過程控制工程he

1、過程控制系統(tǒng)及工程緒論歷經(jīng)一段時間一般工業(yè)生產(chǎn)伴隨物質(zhì)能量變化連續(xù)過程(Continuous Process)批量（間歇）過程(Batch Process)離散過程(Discrete Process)流程工業(yè)(Flow Manufacturing Industry)離散制造業(yè)(Discrete Industry)。 被控對象被控對象控制變量控制變量設(shè)定值設(shè)定值x控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u是指被控制的裝置或者設(shè)備。是指被控制的裝置或者設(shè)

2、備。施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定的規(guī)律運(yùn)行，一般用符號的規(guī)律運(yùn)行，一般用符號u 表示。表示。被控變量被控變量控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號y 表示。表示。偏差信號偏差信號擾動信號擾動信號系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號e 表示。表示。使對象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號。一般用符號使對象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號。一般用符號f 表示。表示。 設(shè)定值設(shè)定值x控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反

3、饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u設(shè)定值（給定值）設(shè)定值（給定值）希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號x 表示。表示。2、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)的組成定值元件定值元件 控制器控制器 執(zhí)行元件執(zhí)行元件用來產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。用來產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。 或稱調(diào)節(jié)器。通過一定的控制規(guī)律給出或稱調(diào)節(jié)器。通過一定的控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件?？刂屏?，送到執(zhí)行元件。完成功率轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)完成功率轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者執(zhí)行器。行機(jī)構(gòu)或者執(zhí)行器。 設(shè)定值設(shè)定值x控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器

4、被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u測量、變送元件測量、變送元件又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號送到控制器。量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號送到控制器。 比較元件比較元件用以產(chǎn)生偏差信號用以產(chǎn)生偏差信號2、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)的組成設(shè)定值設(shè)定值x控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量

5、控制變量u3 3、 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、精確性和快速性穩(wěn)定性、精確性和快速性 q 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要條件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要條件 系統(tǒng)自身的屬性系統(tǒng)自身的屬性 有界輸入，有界輸出有界輸入，有界輸出q 精確性精確性反映系統(tǒng)的被控變量偏離設(shè)定值的程度。反映系統(tǒng)的被控變量偏離設(shè)定值的程度。 q 快速性快速性控制系統(tǒng)受到外界的作用后，從一個平衡狀態(tài)控制系統(tǒng)受到外界的作用后，從一個平衡狀態(tài)達(dá)到另一個平衡狀態(tài)的時間達(dá)到另一個平衡狀態(tài)的時間 。 單回路反饋控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng) 加熱電阻絲加熱電阻絲 工作過程：工作過程：控制器控制器控制閥控制閥被控被控對象

6、對象測量測量變送變送偏差偏差給定給定 測量測量 液位液位給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量。 也稱為也稱為參考輸入?yún)⒖驾斎肓苛浚ㄐ盘枺?。（信號）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使統(tǒng)的輸入端，使 之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差偏差（給定信號與返回的輸出信號之差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為）信號。輸出量的返回過程稱為反饋反饋。返回的全部或部分輸出信號。返回的全

7、部或部分輸出信號稱為稱為反饋信號反饋信號。 維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好偏差控制：糾正偏差偏差控制：糾正偏差 過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)按被控參數(shù)分類：按被控參數(shù)分類： 溫度控制回路、壓力控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控制回路常規(guī)常規(guī)PID控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成 PID控制器 調(diào)節(jié)閥工藝對象檢測儀表給定值偏差被測變量A/DD/A PID控制器：它是各類自動控制系統(tǒng)的核心部分。由于控制對象的不同，以及對系統(tǒng)靜、動態(tài)特性的要求和應(yīng)用的控制規(guī)則的不

8、同，可以構(gòu)成各種類型P, PI, PID控制器。 比例（P）控制器：適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。如：中間儲罐液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力。 比例積分(PI)控制器：它適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)系統(tǒng)。例如流量、壓力和要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，常采用比例積分控制器。 比例積分(PI)控制器是使用最多、應(yīng)用最廣的控制器。 比例積分微分（PID）控制器：適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，目前應(yīng)用較多的是溫度系統(tǒng)。常規(guī)常規(guī)PIDPID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 常規(guī)PID（Proportional In

