過程控制系統(tǒng)概述

3過程控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)概述精品文檔主要(zhǔyào)內容3.2簡單(jiǎndān)控制系統(tǒng)3.3常用高性能控制系統(tǒng)3.4實現特殊工藝要求的控制系統(tǒng)3.1被控過程的數學模型精品文檔3.1.1被控過程(guòchéng)的數學模型及其作用被控(bèikònɡ)過程的數學模型是指過程的輸入變量與輸出變量之間定量關系的描述。其中：過程的輸入變量至輸出變量的信號聯(lián)系稱為通道；控制作用至輸出變量的信號聯(lián)系稱為控制通道；干擾作用至輸出變量的信號聯(lián)系稱為干擾通道；

過程的輸出為控制通道與干擾通道的輸出之和。3.1被控過程的數學模型精品文檔一般是在工藝流程和設備尺寸等都確定的情況，研究對象的輸入變量是如何影響(yǐngxiǎng)輸出變量的。研究的目的是為了使所設計的控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)達到更好的控制效果。在產品規(guī)格和產量已確定的情況下，通過模型計算，確定設備的結構、尺寸、工藝流程和某些工藝條件。

（a）（b）（c）用于控制的數學模型（a、b）與用于工藝設計與分析的數學模型（c）不完全相同。精品文檔數學模型的表達形式非參量(cānliàng)模型當數學模型是采用曲線或數據表格等來表示時，稱為非參量模型。非參量模型可以通過(tōngguò)記錄實驗結果來得到，有時也可以通過(tōngguò)計算來得到。特點：形象、清晰，比較容易看出其定性的特征

缺點：直接利用它們來進行系統(tǒng)的分析和設計往往比較困難

表達形式：對象在一定形式輸入作用下的輸出曲線或數據來表示

當數學模型是采用數學方程式來描述時，稱為參量模型。對象的參量模型可以用描述對象輸入、輸出關系的微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程、差分方程等形式來表示。參量模型精品文檔被控過程的數學模型在過程控制(kòngzhì)中的作用：1.全面、深入地掌握被控過程(guòchéng)的數學模型是控制系統(tǒng)設計的基礎。2.良好數學模型的建立是控制器參數確定的重要依據。3.數學建模是仿真或研究、開發(fā)新型控制策略的必要條件。4.設計與操作生產工藝及設備時的指導。通過對生產工藝過程(guòchéng)及相關設備數學模型的分析或仿真，可以為生產工藝及設備的設計與操作提供指導。5.工業(yè)過程(guòchéng)故障檢測與診斷的設計指導。利用數學模型可以及時發(fā)現工業(yè)過程(guòchéng)中控制系統(tǒng)的故障及其原因，并提供正確的解決途徑。精品文檔3.1.2被控過程(guòchéng)的特性有自衡特性(tèxìng)和無自衡特性(tèxìng)當原來處于平衡狀態(tài)的過程出現干擾時，其輸出量在無人或無控制裝置的干預下，能夠自動恢復到原來或新的平衡狀態(tài)，則稱該過程具有自衡特性，否則，該過程則被認為無自衡特性。

具有自衡特性的過程及其階躍響應曲線進水量階躍增大→水位升高→出水閥前的靜壓增大→出水量逐漸增大→出水量等于進水量→水位處于新的平衡狀態(tài)。精品文檔無自衡特性(tèxìng)的過程及其階躍響應曲線進水量階躍增大(zēnɡdà)→水位升高→出水量不隨水位升高而增大(zēnɡdà)（出水量由水泵決定）→水位一直上升。精品文檔振蕩與非振蕩過程(guòchéng)的特性在階躍輸入(shūrù)作用下，輸出會出現多種形式。圖中，a)、b)和c)為振蕩過程，d)和e)為非振蕩過程。衰減振蕩的傳遞函數一般可表示為精品文檔具有(jùyǒu)反向特性的過程對過程(guòchéng)施加一階躍輸入信號，若在開始一段時間內，過程(guòchéng)輸出先降后升或先升后降，即出現相反的變化方向，則其為具有反向特性的被控過程(guòchéng)。鍋爐汽包水位的變化過程為典型的具有反向特性的過程

