工业过程控制系统讲座

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1、工业过程控制系统讲座,主讲老师：刘遥生 单位：深圳职业技术学院 电话：13662686339 QQ：1132373680,内 容 一、工业过程控制概述 二、几种典型的工业过程控制介绍 三、过程控制系统的工程化设计,过程控制是为达到规定的目标而对影响过程状况的变量 所进行的操纵。,一、工业过程控制概述,工业过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等 工艺参数作为被控变量的自动控制。,1.1 所谓过程控制（Process Control） 是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。,随着生产过程的连续化

2、大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速。所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油化工冶金炼焦造纸建材陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制,一、工业过程控制概述,凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度压力流量等)进行的自动控制，统称为过程控制。生产过程的自动控制, 一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化。 由于被控参数不但受内外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性.,1.2 过程

3、控制的特点,(1) 被控对象的多样性 对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识。由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难。,一、工业过程控制概述,(2) 被控对象存在滞后 由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行, 对象的储存能力大, 惯性也大。 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性。由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度。,除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:,一、工业过程控制

4、概述,过程控制尚有如下一些特点:,( 3)被控对象一般具有非线性特点 当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高。如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的。,( 4) 控制系统比较复杂 控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素。基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性。,由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现

5、场调整的方法, 达到过程控制的目的。,一、工业过程控制概述,1.3 过程控制系统的组成,过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示,被控参数（变量）y(t ) ; 控制（操纵）参数（变量）q(t) ; 扰动量f(t) ;,给定值r(t) ; 当前值z(t); 偏差e(t); 控制作用u(t),一、工业过程控制概述,1.4 过程控制系统的分类,按系统的结构特点来分 (1)反馈控制系统 ; (2)前馈控制系统 ; (3)复合控制系统（前馈-反馈控制系统）,按给定值信号的特点来分 (1)定值控制系统 ; (2)随动控制系统,一、工业过程控制概述,1.4 过程控制系统的分类,(1)反馈控制系统 偏差值

6、是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。,(2)前馈控制系统 扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。,(3)闭环与开环控制系统 反馈是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制！开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。,一、工业过程控制概述,1.4 过程控制系统的分类,(4).定值控制系统 定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量（温度、压力

7、、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的。有时在规定的小范围附近不变。,(5).随动控制系统 随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。如锅炉燃烧控制系统中，要求空气量随燃料量的变化而变化，以保证燃烧的经济性。 它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。 一般意义上的随动控制系统是指位置随动系统，如火炮、导弹的位置跟踪等。,一、工业过程控制概述,1.4 过程控制系统的分类,闭环控制系统 反馈是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制。闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。,图1 温度控制系统,一、工业过程控制概述,图2 热力系统的自动反馈控制,闭环控制系

8、统 反馈是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制。闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。,一、工业过程控制概述,开环控制系统 不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。,图3 热力系统的人工反馈控制,一、工业过程控制概述,在上述的例子中，请说出如下的解释：,（1）控制任务 （2）被控对象 （3）被控量 （4）扰动量 （5）测量元件,图3 热力系统的人工反馈控制,图2 热力系统的自动反馈控制,一、工业过程控制概述,1.5 性能指标的确定和分析方法,控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。特别需要注意的是，不能不切实际地提出过高的

9、控制性能指标要求。分析系统性能指标，通常采用：阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；偏差积分性能指标，计算机仿真或分析时采用。 阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线,图5 阶跃响应过度曲线,图6 阶跃响应特性曲线,一、工业过程控制概述,1.6 过程控制的任务,工业过程自动化其目标应该是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效（高产、低耗）。 作为自动化的初级阶段能够达到的目标主要是使生产过程安全（仅限于越限报警和联锁）与平稳地进行。,一、工业过程控制概述,1.7 过程控制系统设计 要实现过程自动控制，首先要对整个工业生产过程的物料流、能源流和生产过程中的有关状态（如温度、压力、流量、物位、成分等）进

10、行准确的测量和计量。根据测量到数据和信息，用生产过程工艺和控制理论的知识管理、控制该生产过程。,一个完整的过程控制系统设计，应包括： （1）方案设计 （2）工程设计 （3）工程安装与仪表调校 （4）控制器参数整定 以上主要内容，控制方案设计和控制器参数整定则是系统设计中的两个核心内容！,一、工业过程控制概述,1.7 过程控制系统设计 由于工业生产过程各种各样而且非常复杂，因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件。这就要求从事过程控制的技术人员必须与工艺人员充分交流。 控制方案设计

11、的基本原则包括合理选择被控参数和控制参数、被控参数的测量变送、控制规律的选取以及执行机构的选择等等。,二、典型生产过程控制,图7 火力发电厂外观,在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。,图6 汽轮发电机组,锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。,2.1 电厂锅炉的过程控制,2.1.1 火力发电厂生产流程,重点以锅炉汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧控制为例讨论它们的控制方案。,1汽轮机高压缸；2汽轮机中、低压缸；3汽包；4炉膛；5烟道；6发电机；

12、7冷凝器；8补充水；9凝结水泵；10循环水泵；11低压加热器；12除氧器；13给水泵；14高压加热器；15给水调节机构；16省媒器；17过热器；18减温器；,19汽机高压调汽门；20再热器；21再热器减温器；22汽机中压调汽门；23媒粉仓；24燃料量控制机构；25喷燃器；26送风机；27空气预热器；28调风门；29水冷壁管；30引风机；31烟道挡板。,2.1.2 单元机组生产流程示意图,2.1.3 汽包水位控制,1.汽包水位控制的重要性,将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的主要指标，也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。,2.汽包水位的控制方案,一种可行的控制方案是以汽

13、包水位为主被控参数、给水流量为副被控参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈反馈串级控制系统。,采用这种控制方案的理由分析如下：,（1）单冲量水位控制方案,以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差（虚假水位问题。）。,（2）双冲量水位控制方案,如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。,FT 流量变送器；FC流量控制 TT温度变送器； TC 温度控制 PT 压力变送； P

14、C 压力控制；LT 液位变送； LC 液位控制； AT成分变送器 ；AC成分控制器 LS 液位开关联锁,显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善，但它对于给水系统的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水流量信号构成三冲量串级控制系统。,（3） 三冲量串级控制方案,该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。其中，主调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。,汽包水位三冲量串级控制系统流程图,三冲量前馈反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水

15、位控制方案。,FT 流量变送器； FC 流量控制； K 放大器； LT 液位变送 LC 液位控制；,2.1.4 过热蒸汽温度控制,1控制要求与过程特性,过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在5的范围内。,过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内。,影响过热蒸汽温度的外界因素很多，例如蒸汽流量、减温水量、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热蒸汽的温度。各种阶跃干扰对过热蒸汽温度的阶跃响应曲线如左图所示。,不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线,由左图可知，在各种阶跃干扰作用下，其动态特性都有时延和惯性，只是时延和惯性的大小不同而已。,2控制变量的选

16、择与控制方案的确定,由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；,若采用烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制造带来困难，也不宜作为控制变量；,若采用减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是：减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。,针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺的要求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。,一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。,过热蒸汽温度串级控制,为进一步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰作为前馈信号，构成前馈反馈串级控制系统。,2.1.5 锅炉燃烧过程的控制,1锅炉燃烧过程的控制任务,锅炉燃