過程控制第章L

1、1第一節(jié)第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)工程設計概述過程控制系統(tǒng)工程設計概述一、對過程控制系統(tǒng)設計的一般要求一、對過程控制系統(tǒng)設計的一般要求1、安全性：、安全性： 整個生產(chǎn)過程中，確保人員設備的安全2、穩(wěn)定性：、穩(wěn)定性： 指系統(tǒng)在一定外界干擾下，在系統(tǒng)參數(shù)、工藝 條件一定的變化范圍內(nèi)能長期穩(wěn)定運行的能力。3、經(jīng)濟性、經(jīng)濟性： 指提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同時，降耗節(jié)能，提 高經(jīng)濟效益與社會效益。323二、過程控制系統(tǒng)設計步驟二、過程控制系統(tǒng)設計步驟1、建立被控過程的數(shù)學模型 2、控制設計方案3、控制設備選型4、實驗（和仿真）33三、過程系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容四個方面三、過程系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容四個方面1、方案設計：、

2、方案設計：是系統(tǒng)設計的核心 2、工程設計：、工程設計：是在控制方案正確設計的基礎上進行3、工程安裝：、工程安裝：是保證系統(tǒng)正常運行的前提4、儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：、儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：是系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)的重要保證43四、系統(tǒng)設計中的若干問題四、系統(tǒng)設計中的若干問題1、越限報警與聯(lián)鎖保護、越限報警與聯(lián)鎖保護越限報警：越限報警：應根據(jù)工藝要求設置高、低限報警值聯(lián)鎖保護：聯(lián)鎖保護：當生產(chǎn)出現(xiàn)異常時，為保證設備、人身的安全，使各個設備按一定次序緊急停止運轉(zhuǎn)。53第二節(jié)第二節(jié) 控制方案設計控制方案設計一、過程控制系統(tǒng)的性能指標一、過程控制系統(tǒng)的性能指標過程控制系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)：過程控制

3、系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)和動態(tài)控制方案設計的依據(jù)：控制方案設計的依據(jù)：系統(tǒng)階躍響應性能指標、偏差積分性能指標631、系統(tǒng)階躍響應性能指標、系統(tǒng)階躍響應性能指標 y(0)：設定值；：設定值； y()：穩(wěn)定值；：穩(wěn)定值；y(B1)：第一波峰值；：第一波峰值； y(B2)：第二波峰值：第二波峰值731、余差、余差C：y(0)y() 指系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差常用的主要性能指標如下：常用的主要性能指標如下：2、衰減率：、衰減率： 是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標 833、最大偏差、最大偏差A： 指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差 Ay(B1)y(0)B1+c4、過渡時間

4、、過渡時間t ：指系統(tǒng)從受擾動作用時起，到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)定值5%的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間，是衡量控制快速性的指標。要求時間越短越好。932、偏差積分性能指標、偏差積分性能指標偏差積分性能指標是目標函數(shù)形式表示 注：e(t)測量值設定值。 不同的積分性能指標對動態(tài)過程的要求側(cè)重點不同： IAE針對存在正、負偏差的過程。 ITAE、ITSE用于控制過程的過渡時間。 ISE抑制過程的大誤差。103二、被控參數(shù)的選擇二、被控參數(shù)的選擇 1、直接參數(shù)方法：、直接參數(shù)方法：能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于測量的參數(shù)2、間接參數(shù)方法：、間接參數(shù)方法：當選擇直接參數(shù)有困難那時，可以選擇能間接反映產(chǎn)品質(zhì)

5、量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對應關系、易于測量的參數(shù)作為被控參數(shù)被控參數(shù)選擇的方法：被控參數(shù)選擇的方法：113選擇被控參數(shù)的一般原則：選擇被控參數(shù)的一般原則：1、選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)2、當不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應該選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關系的間接參數(shù)3、必須具有足夠高的靈敏度4、必須考慮工藝過程的合理性和所有儀表的性能123三、控制參數(shù)的選擇三、控制參數(shù)的選擇正確選擇控制參數(shù)，就是正確選擇控制通道的問題正確選擇控制參數(shù)，就是正確選擇控制通道的問題根據(jù)過程特征對控制質(zhì)量的影響，選擇控制參數(shù)時應對過程根據(jù)過程特征對控