在給水量階躍增大而燃料量和蒸汽負荷不變的情況下，由于蒸發(fā)率的降低，于是剛開始時水位會下降，然后才逐漸上升。精品文檔3.1.3過程(guòchéng)建模方法1.機理(jīlǐ)演繹法根據被控過程的內部機理，運用已知的靜態(tài)或動態(tài)平衡關系，用數學解析的方法求取被控過程的數學模型。2.試驗辨識法先給被控過程人為地施加一個輸入作用，然后記錄過程的輸出變化量，得到一系列試驗數據或曲線，最后再根據輸入－輸出試驗數據確定其模型的結構（包括模型形式、階次與純滯后時間等）與模型的參數。主要步驟3.混合法機理演繹法與試驗辯識法的相互交替使用的一種方法精品文檔3.2簡單(jiǎndān)控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)：由一個測量(cèliáng)元件、一個變送器、一個調節(jié)器、一個執(zhí)行器和一個對象組成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。也稱簡單控制系統(tǒng)。LTLICM對象3.2.1概述精品文檔TTTICM冷液熱液蒸汽精品文檔對以上兩個(liǎnɡɡè)控制系統(tǒng)可用下述方框圖表示：簡單控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)組成被控對象測量變送器控制（調節(jié)）器控制閥（包括執(zhí)行器）精品文檔3.2.2簡單控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)設計④控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)組建設計步驟一、被控變量選擇①被控變量和操縱變量的選擇②調節(jié)規(guī)律的選擇③自動化儀表設備選擇（包括軟件編制）生產過程中希望保持恒定或按一定規(guī)律變化的變量

一般選擇對產品的質量、產量或安全生產具有決定性作用的關鍵變量。精品文檔選擇原則：①應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態(tài)，一般都為工藝過程中比較重要的變量。②該量在工藝操作過程中經常受到一些干擾而發(fā)生變化，為維持恒定需較頻繁調節(jié)。③盡量選直接參數。如直接參數難以測量，則應選與直接參數成單值函數的間接參數。④該量應能夠被測量出來，且有足夠的靈敏度。⑤應考慮工藝合理性和國產儀表(yíbiǎo)產品現狀。⑥該量應是獨立可控的。精品文檔二、操縱(cāozòng)變量的選擇用來(yònɡlái)克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量。選擇原則：

①操縱變量應是可控的，即工藝上允許調節(jié)的變量。②操縱變量一般比其它干擾對被控變量的影響更加靈敏。PID調節(jié)規(guī)律：三、調節(jié)規(guī)律的選擇精品文檔PID調節(jié)規(guī)律(guīlǜ)特點綜述：PID調節(jié)規(guī)律階躍響應特性(tèxìng)曲線精品文檔四、自動化儀表選擇(xuǎnzé)1.測量元件選擇(xuǎnzé)①測量元件時間常數（主要指測溫元件時間常數）會造成測量滯后精品文檔②測量元件純滯后（主要由測量元件安裝位置(wèizhi)引起）例a：溫度(wēndù)控制系統(tǒng)例b：PH值控制系統(tǒng)圖2.調節(jié)器選擇主要依據：調節(jié)規(guī)律、輸入通道數3.其它儀表選擇變送器、配電器、執(zhí)行器、記錄儀、顯示儀、計算機等精品文檔五、自動控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)組建調節(jié)器執(zhí)行器測量變送對象給定值

