熱工過程控制系統(tǒng)模板

年4月19日熱工過程控制系統(tǒng)文檔僅供參考熱工過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)概述1.1過程控制定義及認(rèn)識1.2過程控制目的*1.3過程控制系統(tǒng)的組成1.4過程控制系統(tǒng)的特點*1.5過程控制系統(tǒng)的分類*1.6過程控制性能指標(biāo)1.7過程控制儀表的發(fā)展1.8過程控制的地位1.9過程控制的任務(wù)1.1過程控制定義及認(rèn)識過程控制定義所謂過程控制（ProcessControl）是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點，采用測量儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計算機(jī)等自動化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化。1.3過程控制系統(tǒng)組成被控過程（Process），指運行中的多種多樣的工藝生產(chǎn)設(shè)備；過程檢測控制儀表（Instrumentation），包括：測量變送元件（Measurement）；控制器（Controller）；執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ControlElement）;顯示記錄儀表1.5過程控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點來分:：反饋控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)，復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）按給定值信號的特點來分：定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)性能指標(biāo)：對自動控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求主要是穩(wěn)、快、準(zhǔn)。最大超調(diào)量σ%反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性,穩(wěn)態(tài)誤差ess反映系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，調(diào)整時間ts反映系統(tǒng)的快速性。過程執(zhí)行器主要內(nèi)容控制器測量變送被控過程執(zhí)行器r(t)e(控制器測量變送被控過程執(zhí)行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-本節(jié)內(nèi)容在本課程中的地位執(zhí)行器用于控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。3.1調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)）結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力能夠改變的節(jié)流元件。由于閥芯在閥體內(nèi)移動，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被調(diào)介質(zhì)的流量也就相應(yīng)地改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的目的。3.1調(diào)節(jié)閥功能：接受控制器輸出的控制信號，轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，來改變調(diào)節(jié)閥的流通截面積。3.1.1調(diào)節(jié)閥的組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指根據(jù)控制器控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，一般指控制閥。3.1.2調(diào)節(jié)閥分類根據(jù)使用能源不同氣動調(diào)節(jié)閥：以壓縮空氣為能源，輸入信號20～100kPa，價格便宜；多用于石油、化工等易燃易爆場合。電動調(diào)節(jié)閥：以電為能源，輸入信號4～20mADC，價格貴；使用范圍廣，本質(zhì)安全（本安）型也可用于易燃易爆場合。液動調(diào)節(jié)閥：以高壓液體為能源的閥體相同、執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式所謂氣開式，即當(dāng)信號壓力增加時，閥門開大；沒氣時，閥門關(guān)閉氣關(guān)式則相反，即信號壓力增加時，閥門關(guān)小。沒氣時，閥門打開氣開、氣關(guān)形式選擇舉例受壓容器，采用改變氣體排出量以維持容器內(nèi)壓力恒定，試問調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣開式還是氣關(guān)式？答：氣關(guān)式。3.3氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電-氣轉(zhuǎn)換器輸入信號從4mA改變到20mA時，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從20-100kPa變化，實現(xiàn)了將電流信號轉(zhuǎn)換為氣壓信號的過程。3.3調(diào)節(jié)閥的流通能力調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可變的截流元件，經(jīng)過改變閥芯的行程能夠改變調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，達(dá)到控制流量的目的。流過調(diào)節(jié)閥的流量：閥的開度、閥門前后的壓差。為了衡量不同調(diào)節(jié)閥在某些特定條件下單位時間內(nèi)流過流體的體積，引入流通能力的概念。3.9調(diào)節(jié)閥的流量特性理想流量特性調(diào)節(jié)閥前后壓差不變時，得到的流量特性；理想流量特性完全取決于閥芯的形狀；理想流量特性有：直線等百分比拋物線快開理想流量特性曲線1.快開2.直線3.拋物線4.等百分比例題3.3已知某調(diào)節(jié)閥的最大流量，可調(diào)范圍R=30。分別計算直線流量特性和等百分比流量特性在理想情況下閥的相對行程l/L=0.1、0.2、0.8、0.9時的流量值qv，并比較這兩種不同理想流量特性的調(diào)節(jié)閥在小開度與大開度時的流量變化情況。