6、制質(zhì)量的影響，選擇控制參數(shù)時應對過程的靜態(tài)和動態(tài)特性進行分析：的靜態(tài)和動態(tài)特性進行分析：1、過程靜態(tài)特性的分析 結(jié)論1： 過程的靜態(tài)特性對控制質(zhì)量有很大的影響； 確定控制通道（即選擇控制參數(shù)）時應使K0Kf，當這一要求不能滿足時，可通過調(diào)節(jié)KC的值來補償，最終使K0KCKf。1332、過程動態(tài)特性的分析1） 擾動通道動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響 結(jié)論2： 擾動通道的時間常數(shù)Tf愈大，容積愈多，則擾動對控制參數(shù)的影響愈小，控制質(zhì)量愈好； 干擾通道存在的純時延f對控制質(zhì)量沒有影響； 擾動作用點離被控參數(shù)愈遠，對其影響愈小。2）控制通道動態(tài)特性對控制系統(tǒng)的影響結(jié)論3： 控制通道時間常數(shù)T0的大小反映控制

7、作用的強弱，愈大，控制作用愈弱，被控制參數(shù)變化緩慢，控制不能及時，故T0應小一點； 控制通道的純時延0使被控制參數(shù)的最大偏差增大，控制通道的容量時延c 造成控制不及時，但影響比0 要??； 當過程存在多個時間常數(shù)，應彼此錯開。1433、根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則：、根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則：153第三節(jié)第三節(jié) 檢測、變送器選擇檢測、變送器選擇1、盡可能選擇測量誤差小的測量元件、盡可能選擇測量誤差小的測量元件2、盡可能選擇快速響應的測量元件與變送設備、盡可能選擇快速響應的測量元件與變送設備3、正確采用微分超前補償、正確采用微分超前補償4、合理選擇測量點位置并正確安裝：盡可能減小、

8、合理選擇測量點位置并正確安裝：盡可能減小參數(shù)測量滯后與傳送滯后參數(shù)測量滯后與傳送滯后5、對測量信號作必要的處理、對測量信號作必要的處理1635、對測量信號作必要的處理、對測量信號作必要的處理1、測量信號校正、測量信號校正2、測量信號噪聲的抑制、測量信號噪聲的抑制3、對測量信號進行線性化處理、對測量信號進行線性化處理173第四節(jié)第四節(jié) 執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）選擇執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）選擇1、選擇合適的調(diào)節(jié)工作區(qū)間、選擇合適的調(diào)節(jié)工作區(qū)間2、選擇合適的流量特征、選擇合適的流量特征調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇：先確定工作流量然后根調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇：先確定工作流量然后根據(jù)流量特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性據(jù)流量

9、特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性3、選擇合適的調(diào)節(jié)閥開、關形式、選擇合適的調(diào)節(jié)閥開、關形式183 選擇合適的調(diào)節(jié)閥開、關形式主要是考慮在不同選擇合適的調(diào)節(jié)閥開、關形式主要是考慮在不同工藝條件下安全生產(chǎn)的需要工藝條件下安全生產(chǎn)的需要1、考慮事故狀態(tài)時人身、工藝設備的安全、考慮事故狀態(tài)時人身、工藝設備的安全 2、考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失、保證產(chǎn)品質(zhì)量、考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失、保證產(chǎn)品質(zhì)量 3、考慮介質(zhì)的性質(zhì)、考慮介質(zhì)的性質(zhì)191第五節(jié)第五節(jié) 控制器（調(diào)節(jié)器）選擇控制器（調(diào)節(jié)器）選擇1、選擇控制器的控制規(guī)律、選擇控制器的控制規(guī)律1）根據(jù)）根據(jù)0 / T0比值來選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律比值來選擇