Z被控變量-XI操縱變量精品文檔3.2.3參數(cānshù)整定參數整定：對某一具體的控制系統(tǒng)，確定最合適的比例度、積分時間(shíjiān)和微分時間(shíjiān)。整定方法理論計算法工程整定法（實驗整定法）一、臨界比例度法二、衰減曲線法三、經驗湊試法精品文檔3.3常用(chánɡyònɡ)高性能控制系統(tǒng)主要(zhǔyào)內容串級控制系統(tǒng)大滯后過程控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)精品文檔3.3.1串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)一、組成及工作(gōngzuò)原理㈠反應釜溫度控制1.反應釜原理冷卻液原料（混合）產品T℃反應槽夾套槽壁冷卻液輸出精品文檔2.溫度控制方案(fāngàn)⑴單回路(huílù)控制系統(tǒng)冷卻液原料（混合）產品TTTCM冷卻液輸出T精品文檔⑵串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)T′冷卻液原料（混合）產品TT1TC1M冷卻液輸出TT2TC2外給T精品文檔㈡、管式加熱爐溫度控制1.管式加熱爐原理(yuánlǐ)爐膛T出口燃料原料油精品文檔2.控制(kòngzhì)方案⑴單回路(huílù)控制系統(tǒng)爐膛出口燃料原料油TTTCMT精品文檔⑵串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)爐膛出口燃料原料油TT1TC1MTT2TC2外給TT′精品文檔㈢、鍋爐(guōlú)主蒸汽溫度控制1.鍋爐(guōlú)原理精品文檔⑴單回路(huílù)控制系統(tǒng)2.控制(kòngzhì)方案TTTCMT給定飽和蒸汽過熱蒸汽減溫水給水T′精品文檔⑵串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)MTT2TC2外給T′TT1TC1T給定飽和蒸汽過熱蒸汽減溫水給水精品文檔二、串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)典型方框圖系統(tǒng)結構特點：兩個閉會回路(huílù)（主回路(huílù)、副回路(huílù)），兩個變量（主變量、副變量），兩個調節(jié)器（主調節(jié)器、副調節(jié)器，一個調節(jié)器的輸出作為另一個調節(jié)器的設定值），兩個測量變送器（主測量變送器、副測量變送器）。精品文檔三、應用(yìngyòng)范圍1.容量滯后較大(jiàodà)的過程2.純延時較大的過程3.干擾變化激烈且幅度較大的過程精品文檔4.參數(cānshù)相關聯(lián)的過程5.非線性過程(guòchéng)精品文檔3.3.2前饋控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)一、問題(wèntí)的提出TTTCM以下介紹兩個反饋控制實例精品文檔※反饋控制系統(tǒng)控制滯后(zhìhòu)、不及時?！鶠榱烁淖兎答伩刂撇患皶r的狀況(zhuàngkuàng)及不穩(wěn)定的內在因素，提出了前饋控制理論LTMLCFCFT1精品文檔前饋控制又稱為擾動控制，它與反饋控制原理完全不同，它是按引起被控(bèikònɡ)變量變化的干擾大小進行控制的，在這種系統(tǒng)中，要直接測量負載干擾量的變化，當干擾剛剛出現而能測出時，調節(jié)器就發(fā)出調節(jié)信號，使操縱變量作相應變化，使兩者（干擾與操縱變量）抵消于被控(bèikònɡ)變量發(fā)生偏差之前。因此，前饋控制對干擾的克服比反饋控制要快。二、前饋控制(kòngzhì)概念精品文檔三、組成(zǔchénɡ)及原理MFTFC精品文檔四、特點(tèdiǎn)及局限性1.特點：⑴、前饋控制是一種開環(huán)控制。⑵、前饋控制按干擾大小進行補償。⑶、前饋控制的調節(jié)(tiáojié)規(guī)律不同于常規(guī)PID調節(jié)(tiáojié)規(guī)律。⑷、前饋控制只能抑制可測不可控的干擾對被控變量的影響。2.局限性：

⑴、不可能針對每一個干擾都設計并應用一套獨立的前饋控制系統(tǒng)。⑵、對不可測的干擾無法實現前饋控制。⑶、前饋控制調節(jié)規(guī)律難以實現。精品文檔五、前饋控制(kòngzhì)的幾種形式1.單純前饋控制(kòngzhì)控制(kòngzhì)系統(tǒng)TTTCMFTFC∑⑴換熱器溫度控制精品文檔⑵鍋爐(guōlú)汽包液位控制LTMLCFC∑FT1FT1※前饋控制一般不單獨使用(shǐyòng)（因為達不到預期效果），實際上常與反饋控制混合使用(shǐyòng)，即組成前饋—反饋控制系統(tǒng)。精品文檔2.前饋—反饋(fǎnkuì)控制系統(tǒng)TTTCMFTFC∑⑴換熱器溫度控制精品文檔⑵鍋爐(guōlú)汽包液位控制LTMLCFC∑FT1FT1精品文檔3.3.3大滯后(zhìhòu)過程控制系統(tǒng)純滯后：介質傳輸、化學反應、管道混合(hùnhé)、皮帶傳送、軋輥傳輸、多容器串聯(lián)成分測量等。純滯后的程度：τ/T＜0.3，稱為一般純滯后；τ/T＞0.3，稱為大純滯后。

