、主调节器、副回路等效环节和主变量测量变送器，称为主回路。串级控制系统的特点：对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力。可以改善对象特性，提高工作频率。可消除调节阀等非线性特性的影响。串级控制系统有一定的自适应能力。煤焦油加氢原料缓冲罐液位控制系统串级控制系统中主、副调节器的正反作用副调节器的作用方向与简单控制系统中调节器的正反作用的选择方法相同。主调节器的作用方向可按：当主、副变量增大（减小），调节阀的动作方向一致的，则主调节器选“反作用”。反之，主调节器选“正作用”。原料油缓冲罐液位控制系统中副回路阀门为“F.C”，“+A”调节阀开大，流量变大“+B”+A*+B=“+”，副调节器为反作用。主回路当流量，液位增大时，调节阀都应减小开度，作用方向一致。则主调节器为“反作用”。（2）分程控制系统由一台控制器的输出信号去操纵两个或两个以上的控制阀工作，而且每一个控制阀上的操纵信号，只是控制器整个输出信号的某一段。习惯上将这种控制方法称为分程控制。为了实现分程的目的，往往要借助于附设在每个阀上的阀门定位器，将控制器的输出信号压力分成若干个区间，再由阀门定位器将不同区间内的信号压力转换成能使相应的控制阀全行程动作的压力信号0.02~0.1Mpa,。例如一个调节阀在20~60Kpa,另一个调节阀在60~100kpa的范围内工作。如果调节器的输出信号范围是0.02mpa~0.1mpa气信号，要控制A/B两只调节阀，那么只要在A、B调节阀上分别装上气动阀门定位器，A阀上的定位器调整为：当输入0.02~0.06mpa时，输出为0.02~0.1mpa；而在B阀上的定位器调整为：当输入为0.06~0.1mpa时，输出为0.02~0.1mpa。即当调节器输出在0.02~0.06mpa时，A调节阀动作，而调节器输出在0.06~0.1mpa时，B调节阀动作，从而达到了分程的目的。分程控制系统的应用（1）采用几种根本不同的控制手段煤焦油加氢氮气气封控制系统在0.02~0.06mpa时，进气阀阀作用；在0.06~0.1mpa时，排气阀作用。（2）扩大调节阀的可调范围煤焦油加氢再沸器返塔温度控制F.O调节阀管径为80F.C调节阀管径为150。两者流通能力不同，增大可调比。系统采用分程信号全量程重叠的方法，A、B阀同时作用。（3）比值控制系统在炼油、化工等生产过程中，经常要求两种或两种以上的物料，按一定的比例混合后进行化学反应，否则会发生事故或浪费原料量等。工业生产上为保持两种或两种以上物料比值为一定的控制叫比值控制。双闭环比值控制系统实质上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统所组成，它不仅能保持两个流量之间的比值关系，而且能保证总流量不变。与采用两个单回路控制系统相比，其优越性在于主流量一旦失调，仍能保持原定的比值。并且当主流量因扰动而发生变化时，在控制过程中仍能保持原定的比值关系。（4）选择性控制系统在正常工况下，选择器选中正常调节器I，使之输出送至调节阀，实现对参数I的正常控制。这时的控制系统工作情况与一般的控制系统是一样的。但是，一旦参数II将要达到危险值，选择器就自动选中调节器II的信号，从而取代调节器I操纵调节阀。这时对参数I来说，可能控制质量不高，但生产扔继续进行，并通过调节器II的调节，使生产逐渐趋于正常，待到恢复正常后，调节器I又取代调节器II的工作。这样，就保证在参数II道道越限前就自动采取新的控制手段，不必硬性停车。（5）前馈控制系统简单控制系统属于反馈控制，它的特点是被控变量的偏差进行控制，因此只有在偏差产生后，调节器才对操纵变量进行控制，以补偿扰动变量对被控变量的影响。若扰动已经产生，而被控变量尚未变化，控制作用是不会发生的，所以，这种控制作用总是落后于扰动作用的，是不及时的控制。对于滞后大的被控对象，或扰动幅度大而频繁时，采用简单控制往往不能满足工艺生产的要求，若引入前馈控制，实现前