過(guò)程控制系統(tǒng)

過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程可以分為連續(xù)過(guò)程工業(yè)、離散過(guò)程工業(yè)和間歇過(guò)程工業(yè)。其中，連續(xù)過(guò)程工業(yè)所占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、電力、輕工、紡織、醫(yī)藥、建材、食品等工業(yè)部門(mén)，連續(xù)過(guò)程工業(yè)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義重大。過(guò)程控制主要是指連續(xù)過(guò)程工業(yè)的過(guò)程控制。過(guò)程控制系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：1.被控對(duì)象（對(duì)象）2.用于生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的檢測(cè)與變送儀表3.控制器4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.報(bào)警、保護(hù)和聯(lián)鎖等其他部件過(guò)程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖控制器根據(jù)系統(tǒng)輸出量檢測(cè)值y(t)與設(shè)定值r的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量u,對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制器送來(lái)的控制信息調(diào)節(jié)被控量，從而達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。過(guò)程輸出信號(hào)通過(guò)過(guò)程檢測(cè)與變送儀表，反饋到控制器（或稱調(diào)節(jié)器）的輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。例如：氨水液控常用名詞術(shù)語(yǔ)：被控對(duì)象：需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，被稱為被控對(duì)象。例如鍋爐。被控變量：對(duì)象內(nèi)要求保持設(shè)定值（接近恒定值或按預(yù)定規(guī)律變化）的物理量，稱為被控變量，如鍋爐水位。操縱變量：受調(diào)節(jié)器操縱，用以使被控變量保持設(shè)定值（給定值）的物料或能量，稱為操縱變量，如鍋爐給水。干擾（擾動(dòng)）：除操縱變量以外，作用于對(duì)象并能引起被控變量變化的因素，稱為干擾或擾動(dòng)。負(fù)荷變化就是一種典型的擾動(dòng)，如蒸汽用量的變化對(duì)鍋爐水位控制是一種典型的干擾。設(shè)定值（給定值）：被控變量的目標(biāo)值（預(yù)定值），稱為設(shè)定值。偏差：偏差理論上應(yīng)該是被控變量的設(shè)定值與實(shí)際值之差。但是能夠直接獲取的是被控變量的測(cè)量值信號(hào)而不是實(shí)際值，因此，通常把給定值與測(cè)量值之差稱為偏差?？刂葡到y(tǒng)的分類開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)（被控變量）不反饋到系統(tǒng)的輸入端，因而也不對(duì)控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)，稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)分為2種。一種是按設(shè)定值進(jìn)行控制。另一種是按擾動(dòng)量進(jìn)行控制，即所謂的前饋控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出（被控變量）通過(guò)測(cè)量變送環(huán)節(jié)，又返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定信號(hào)比較，以偏差的形式進(jìn)入調(diào)節(jié)器，對(duì)系統(tǒng)起控制作用，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)封閉的反饋回路，這種控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或成反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及其品質(zhì)指標(biāo)（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程一個(gè)處于平衡狀態(tài)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后，被控變量發(fā)生變化；與此同時(shí)，控制系統(tǒng)的控制作用將被控變量重新穩(wěn)定下來(lái)，并力圖使其回到設(shè)定值或設(shè)定值附近。一個(gè)控制系統(tǒng)在外界干擾或給定干擾作用下，從原有穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程，稱為控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程是衡量控制系統(tǒng)品質(zhì)優(yōu)劣的重要依據(jù)。（2）過(guò)渡過(guò)程的質(zhì)量指標(biāo)衰減比：是表征系統(tǒng)受到干擾以后，被控變量衰減程度的指標(biāo)。其值為前后兩個(gè)相鄰峰值之比，及圖中的B1/B2，一般希望它能在4:1到10:1之間。余差：是指控制系統(tǒng)受到干擾后，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)被控變量的殘余偏差，即圖中的C。C值也就是被控變量在擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差?？刂葡到y(tǒng)的余差要滿足工藝要求，有的控制系統(tǒng)工藝上不允許有余差，即C=0。最大偏差：表示被控變量偏離給定值的最大程度。對(duì)于一個(gè)衰減的過(guò)渡過(guò)程，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值，即圖中的A值。A值就是被控變量所產(chǎn)生的最大動(dòng)態(tài)偏差。對(duì)于一個(gè)沒(méi)有余差的過(guò)渡過(guò)程來(lái)說(shuō)，A=B1。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間又稱調(diào)節(jié)時(shí)間。它表示從干擾產(chǎn)生的時(shí)刻起，直至被控變量建立起新的平衡狀態(tài)為止的這一段時(shí)間，圖中以TS來(lái)表示。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間愈短愈好。