大純滯后難于控制，其主要原因如下：

1）測量純滯后使調節(jié)作用不及時；2）控制介質傳輸滯后使調節(jié)動作不及時；

3）純滯后的存在使系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性相角滯后隨頻率的增大而增大，結果使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度下降。而要保證其穩(wěn)定裕度，只能減小調節(jié)器的放大倍數，但這將導致調節(jié)質量的下降。解決方案：微分先行、中間反饋、斯密斯預估、內?？刂频?。精品文檔3.4實現特殊工藝(gōngyì)要求的控制系統(tǒng)主要(zhǔyào)內容比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng)精品文檔3.4.1比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)一、概述(ɡàishù)加熱爐煤氣空氣TTTICMFTFfFICM精品文檔比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)：實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系(guānxì)的控制系統(tǒng)煤氣：主物料、主動量、主流量——Q1空氣：副物料、副動量、副流量——Q2作用：使副物料Q2與主物料Q1成一定的比例關系即：Q2/Q1=K（K為比例系數）精品文檔二、常見比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)1.開環(huán)比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)加熱爐煤氣Q1空氣Q2FTFfFICM①原理圖精品文檔②方框圖調節(jié)器執(zhí)行器對象測量變送給定比例系數Q1Q2③特點(tèdiǎn)A、優(yōu)點(yōudiǎn)：設備少，投資??；B、缺點：只能保證Q2的閥門開度與Q1成比例，不能保證Q2與Q1成比例。精品文檔2.單閉環(huán)比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)①原理圖FT2加熱爐FTFfFICM煤氣Q1空氣Q2精品文檔②方框圖調節(jié)器執(zhí)行器對象測量變送1Q1Q2比值給定器測量變送2-③特點(tèdiǎn)A、缺點(quēdiǎn)：設備多，投資多；B、優(yōu)點：能保證Q2與Q1成比例。精品文檔3.雙閉環(huán)比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)①原理圖加熱爐FTFfFICMFT2煤氣Q1空氣Q2FC1M精品文檔②方框圖調節(jié)器2執(zhí)行器對象2測量變送1Q2比值給定器測量變送2-調節(jié)器1執(zhí)行器對象1Q1-③特點(tèdiǎn)A、缺點(quēdiǎn)：設備多，投資多；B、優(yōu)點：能保證Q2與Q1成比例，且能穩(wěn)定主變量Q1。精品文檔4.變比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)煤氣Q1空氣Q2加熱爐FTFfFICMFT2FC1MAT精品文檔5.串級比值(bǐzhí)控制系統(tǒng)加熱爐FTFfFICMFT2煤氣Q1空氣Q2FC1MTC精品文檔三、比值系數(xìshù)計算FT加熱爐FfFICMFT2空氣Q2煤氣Q1FC1MI1I2精品文檔比值：K=Q2/Q1比值(bǐzhí)系數：K′=（I2-4）/（I1-4）1.流量(liúliàng)與測量信號成非線性關系時2.流量與測量信號成線性關系時精品文檔四、比值控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的實現具體實現(shíxiàn)方案有兩種:2.把一個流量的測量值乘以比值系數，其乘積作為副調節(jié)器的設定值，稱為相乘控制方案。1.把兩個流量的測量值相除，其商作為調節(jié)器的反饋值，稱為相除控制方案。精品文檔3.4.2均勻(jūnyún)控制系統(tǒng)一、問題(wèntí)的提出ABLCLTFCFT精品文檔圖a圖c是普通的單回路控制(kòngzhì)系統(tǒng)的控制(kòngzhì)結果，只有圖b才體現了均勻控制(kòngzhì)的思想，即L和F都緩慢波動且都穩(wěn)定在一定范圍內。將液位控制與流量控制統(tǒng)一在一個控制系統(tǒng)中，從系統(tǒng)內部解決兩種工藝參數供求之間的矛盾，即使A塔的液位在允許(yǔnxǔ)的范圍內波動的同時，也使流量平穩(wěn)緩慢地變化。均勻控制的設計思想：自動控制時前后設備的液位、流量關系