9、tegral Derivative）控制器是過程控制中應(yīng)用最為廣泛最基本的一種控制器，它具有簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，而且PID調(diào)節(jié)規(guī)律對相當(dāng)多的工業(yè)控制對象，特別是對于線性定常系統(tǒng)的控制非常有效。 即使在現(xiàn)代控制技術(shù)飛速發(fā)展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。由于計(jì)算機(jī)的廣泛使用，控制器的實(shí)現(xiàn)大都有微機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法。PID控制算法控制算法 PID算法是根據(jù)給定值SP與實(shí)際輸出值PV構(gòu)成控制偏差e(t)=SP-PV，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：比例作用比例作用 比例部分：由數(shù)學(xué)表達(dá)式Kpe(t)表示，比例

10、系數(shù)Kp越大，則過渡過程越快，控制結(jié)果的靜態(tài)偏差也越小;但Kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩。因此，比例系數(shù)Kp選擇必須恰當(dāng)，才能取得過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定的結(jié)果。 積分作用積分作用 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，它的控制作用就會不斷增加;只有在偏差e(t)=0時，它的積分才會為一個常數(shù)。 可見，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。積分時間Ti對積分的作用影響極大。當(dāng)Ti較大時，積分作用較弱;這時系統(tǒng)的過渡時間不會產(chǎn)生振蕩;但是消除偏差的時間較長。當(dāng)Ti較小時，則積分作用較強(qiáng)，系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差的時間較短。微分作用微分作用 微分部分的作用由微分時間Td決定;T

11、d越大，它抑制偏差e (t)變化的作用越強(qiáng);Td越小，它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對系統(tǒng)的動態(tài)過程有很大的作用。PID參數(shù)的整定參數(shù)的整定 P I D控制器參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)是，尋找或者選擇控制器的三項(xiàng)參數(shù)值，使控制器的特性與被控過程的特性得到良好的匹配，從而使控制系統(tǒng)的特性滿足期望的目標(biāo)。 P I D控制器參數(shù)整定的方法很多，工程上常用的方法有：臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)湊試法臨界比例度法臨界比例度法 臨界比例度法：先通過試驗(yàn)得到臨界比例度k和臨界周期TK，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。 具體做法：先只加純比例作用，在干擾作用下，從大到小逐漸改變比例度，直到

12、系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩，這時的比例度叫臨界比例度k，振蕩周期為臨界周期TK，然后按下表的計(jì)算公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表控制作用比例度/% 積分時間/min微分時間/minP2 kPI2.2k0.85TKPID1.7k0.5TK0.125TK衰減曲線法衰減曲線法 衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值的。 具體做法：先只加純比例作用，將控制器比例度放在較大的數(shù)值上，在達(dá)到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4：1衰減比為止，記下此時的比例度s，并從曲線上得出衰減周期TS

13、，然后按下表的計(jì)算公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。衰減曲線法法參數(shù)計(jì)算公式表衰減曲線法法參數(shù)計(jì)算公式表控制作用比例度/% 積分時間/min微分時間/minPSPI1.2S0. 5TSPID0.8S0.3TS0.1TS經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法 經(jīng)驗(yàn)湊試法是長期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的一種整定方法。它是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，按照規(guī)定順序，對比例度、積分時間Ti和微分時間Td逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表被控變量特點(diǎn)/%Ti/minTd/min流量對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，401000.31溫度對象容量滯后

