过程控制第5章简单控制系统设计讲解.ppt

过程控制 第五章 简单控制系统设计 与参数整定 5.1 简单控制系统的构成 简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个被控对 象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器（控制阀） 所组成的闭环控制系统 被控变量 控制器执行器被控对象 测量变送环节 干扰 偏差设定值 ＋ － 5.1 简单控制系统的构成 温度控制系统流程图 温度控制系统 被控变量：要求保持一定数值（或按某一规律变化的）物理量 5.1.1 简单控制系统实例 y:加热器出口温度 q:载热体流量 控制系统方框图： 控制变量：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量 Gpc(s):控制通道 Gpd(s):扰动通道 5.1 简单控制系统的构成 压力控制系统 被控变量：水泵出口压力 控制变量：旁路流量 压力控制系统流程图 5.1.2 控制系统的工程表示及方框图 在工艺设计在工艺设计 给出的流程给出的流程 图上，按流图上，按流 程顺序标注程顺序标注 出相应的测出相应的测 量点、控制量点、控制 点、控制系点、控制系 统及自动信统及自动信 号 工艺控制流程图： 管道、仪表流程图 (1)图形符号 a、测量点测量点 一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接 线的起点 b、连线连线 通用的仪表信号线均以细实线表示 c、仪表符号仪表符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm 就地 安装 仪表 就地 安装 仪表 嵌在 管道 中 集中 仪表 盘面 安装 仪表 就地 仪表 盘面 安装 仪表 仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号 例如： PIC－207 TRC－210 …… (2) (2) 字母代号字母代号 字母编号写在圆圈的上半部 第一位字母表示被测变量 后继字母表示仪表的功能 PIC－207 压力 指示 控制 (3)(3)仪表位号仪表位号 数字编号写在圆圈的下半部 第一位数字表示段号 后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。

第2工段 仪表序号为07 字母第一位字母后续字母 A分析报警 C 控制 F流量 I电流指示 L液位 P压力 R 记录或打印 T温度传送 常用仪表功能字母代号 脱乙烷塔的管道及仪表流程图 5.1.3 过程控制系统设计的基本要求 安全性：生产过程中，确保人员设备安全 稳定性：系统在一定外界扰动下，能长期稳定运行的能力 方法：参数越限报警 事故报警 联锁保护：当生产出现异常时，为保证设备、人员安全，使各个设备 按一定 次序紧急停止运转（手工操作，忙乱中可能出错 其它安全保护对策（危险环境）：系统可靠性设计；用本质安全防爆仪表 经济性：降耗节能，提高经济效益与社会效益 要求：适当稳定裕度 良好动态性能（过渡过程时间短、稳态误差小） 5.1.4 过程控制系统设计的主要内容 系统控制方案设计（核心） 工程设计 工程安装和仪表调校 调节器参数整定 被控变量选择 控制变量选择 测量、变送器选择 执行器选择 控制规律选择 控制室操作台设计；仪表、计算机系统选型；供电系统设计 每台仪表进行单校，各控制回路进行联校 调整PID参数，使控制作用达到最佳 5.1.5 过程控制系统设计的步骤 3.控制方案的确定 2. 建立被控过程的数学模型 1.熟悉和理解生产对控制系统的技术要求和性能指标。

4.控制设备选型 5.实验（或仿真）验证 检测设计正确性及系统性能 依据被控过程的技术要求和性能指标；综合考虑安全性、 稳定性和经济性的基础上 明确 控制目的 使生产过程自动按照预定的目标进行， 并使工艺参数保持在预先规定的数值上 （或按预定规律变化） 分析 生产工艺 “关键”变量：对产品的产量、质量以及 生产过程的安全具有决定作用的变量 确定 被控变量 选择被控变量 选择控制变量 处理测量信号 选择调节阀 选择控制规律 系统投运 参数整定 5.2 简单控制系统设计 5.2.1 被控变量的选择 被控变量的选择方法： 直接指标控制（直接参数法）：被控变量本身就是需要控制的工艺 指标 例如温度、压力、液位、流量反映等生产工艺控制指标的参数 间接指标控制（间接参数法） ：选择那些能间接反映产品产量和 质量又与直接质量指标有单值对应关系、灵敏度高、易于测量的另 一变量作为被控变量 例如组分（某物质含量）、转化率等 原则——尽量采用直接参数法 采用间接参数法时的注意问题： 单值性、 线性性或确定的函数关系、 灵敏度高、 工艺的合理性 CBDA 控制指标 被控变量 被控变量 被控对象 原则上，在诸多影响被控变量的输入 中选择一个对被控变量影响显著而且 可控性良好的输入作为控制变量后， 其它所有未被选中的输入则成了为系 统的干扰变量。