被控過程重點：1、自衡過程2、傳遞函數(shù)中的物理意義4.1.1過程控制動態(tài)特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）定義：當(dāng)擾動發(fā)生后，被控變量不斷變化最后達(dá)到新的平衡。 非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）定義：當(dāng)擾動發(fā)生后，被控變量不會達(dá)到新的平衡。4.3過程特性參數(shù)的物理意義過程增益的注意事項過程增益描述輸出變量隨輸入變量變化的靈敏度。過程增益包含三部分:信號,數(shù)值和單位.過程增益只和穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，因此過程增益是描述過程穩(wěn)態(tài)特性的參數(shù).CC(t)C()t63.2%T數(shù)學(xué)模型的時間常數(shù)T當(dāng)對象受到階躍輸入作用后，被控變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時間。滯后時間滯后時間常規(guī)控制策略重點：1、PID調(diào)節(jié)中各部分的作用及優(yōu)缺點？2、為何要整定PID參數(shù)，工程上有哪些常見方法？控制器的控制規(guī)律定義就是控制器的輸出信號隨輸入信號(偏差)變化的規(guī)律。這個規(guī)律常常稱為控制器的特性。過程控制最常見控制器：PLC（*）數(shù)字調(diào)節(jié)器IPCDCS5.1雙位控制雙位控制品質(zhì)指標(biāo)品質(zhì)指標(biāo)：振幅、周期理想情況希望振幅減小，周期長振幅周期是相互矛盾的設(shè)計原則滿足振幅在允許的范圍內(nèi)后，盡可能使周期長5.2PID控制規(guī)律PID控制規(guī)律的表示方法基本PID控制規(guī)律PID控制器的基本控制規(guī)律1.比例控制規(guī)律(ProportionalControlMode)2.比例積分控制規(guī)律(Proportional-IntegralControlMode)3.比例微分控制規(guī)律(Proportional-DerivativeControlMode)4.比例積分微分控制規(guī)律(Three-Mode)3、比例控制規(guī)律的特點比例積分控制規(guī)律積分作用的特點能消除余差積分控制器輸出的控制信號和輸入偏差之間沒有一一對應(yīng)關(guān)系。只要有偏差，輸出的控制信號就會不斷變化，執(zhí)行器就不斷動作，直到把偏差信號消除。慢慢來在偏差信號出現(xiàn)的瞬間，無控制作用，輸出控制信號是由零開始積分，并隨時間逐漸積累?？刂谱饔每偸锹浜笥谄钚盘柕淖兓?。具有較強的抗干擾能力。比例積分控制規(guī)律積分作用的參數(shù)積分時間TI的定義：在階躍信號輸入下，積分作用的輸出變化到等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時間就是積分時間TI積分作用的大小與積分時間TI成反比，即積分時間越小，積分作用越強。比例微分控制規(guī)律微分作用的特點數(shù)字式PID運算式基本數(shù)字式PID運算式控制器參數(shù)整定3.1整定方法整定控制器參數(shù)的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法：理論計算整定法有對數(shù)頻率特性法、根軌跡法等；工程整定法有現(xiàn)場試湊法、臨界比例度法和衰減曲線法等。3.2工程整定法特點工程整定不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定，特點：方法簡單實用；計算簡便；易于工程應(yīng)用?，F(xiàn)場湊試法按照先比例（P）、再積分（I）、最后微分（D）的順序：置控制器積分時間TI=∞，微分時間TD=0，在比例度δ按經(jīng)驗設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運行，整定比例度δ。求得滿意的4：1過渡過程曲線。引入積分作用（此時應(yīng)將上述比例度δ加大1.2倍），將TI由大到小進(jìn)行整定。若需引入微分作用時，則將TD按經(jīng)驗值或按TD=（1/3～1/4）TI設(shè)置，并由小到大加入。臨界比例度法在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將控制器置于純比例作用下（TI=∞，TD=0），從大到小逐漸改變控制器的比例度，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例度稱為臨界比例度δk，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振蕩周期Tk。據(jù)此確定控制器參數(shù)。衰減曲線法先把控制器參數(shù)置成純比例作用（TI=∞，TD=0），系統(tǒng)投入運行。再把比例度δ逐漸從大調(diào)小，直到出現(xiàn)4：1衰減過程曲線。此時的比例度為4：1衰減比例度δc，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為4：1衰退減振蕩周期Ts。4采樣周期的選擇采樣周期的選擇要受到多方面因素的影響，不同系統(tǒng)的采樣周期應(yīng)根據(jù)具體情況選擇。一般按照過程特性與干擾大小適當(dāng)選取采樣周期：對于響應(yīng)快、（如流量、壓力）波動大、易受干擾的過程，應(yīng)選取較短的采樣周期；反之，當(dāng)過程響應(yīng)慢（如溫度、成份）、滯后較大時，則可選取較長的采樣周期。7.1串級控制系統(tǒng)的定義采用不止一個控制器，而且控制器間相串聯(lián)，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值的系統(tǒng)，稱為串級控制系統(tǒng)。7.2串級控制系統(tǒng)常見術(shù)語7.7串級控制系統(tǒng)方案設(shè)計7.8串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型副調(diào)節(jié)器常選擇P或PI控制律 原因：副回路為隨動系統(tǒng)，其設(shè)定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統(tǒng)有時會斷開主回路，因而，一般需要加入積分作用。但積分作用要求較弱以保證副回路較強的抗干擾能力。主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律 原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對于主參數(shù)為溫度的串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強的積分作用（除主參數(shù)為液位的串級均勻控制系統(tǒng)以外）。當(dāng)主對象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時，可加入一般大小的微分作用。