振蕩周期被控變量的相鄰兩個(gè)波峰之間的時(shí)間叫振蕩周期，圖中以T來(lái)表示。在衰減比相同的條件下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比，因此一般希望周期也是愈短愈好。一個(gè)好的控制系統(tǒng)需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：純滯后純滯后使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)反映被控變量的實(shí)際值，從而降低了控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因此必須注意被控變量的測(cè)量點(diǎn)（安裝位置）應(yīng)具有真正的代表性，并且純滯后越小越好。測(cè)量滯后是指由于檢測(cè)元件時(shí)間常數(shù)所引起的動(dòng)態(tài)誤差。如測(cè)溫元件測(cè)溫時(shí)，由于存在著熱阻和比熱容，它本身具有一定的時(shí)間常數(shù)，因而測(cè)溫元件的輸出總是滯后于被控變量的變化，從而引起幅值的降低和相位的滯后。傳遞滯后為了減少傳輸時(shí)間，當(dāng)氣動(dòng)傳輸管線長(zhǎng)度超過(guò)150m時(shí)，在中間可采用氣動(dòng)繼動(dòng)器，以縮短傳輸時(shí)間。當(dāng)調(diào)節(jié)閥膜頭容積過(guò)大時(shí)，為減少容量滯后，可采用閥門(mén)定位器。選擇控制規(guī)律PID的選擇。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)又稱單回路反饋控制系統(tǒng)。由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一只調(diào)節(jié)閥所組成的單回路閉合控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，易于調(diào)整和投運(yùn)，能滿足一般生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，因而應(yīng)用很廣泛。它尤其適用于被控對(duì)象純滯后小，時(shí)間常數(shù)小，負(fù)荷和干擾變化比較緩慢，或者對(duì)被控變量要求不太高的場(chǎng)合。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)常用被控變量來(lái)劃分，最常見(jiàn)的是溫度、壓力、流量、液位和成分等5種控制系統(tǒng)。煤焦油加氫預(yù)處理氨水液位控制返回調(diào)節(jié)器的“正”“反”作用如果將調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)定義為測(cè)量值減去給定值，那么當(dāng)偏差增加時(shí)，其輸出也增加的調(diào)節(jié)器，稱為“正作用”調(diào)節(jié)器；反之，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)隨偏差的增加而減小的稱為“反作用”調(diào)節(jié)器。正、反作用調(diào)節(jié)器的選定目的：使調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、對(duì)象三個(gè)環(huán)節(jié)組合起來(lái)，能在控制系統(tǒng)中起到負(fù)反饋的作用。步驟：首先，由操縱變量對(duì)被控變量的影響方向來(lái)確定對(duì)象的作用方向。其次，由工藝安全確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式。最后，由對(duì)象、調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)器三個(gè)環(huán)節(jié)組后為“負(fù)”來(lái)確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。判定方法：氣開(kāi)閥為“正”方向，氣關(guān)閥為“負(fù)”方向。調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，被調(diào)參數(shù)上升為“+B”，下降為“-B”一個(gè)單參數(shù)控制系統(tǒng)中，正、反作用調(diào)節(jié)器的選擇。A*B=“+”調(diào)節(jié)器為反作用A*B=“-”調(diào)節(jié)器為正作用煤焦油加氫氨水液位控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥為F.C氣開(kāi)型+A調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，液位下降，-B“+A”*“-B”=“-”調(diào)節(jié)器為正作用。作用過(guò)程：液位上升液位變送器信號(hào)變大調(diào)節(jié)器輸出變大閥門(mén)開(kāi)度變大液體輸出變大液位下降例2：加熱爐溫控復(fù)雜控制系統(tǒng)凡是多參數(shù)，具有兩個(gè)以上變送器、兩個(gè)以上調(diào)節(jié)器或兩個(gè)以上調(diào)節(jié)閥組成多回路的自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱之為復(fù)雜控制系統(tǒng)。目前常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級(jí)、均勻、比值、前饋-反饋、選擇性、分程以及三沖量等，并且隨著生產(chǎn)發(fā)展，又陸續(xù)出現(xiàn)了許多其他新型的復(fù)雜控制系統(tǒng)。（1）串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是應(yīng)用較早，效果最好，使用最廣泛的一種復(fù)雜控制系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是兩個(gè)調(diào)節(jié)器相串接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定，適用于時(shí)間常數(shù)及純滯后較大的被控對(duì)象。串級(jí)控制系統(tǒng)是由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接工作的。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主變量的定值控制。由副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副對(duì)象、副測(cè)量變送器組成的回路稱為副回路。整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)包括主對(duì)象、主調(diào)節(jié)器、副回路等效環(huán)節(jié)和主變量測(cè)量變送器，稱為主回路。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較迅速、較強(qiáng)的克服能力?？