10、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律 0/T00.2： P或或PI； 0.20/T01.0：PI或或PID; 0/T01.0： 單回路控制系統(tǒng)不能滿足需要。單回路控制系統(tǒng)不能滿足需要。2）根據(jù)過程特性來選擇控制器的控制規(guī)律根據(jù)過程特性來選擇控制器的控制規(guī)律 比例控制規(guī)律比例控制規(guī)律P特點：特點：能較快地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但是有余差適用場合：適用場合：控制通道滯后較小，負荷變化不大，控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合203 比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律PI特點：特點：積分能消除余差適用場合：適用場合：控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合 比例微分控制規(guī)律比例微

11、分控制規(guī)律PD特點：特點：具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入比例微分控制規(guī)律PD對于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有顯著效果。適用場合：適用場合：控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合 比例積分微分控制規(guī)律比例積分微分控制規(guī)律PID特點：特點：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，在比例基礎上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 適用場合：適用場合：控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合 2132、確定控制器的正、反作用方式、確定控制器的正、反作用方式 控制器有正作用和反作用兩種方式，其確定原則控制器有正作用和反作用兩種方式，其確定原則是使整個單回路構(gòu)

12、成負反饋系統(tǒng)。是使整個單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。 確定調(diào)節(jié)器正、反作用次序一般為：確定調(diào)節(jié)器正、反作用次序一般為：首先根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的開、關形式，然后按被控過程特性，確定其正、反作用，最后根據(jù)上述組成該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則來確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。22第六節(jié)第六節(jié) 過程計算機控制系統(tǒng)的設計過程計算機控制系統(tǒng)的設計 1、單機控制系統(tǒng)：單機控制系統(tǒng)：由微型計算機或單片機系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，適用小規(guī)模的裝置2、兩級計算機控制系統(tǒng)：兩級計算機控制系統(tǒng)：有監(jiān)控機、通信系統(tǒng)和若干個下機位組成。3、分布式控制系統(tǒng)：分布式控制系統(tǒng)：采用控制分散和

13、管理集中相結(jié)合的原則，可對大規(guī)模的生產(chǎn)過程進行高可靠性的控制和有效的管理4、計算機集成過程控制系統(tǒng)：、計算機集成過程控制系統(tǒng)：是一種以全局最優(yōu)為目標，包含了從原材料采購到到產(chǎn)品銷售在內(nèi)的整個決策過程、管理過程和生產(chǎn)過程相結(jié)合的計算機系統(tǒng)3過程計算機控制系統(tǒng)按規(guī)模、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，分為四類：過程計算機控制系統(tǒng)按規(guī)模、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，分為四類：233直接數(shù)字控制系統(tǒng)：直接數(shù)字控制系統(tǒng)：在計算機控制系統(tǒng)中包含了最本質(zhì)最核心亦是最底層部分-過程控制，這一控制功能稱為直接數(shù)字控制簡稱DDC243一、過程計算機控制系統(tǒng)的組成與特點一、過程計算機控制系統(tǒng)的組成與特點1、計算機控制的一般概念、計算機控制的一般

14、概念 過程計算機控制系統(tǒng)：過程計算機控制系統(tǒng)：就是采用計算機來實現(xiàn)的過程工業(yè)控制（含管理）系統(tǒng)。2532、過程計算機控制系統(tǒng)的組成、過程計算機控制系統(tǒng)的組成 2631) 過程計算機系統(tǒng)的硬件：過程計算機系統(tǒng)的硬件： 是指計算機本身及其外圍設備，包括如下：a）計算機主機：）計算機主機：中央處理器、時鐘電路、內(nèi)存儲器構(gòu)成；主要作用是進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、越限報警等，通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制指令，指揮全系統(tǒng)有條不絮的協(xié)調(diào)工作b）操作臺）操作臺：是人機對話的聯(lián)系紐帶，由各種控制開關、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈聲訊器、數(shù)字顯示器或CRT顯示器組成。人可通過操作臺向計算機輸入和修