14、較大20603100.53壓力對象容量滯后一般30700.43液位對象時間常數(shù)范圍較大，2080過程控制系統(tǒng)及工程第二章第二章 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) TC 分析干擾：分析干擾：情況一，情況一， TCFC串級控制系統(tǒng)：串級控制系統(tǒng)：特點(diǎn)：特點(diǎn)： TCFC溫度控制器流量控制器流量控制器控制閥控制閥流量對象流量對象溫度對象溫度對象溫度變送器溫度變送器流量變送器流量變送器 流量控制器：流量控制器：“粗調(diào)粗調(diào)” 溫度控制器：溫度控制器：“細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)” 蒸汽流量突然增大蒸汽流量突然增大（一段時間：提餾段溫度不變，（一段時間：提餾段溫度不變，溫度控制器輸出不變，流量控制器設(shè)定值不變，但流溫度控制器輸出不變

15、，流量控制器設(shè)定值不變，但流量測量增大量測量增大（流量控制器正偏差，流量控制器輸出（流量控制器正偏差，流量控制器輸出減小，控制閥關(guān)?。p小，控制閥關(guān)?。┱羝髁繙p小，削弱對提餾段蒸汽流量減小，削弱對提餾段溫度的影響）溫度的影響） 提餾段溫度緩慢上升提餾段溫度緩慢上升（溫度控制器正偏差，溫（溫度控制器正偏差，溫度控制器輸出減小，輸出到流量控制器的設(shè)定值減小）度控制器輸出減小，輸出到流量控制器的設(shè)定值減小）流量控制器設(shè)定值減小，流量控制閥開度進(jìn)一步減流量控制器設(shè)定值減小，流量控制閥開度進(jìn)一步減小。小。FCFCspsp結(jié)論：結(jié)論： 溫度控制器流量控制器流量控制器控制閥控制閥流量對象流量對象溫度對象溫

16、度對象溫度變送器溫度變送器流量變送器流量變送器因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，主對象為主對象為“正正”，則主控制器取，則主控制器取“反反”作用，主對象作用，主對象為為“負(fù)負(fù)”，則主控制器取，則主控制器取“正正”作用作用 例例1 1P48 圖圖2-7 加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)PCTC副控制器：副控制器： 控制閥選控制閥選“氣開氣開”式式正正 副對象，壓力對象，閥門開大，負(fù)，反作用副對象，壓力對象，閥門開大，負(fù)，反作用 壓力上升壓力上升正正 變送器一般均為正變送器一般均為正主控制器：

17、主控制器： 副環(huán)副環(huán)正正 主對象，溫度對象，主對象，溫度對象， 燃料壓力增大時，燃料量增加，負(fù)，反作用燃料壓力增大時，燃料量增加，負(fù)，反作用 出口溫度上升出口溫度上升正正例例2 2精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統(tǒng)精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統(tǒng)FCTC副控制器：副控制器： 控制閥選控制閥選“氣閉氣閉”式式負(fù)負(fù) 正對象，流量對象，閥門開大，正對象，流量對象，閥門開大， 流量增大流量增大正正 變送器一般均為正變送器一般均為正主控制器：主控制器： 副環(huán)副環(huán)正正 主對象，溫度對象，主對象，溫度對象， 蒸汽流量增大時，加熱量增加，蒸汽流量增大時，加熱量增加， 提餾段溫度上

18、升提餾段溫度上升正正 過程控制系統(tǒng)及工程第三章第三章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 12FFK (a)(a)原理圖原理圖FCF1F2(b)(b)方塊圖方塊圖3.2.1 開環(huán)比值控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器控制器控制閥控制閥對象對象F2測量變送測量變送F1本質(zhì)：整個控制系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，本質(zhì)：整個控制系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，F(xiàn)2流量根據(jù)流量根據(jù)F1流量，流量， 按比例系數(shù)開閉閥門按比例系數(shù)開閉閥門場合：這種方案應(yīng)用較少場合：這種方案應(yīng)用較少優(yōu)點(diǎn)：簡單，儀表少優(yōu)點(diǎn)：簡單，儀表少缺點(diǎn)：系統(tǒng)開環(huán)，缺點(diǎn)：系統(tǒng)開環(huán)，F(xiàn)2波動時比值難以保證波動時比值難以保證3.2.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 在開環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個在開環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)