梢愿纳茖?duì)象特性，提高工作頻率?？上{(diào)節(jié)閥等非線性特性的影響。串級(jí)控制系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。煤焦油加氫原料緩沖罐液位控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的正反作用副調(diào)節(jié)器的作用方向與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的正反作用的選擇方法相同。主調(diào)節(jié)器的作用方向可按：當(dāng)主、副變量增大（減小），調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作方向一致的，則主調(diào)節(jié)器選“反作用”。反之，主調(diào)節(jié)器選“正作用”。原料油緩沖罐液位控制系統(tǒng)中副回路閥門(mén)為“F.C”，“+A”調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，流量變大“+B”+A*+B=“+”，副調(diào)節(jié)器為反作用。主回路當(dāng)流量，液位增大時(shí)，調(diào)節(jié)閥都應(yīng)減小開(kāi)度，作用方向一致。則主調(diào)節(jié)器為“反作用”。（2）分程控制系統(tǒng)由一臺(tái)控制器的輸出信號(hào)去操縱兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制閥工作，而且每一個(gè)控制閥上的操縱信號(hào)，只是控制器整個(gè)輸出信號(hào)的某一段。習(xí)慣上將這種控制方法稱為分程控制。為了實(shí)現(xiàn)分程的目的，往往要借助于附設(shè)在每個(gè)閥上的閥門(mén)定位器，將控制器的輸出信號(hào)壓力分成若干個(gè)區(qū)間，再由閥門(mén)定位器將不同區(qū)間內(nèi)的信號(hào)壓力轉(zhuǎn)換成能使相應(yīng)的控制閥全行程動(dòng)作的壓力信號(hào)0.02~0.1Mpa,。例如一個(gè)調(diào)節(jié)閥在20~60Kpa,另一個(gè)調(diào)節(jié)閥在60~100kpa的范圍內(nèi)工作。如果調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)范圍是0.02mpa~0.1mpa氣信號(hào)，要控制A/B兩只調(diào)節(jié)閥，那么只要在A、B調(diào)節(jié)閥上分別裝上氣動(dòng)閥門(mén)定位器，A閥上的定位器調(diào)整為：當(dāng)輸入0.02~0.06mpa時(shí)，輸出為0.02~0.1mpa；而在B閥上的定位器調(diào)整為：當(dāng)輸入為0.06~0.1mpa時(shí)，輸出為0.02~0.1mpa。即當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出在0.02~0.06mpa時(shí)，A調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，而調(diào)節(jié)器輸出在0.06~0.1mpa時(shí)，B調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，從而達(dá)到了分程的目的。分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用（1）采用幾種根本不同的控制手段煤焦油加氫氮?dú)鈿夥饪刂葡到y(tǒng)在0.02~0.06mpa時(shí)，進(jìn)氣閥閥作用；在0.06~0.1mpa時(shí)，排氣閥作用。（2）擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍煤焦油加氫再沸器返塔溫度控制F.O調(diào)節(jié)閥管徑為80F.C調(diào)節(jié)閥管徑為150。兩者流通能力不同，增大可調(diào)比。系統(tǒng)采用分程信號(hào)全量程重疊的方法，A、B閥同時(shí)作用。（3）比值控制系統(tǒng)在煉油、化工等生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常要求兩種或兩種以上的物料，按一定的比例混合后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，否則會(huì)發(fā)生事故或浪費(fèi)原料量等。工業(yè)生產(chǎn)上為保持兩種或兩種以上物料比值為一定的控制叫比值控制。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是由一個(gè)定值控制系統(tǒng)和一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)所組成，它不僅能保持兩個(gè)流量之間的比值關(guān)系，而且能保證總流量不變。與采用兩個(gè)單回路控制系統(tǒng)相比，其優(yōu)越性在于主流量一旦失調(diào)，仍能保持原定的比值。并且當(dāng)主流量因擾動(dòng)而發(fā)生變化時(shí)，在控制過(guò)程中仍能保持原定的比值關(guān)系。（4）選擇性控制系統(tǒng)在正常工況下，選擇器選中正常調(diào)節(jié)器I，使之輸出送至調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)I的正?？刂?。這時(shí)的控制系統(tǒng)工作情況與一般的控制系統(tǒng)是一樣的。但是，一旦參數(shù)II將要達(dá)到危險(xiǎn)值，選擇器就自動(dòng)選中調(diào)節(jié)器II的信號(hào)，從而取代調(diào)節(jié)器I操縱調(diào)節(jié)閥。這時(shí)對(duì)參數(shù)I來(lái)說(shuō)，可能控制質(zhì)量不高，但生產(chǎn)扔繼續(xù)進(jìn)行，并通過(guò)調(diào)節(jié)器II的調(diào)節(jié)，使生產(chǎn)逐漸趨于正常，待到恢復(fù)正常后，調(diào)節(jié)器I又取代調(diào)節(jié)器II的工作。這樣，就保證在參數(shù)II道道越限前就自動(dòng)采取新的控制手段，不必硬性停車(chē)。（5）前饋控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)屬于反饋控制，它的特點(diǎn)是被控變量的偏差進(jìn)行控制，因此只有在偏差產(chǎn)生后，調(diào)節(jié)器才對(duì)操縱變量進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動(dòng)變量對(duì)被控變量的影響。若擾動(dòng)已經(jīng)產(chǎn)生，而被控變量尚未變化，控制作用是不會(huì)發(fā)生的，所以，這種控制作用總是落后于擾動(dòng)作用的，是不及時(shí)的控制。對(duì)于滯后大的被控對(duì)象，或擾動(dòng)幅度大而頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制往往不能滿足工藝生產(chǎn)的要求，若引入前饋控制，實(shí)現(xiàn)前