15、改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作指令，計算機向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀況273c）通用外圍設備：）通用外圍設備：有打印機、記錄儀、圖形顯示器、軟盤、硬盤及外存儲器。其功能主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。b）I/O接口與接口與I/O通道：通道：是計算機主機與外部連接的橋梁，常用的I/O接口有并行接口、串行接口2832) 過程計算機系統(tǒng)的軟件過程計算機系統(tǒng)的軟件a）系統(tǒng)軟件：）系統(tǒng)軟件：是由計算機及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機本身資源，方便用戶使用計算機(OS)b）應用軟件：）應用軟件：用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序。 組態(tài)軟件。軟件：是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機

16、程序的總和。軟件：是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和。軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件2933、過程計算機控制系統(tǒng)的特點、過程計算機控制系統(tǒng)的特點1) 是由模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。是由模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。2) 由于計算機控制系統(tǒng)包含連續(xù)信號外，還包含數(shù)字信號，由于計算機控制系統(tǒng)包含連續(xù)信號外，還包含數(shù)字信號，從而使計算機控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不從而使計算機控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不同。同。3) 在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件來實現(xiàn)在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件來實現(xiàn)4) 在計算機控制系統(tǒng)中，一個控制器可采用分時控

17、制的方式在計算機控制系統(tǒng)中，一個控制器可采用分時控制的方式同時控制多個回路。同時控制多個回路。5) 可實現(xiàn)分級計算機控制、分布控制等，從而實現(xiàn)控制與管可實現(xiàn)分級計算機控制、分布控制等，從而實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度提高。理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度提高。303二、數(shù)字控制器的模擬化設計二、數(shù)字控制器的模擬化設計 模擬化設計的基本步驟：根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型，模擬化設計的基本步驟：根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型，按連續(xù)系統(tǒng)理論設計模擬調(diào)節(jié)器，然后按照一定的對按連續(xù)系統(tǒng)理論設計模擬調(diào)節(jié)器，然后按照一定的對應關系將模擬調(diào)節(jié)器離散化，得到等價的數(shù)字控制器，應關系將模擬調(diào)節(jié)器離散化，得到等

18、價的數(shù)字控制器，從而確定計算機的控制算法。從而確定計算機的控制算法。模擬化設計方法：模擬化設計方法：1、離散化方法、離散化方法1）差分變換法：）差分變換法：差分近似分后向差分和前向差分，離散法只采用后向差分法a) 一階后向差分一階后向差分 b) 二階后向差分二階后向差分3131)、位置型、位置型PID算式算式 3232)、增量型、增量型PID算式算式 3333433、數(shù)字、數(shù)字PID控制算法的改進控制算法的改進1）積分項的改進：）積分項的改進：積分作用是消除殘差，為了提高控制性能，有如下改進措施：a) 積分分離積分分離 b) 抗積分飽和：抗積分飽和：執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置仍然不能消除偏差時，由于

19、積分作用，PID差分方程式所得的運算結(jié)果將繼續(xù)增大或減小，稱為積分飽和；353c) 消除積分不靈敏區(qū)消除積分不靈敏區(qū) 為消除積分不靈敏區(qū)，通常采用一下措施為消除積分不靈敏區(qū)，通常采用一下措施1）增加D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長運算字長c) 帶積分不靈敏區(qū)帶積分不靈敏區(qū) 3632、微分項的改進、微分項的改進1) 偏差平均偏差平均 2) 測量值微分：測量值微分：微分項中不考慮給定值微分，只對測量值進行微分4、數(shù)字、數(shù)字PID控制器的工程實現(xiàn)控制器的工程實現(xiàn)3731）給定值處理：）給定值處理： 包括給定值選擇與給定值變化率限制等2）被控量處理：）被控量處理： 包括數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理以及高、低限報警3）偏差處