精品文檔二、均勻(jūnyún)控制的特點1.結構上無特殊性同樣一個單回路液位控制系統(tǒng)，由于控制作用強弱(qiánɡruò)不一，既可以是單回路定值控制系統(tǒng)，也可以是均勻控制系統(tǒng)。因此均勻控制是靠降低控制回路的靈敏度而不是靠結構變化獲得的。2.參數有變化，而且是緩慢地變化因為均勻控制是前后設備物料供求之間的均勻，所以表征兩個物料的參數都不應是某一固定值。那種試圖把兩個參數都穩(wěn)定不變的想法絕非均勻控制的目的。無需將兩個參數平均分配，而是視前后設備的特性及重要件等因素來確定其主次。3.參數應在限定范圍內變化在均勻控制系統(tǒng)中，被控變量是非單一、非定值的，允許它們在一定的范圍內變化。精品文檔三、均勻(jūnyún)控制系統(tǒng)的設計均勻控制系統(tǒng)的設計主要包括：控制方案的選擇(xuǎnzé)、調節(jié)規(guī)律的選擇(xuǎnzé)、調節(jié)器的參數整定等。1.控制方案的選擇（1）簡單均勻控制系統(tǒng)

注意：當調節(jié)閥兩端的壓差變化較大時，流量大小不僅取決于調節(jié)閥開度的大小，還將受到壓差波動的影響。精品文檔（2）串級均勻(jūnyún)控制系統(tǒng)為了克服調節(jié)閥前后壓力波動和被控過程的自平衡待性對流量(liúliàng)的影響，設計了以流量(liúliàng)為副參數、以液位為主參數的串級均勻控制系統(tǒng)。從結構上看，它與一般的液位和流量串級控制系統(tǒng)是一致的。但這里采用串級形式的目的并不是為了提高主參數液位的控制精度，而是為了克服閥前壓力波動及自平衡特性對流量的影響，使流量變化平緩。精品文檔2.調節(jié)規(guī)律(guīlǜ)的選擇3.調節(jié)器的參數(cānshù)整定(1)

在所有的均勻控制系統(tǒng)中，不應加微分控制。

(2)

主調節(jié)器一般采用比例控制或比例積分控制，而在串級控制中，副調節(jié)器一般采用比例控制，特殊情況下，也可采用比例積分控制。經驗法：即根據經驗，按照“先副后主”，把主、副調節(jié)器的比例度δ調節(jié)到某一適當值；然后由小到大進行調節(jié)，使系統(tǒng)的過渡過程緩慢地、非周期衰減變化，最后再根據過程的具體情況，給主調節(jié)器加上積分作用。需要注意的是，主調節(jié)器的積分時間要調得大一些。精品文檔3.4.3分程控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)間歇式化學反應(huàxuéfǎnyìng)器分程控制系統(tǒng)

在一般的控制系統(tǒng)中，調節(jié)器的輸出只控制一個調節(jié)閥，但在某些工業(yè)生產中，根據工藝要求，需將調節(jié)器的輸出信號分段，去分別控制兩個或兩個以上的調節(jié)閥。這種控制系統(tǒng)通常稱為：分程控制系統(tǒng)。一、定義精品文檔二、方框圖三、控制閥動作(dòngzuò)方向1.同向動作(dòngzuò)精品文檔2.異向動作(dòngzuò)四、分程控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的設計分程控制系統(tǒng)本質上是屬于單回路控制系統(tǒng)。由于調節(jié)器的輸出信號要進行分程而且所用調節(jié)閥較多，所以在系統(tǒng)設計上也有一些特殊之處。精品文檔分程即將調節(jié)器輸出分成(fēnchénɡ)幾個區(qū)段，一段信號控制一個調節(jié)閥。1.調節(jié)器輸出(shūchū)信號的分程2.調節(jié)閥特性選擇與注意的問