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1、过程控制系统及工程,信息学院自动化系:孙洪程 Email:S,第一章单回路控制系统,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 实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,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、
2、 应用最成熟、最普遍 - 占70%以上,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 控制器输出减小 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
3、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,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 实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,控制系统的设计目标,1.2 被控变量的选择,即,要控制什么
4、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
5、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,选择原则: (1) 测量滞后 P (2) 工艺合理性 T 工艺合理性:规定塔压稳定,保证分离度,保证效率 各块塔板压力恒定,XD与T有对应关系 选择XD=F(T),1.2 被控变量的选择,选择被控变量的原则,(1)尽可能选择直接质量指标参数; (2)必须选择间接量指标参数时,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;
6、 (2)不止一个,重要因素,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 实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,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(
7、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
8、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+ KC Ko,分析过程:,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
9、: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,结论: 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,Y(s)=,GPD(s)e-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,干扰通道特性对控制质量的影响,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,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(1-7) 动态:控制系统衰减比与Kc 与
10、K0的乘积有关,见式(1-18),且 Kc K0越大,越小,稳定性差。 因此,要保证Kc K0=常数。在Kc K0=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,从控制系统传递函数推导进行分析 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
11、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,控制通道特性对控制质量的影响图,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,(6)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
12、间常数大些),(4)选择通道的纯滞后尽量小,(5)选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀,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 实验:单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,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,阀体,执行器
13、,电气阀门定位器,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,,A.O:Air Open FC:Fault Close,A.C:Air Close FO:Fault Open,控制阀的气开、闭形式的选择原则:,1.4 控制阀的选择,(1)
14、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,流量特性:指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度 之间的关系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相对流量 f(L/Lmax)相对开度,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
15、性,L/Lmax,F/Fmax,3,1,2,1:线性特性,2:对数特性,3:快开特性,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成反比, 对象负荷动态部分G0与控制阀流量F成正比, 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 表1-4,1.4 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,阀门定位器,量程调正,零点调正,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