例1加熱爐出料溫度控制系統(tǒng)加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程主對象：輸入信號為爐膛溫度，輸出信號為原料出口溫度，正作用單元副對象：輸入信號為燃料流量，輸出信號為爐膛溫度，是正作用單元調(diào)節(jié)閥的選擇：氣開閥，正作用副調(diào)節(jié)器：控制規(guī)律方塊選正作用，調(diào)節(jié)器則是反作用主調(diào)節(jié)器：控制規(guī)律方塊選正作用，調(diào)節(jié)器則是反作用如圖所示的反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，它經(jīng)過調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器冷卻水的流量來保持反應(yīng)器溫度的穩(wěn)定。反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)要求：（1）畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并說明它是什么類型的系統(tǒng)；（2）若反應(yīng)器的溫度不能過高，否則會發(fā)生事故，試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式（3）確定主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器的正反作用；（4）若冷水壓力突然升高，試簡述該控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程（主副回路同時）。第八章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)時間滯后控制系統(tǒng)多變量解耦控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)超馳控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)閥位控制系統(tǒng)8.1前饋控制系統(tǒng)理解前饋控制原理及使用場合；掌握靜態(tài)前饋控制和常見動態(tài)前饋控制補償模型；掌握前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點及工業(yè)應(yīng)用。8.1.2前饋控制與反饋控制的比較2）前饋測量干擾量；反饋測量被控變量3）前饋需要專用調(diào)節(jié)器，反饋一般只用通用調(diào)節(jié)器4）前饋只能克服所測量的干擾，反饋可克服所有干擾5）前饋理論上可無差，反饋必定有差前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計原則實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：“可測”：指擾動量能夠經(jīng)過測量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補償器所能接受的信號?！安豢煽亍保褐高@些擾動量難以或不允許經(jīng)過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負(fù)荷。采用前饋控制主要是針對那些“可測不可控”、變化頻繁且幅值較大的擾動量；工程中，一般選用靜態(tài)前饋-反饋控制方案即可得到較為滿意的控制效果。8.2時間滯后控制系統(tǒng)時間滯后是指純滯后過程。純滯后往往是由于物料或能量需要經(jīng)過一個傳輸過程而形成的。純滯后極大地影響系統(tǒng)動態(tài)性能，引起閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯降低，過渡過程時間加長。τ/T≥0.3時，就被認(rèn)為是具有較大純滯后的工藝過程，常見控制方法：預(yù)估補償方案；采樣控制方案。預(yù)估補償方案經(jīng)補償后，消除了純滯后部分對控制系統(tǒng)的影響，因為式中的在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。拉氏變換的位移定理說明,僅將控制作用在時間坐標(biāo)上推移了一個時間，控制系統(tǒng)的過渡過程及其它性能指標(biāo)都與對象特性完全一致可見，Smith預(yù)估器能夠完全消除時滯的影響，從而成為一種對線性、時不變、單輸入單輸出時滯系統(tǒng)的理想控制方案。Smith預(yù)估器在實際應(yīng)用中的限制Smith預(yù)估器在實際應(yīng)用中很不盡如人意，主要原因在于Smith預(yù)估器需要確知被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而且它只能用于線性定常系統(tǒng)。也有一些改進(jìn)型Smith預(yù)估器，但由于沒有脫離對被控對象模型依賴的本質(zhì)，在實際中極少使用。采樣控制方案“調(diào)一下，等一等”（WaitandSee)的辦法；當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出達(dá)一定時間后，就不再使增加（或減?。┝?，而是保持此值（保持的時間比純滯后時間τ0稍長些），直到控制作用的效果在被控量變化中反映出來為止；接著，根據(jù)偏差的大小再決定下一步控制作用的大小和方向。采樣控制方案的特點核心思想就是避免控制器不必要的誤操作，而寧愿讓控制作用弱一些。無需掌握精確的過程動態(tài)特性，就能克服被控過程中純滯后的不利影響。需注意采樣周期的選取應(yīng)略大于過程的純滯后時間。8.4比值控制系統(tǒng)定義：兩個或多個參數(shù)自動維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)。例如：燃燒過程中，為保證燃燒經(jīng)濟(jì)性，需保持燃料量和空氣量按一定比例混合后送入爐膛；造紙過程中，為保證紙漿濃度，必須控制紙漿量和水量按一定的比例混合。主動量和從動量比值控制系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的物料流量一般為主動量q1。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿量；隨主動量變化的物料流量稱為從動量q2。如燃燒過程中的空氣量、造紙中的水量。q2與q1保持一定的比值，即：比值控制方案根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的不同需求，有3種常見的比值控制方案：單閉環(huán)比值控制；雙閉環(huán)比值控制；變比值控制。單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制中，比值系數(shù)固定不變；而變比值控制中，比值系數(shù)可變。8.5均勻控制系統(tǒng)均勻控制