20、理：）偏差處理： 包括數(shù)據(jù)處理、輸入補償與上限報警4）控制量處理：）控制量處理： 包括輸出補償、輸出保持與安全輸出限制等5）自動、手動切換）自動、手動切換381）采樣周期應遠小于對象的擾動周期 采樣周期應比對象的時間常數(shù)小得多，否則采樣 值無法反映瞬變過程2）考慮執(zhí)行器的響應速度3）對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)4）性能價格比5）計算機所承擔的工作量 35、采樣周期的選取、采樣周期的選取選取采樣周期時，一般應考慮下列幾個因素選取采樣周期時，一般應考慮下列幾個因素393三、過程計算機控制系統(tǒng)設計方法三、過程計算機控制系統(tǒng)設計方法過程計算機控制系統(tǒng)的設計基本原則：過程計算機控制系統(tǒng)的設計基本原則：1、可靠性

21、高、可靠性高2、實時性強、實時性強3、通用性好、通用性好4、操作性好、操作性好5、經(jīng)濟效益高、經(jīng)濟效益高401、選用標準功能模塊：、選用標準功能模塊：特點是系統(tǒng)配置靈活、擴充方便、維修簡單、縮短了硬件設計周期，缺點是商品軟件較少，需用戶自行開發(fā)2、選用通用的控制計算機：、選用通用的控制計算機：特點不僅配有系統(tǒng)軟件、而且配有豐富的應用軟件，用戶可以靈活地進行控制系統(tǒng)的組態(tài)，接觸了用戶編應用程序的負擔，缺點是價格較高3、設計專用計算機：、設計專用計算機：特點是系統(tǒng)針對性強，靈活方便；缺點是設計周期長、設計者需要具備較深的計算機硬件知識3計算機的選擇方案如下：計算機的選擇方案如下：41第七節(jié)第七節(jié)

22、過程控制系統(tǒng)的投運和控制器參數(shù)整定過程控制系統(tǒng)的投運和控制器參數(shù)整定一、控制系統(tǒng)投運一、控制系統(tǒng)投運1、檢測系統(tǒng)投入運行、檢測系統(tǒng)投入運行 2、調(diào)節(jié)閥手動遙控、調(diào)節(jié)閥手動遙控3、控制器投運（手動、控制器投運（手動自動）自動）3過程控制系統(tǒng)的組成部分投運程序如下：過程控制系統(tǒng)的組成部分投運程序如下：42控制器參數(shù)整定：控制器參數(shù)整定：通過調(diào)整這些參數(shù)使控制器特性與被控過程特性配合好，獲得滿意的系數(shù)靜態(tài)與動態(tài)特性的過程。整定方法：整定方法：理論計算整定法和額工程整定法理論計算整定法：理論計算整定法：是已知過程的數(shù)學模型基礎上，依據(jù)控制理論，通過理論計算來求取“最佳整定參數(shù)”工程整定法：工程整定法：

23、根據(jù)工程經(jīng)驗，直接在過程控制系統(tǒng)中進行的控制參數(shù)整定方法3二、控制器參數(shù)整定二、控制器參數(shù)整定433常用的幾種工程整定法常用的幾種工程整定法1、動態(tài)特性參數(shù)法、動態(tài)特性參數(shù)法2、穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）、穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法） 特點是直接在閉合的控制系統(tǒng)中進行調(diào)整，特點是直接在閉合的控制系統(tǒng)中進行調(diào)整，而不需要進行過程特性的試驗。具體步驟：而不需要進行過程特性的試驗。具體步驟：4434533、阻尼振蕩法、阻尼振蕩法 具體步驟：具體步驟：4634734834、現(xiàn)場經(jīng)驗整定法（湊試法）、現(xiàn)場經(jīng)驗整定法（湊試法）49第八節(jié)第八節(jié) 單回路控制系統(tǒng)工程設計實例單回路控制系統(tǒng)工程設計實例一、噴霧式干燥設