5.2.2 操纵变量（控制变量）的选择 控制通道 干扰通道 干扰变量 控制变量 被控变量 干扰作用与控制作用之间的关系 被控对象 即控制通道的选择问题 某控制系统的方块图如右图所示，求 干扰发生阶跃变化时的稳态变化量 (已知：给定值为0) 先求 Y(s) = ?? F(s) 令干扰发生单位阶跃变化： 则： 1、对象静态特性的影响 控制通道传函： 干扰通道传函： 静态特性？ 放大系数 抗干扰能力强，y(∞)？越小越好 控制变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性 质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为控制变量 控制通道放大系数Ko ? K0越大，控制作用对被控变量的影响越大 K0 过大时，控制作用过于灵敏，使控制系统不稳定，应避免 干扰通道放大系数Kf ? Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小 y(∞)越小越好 越小越好 应适当的大一些，K0KC>>Kf 2、控制通道动态特性的影响 控制通道时间常数 T0 ？ 小一点好 控制通道纯滞后τ0？ Ｔ0过大：控制变量的校正作用迟缓，控制不及时，过渡时间增长，超调量 增大 Ｔ0小：反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响； 但Ｔ0太小系统易振荡，使系统稳定性下降。

控制通道传函： 越小越好（最好能避免） τ0作用：使系统响应不及时；降低系统稳定性，超调量增加， 偏差增加 干扰通道时间常数 Tf ？ Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越 有利于改善控制质量 干扰通道纯滞后τf的影响 无纯滞后 有纯滞后 干扰通道滞后时间τf ? 干扰通道的纯滞后τf仅使干扰对被控变量的 影响推迟了时间τf ，不会影响控制质量 3、干扰通道动态特性的影响 干扰通道传函： 总结：控制变量的选择原则总结：控制变量的选择原则 1、 控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量 2、 控制变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏 为此，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大倍数适 当大、时间常数适当小(但不宜过小，否则易引起振荡)、纯滞后 时间尽量小 为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的 放大系数尽可能小、时间常数尽可能大 3、 考虑工艺的合理性与生产的经济性 一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷 直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的 工艺要求：在保证产品含水率合格的 前提下，保证最大产量 被控变量 ：产品含水率(直接指标控制 ) 检测含水率有困难；由工艺可知， 含水率与干燥温度有单值对应关系 实际被控变量：干燥温度T1 (间接指标 控制） 影响被控变量的主要输入变量： 乳化物流量fw 旁路空气流量fQ 加热蒸汽压力流量fp 5.4 5.4 简单控制系统设计实例简单控制系统设计实例 高位槽中的液体乳化物经过滤器过滤 后进入干燥筒，用热风进行干燥。

热 风来自被加热的压缩空气 根据动态性质选择控制变量根据动态性质选择控制变量 乳化物干燥系统示意图 乳化物 高位槽 过滤器A 1 2 WWW 3 蒸 汽 空 气 产 品 T1 T2 干燥筒 过滤器B 1 100S+1 1 100S+1 e-3S e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) fP T1 fQ fW 乳化物干燥系统被控对象对象方块图 乳化物干燥系统示意图 = 1 GW(S) (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) e-2S = 1 GQ(S) (100S+1) = 1 GP(S) (100S+1)(100S+1) GF(S) = e-3S 干燥筒（输入：乳化物流量fw；输出：干燥温度T1） 换热器1（输入：通过调节阀2的旁路空气流 量fQ；输出：冷、热风混合处的温度T2 ） 风管（输入：冷、热风混合处的温度T2； 输出：干燥温度T1） 各个环节的传递函数 ： 乳化物 高位槽 过滤器 1 2 WWW 3 蒸 汽 空 气 产 品 GW(S) GQ(S) GP(S) T1 T2 GF(S) 换热器2（输入：蒸汽压力流量fp；输出： 冷、热风混合处的温度T2 ） 方案1：乳化物流量fW为控制变量 fW fp 1 100S+1 1 100S+1 e-3S fQ e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) T1控制器 TC 偏差设定值 ＋ － 干扰 方案2：旁路空气流量fQ为控制变量 设定值 fp 1 100S+1 e-3S 100S+1 fQ e-2S (8.5S+1)3 T1 控制器 TC 偏差 ＋ － fW 干扰 方案3：蒸汽流量fp为控制变量 e-2S (8.5S+1)3 1 100S+1 e-3S 100S+1 fQ T1 控制器 TC 偏差 设定值 ＋ － fW fp 1 100S+1 1 100S+1 e-3S e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) fP T1 fQ fW 控制方案： 哪个方案好？ 从系统动态特性考虑 ，方案1最佳；方案2 居中；方案3最差。

但乳化物流量fw为生 产负荷，直接关系 到产品的产量，不 宜作控制变量 ∴选择方案2 1．仪表性能的考虑： 5.2.3 系统设计中的测量变送问题 基本要求:准确、快速通常按一阶惯性环节考虑 a、测量元件时间Tm常数的影响： y：被控变量 Z：测量值 b、测量元件纯滞后时间τm的影响 y Z 严重影响控制质量；一般是由于 测量元件安装位置引起的 Tm越大：失真越显著 测量值没有反映被控变量的真实值，控制器得到的是一个失真信号，就 不能发出正确的控制信号 在自动控制系统中，以温度测量元件和成分分析的取样装置所引起的测 量滞后为最大 通常测量元件应选择在最具代表性，响应最灵敏、最迅速的位置安装， 减小参数测量滞后和传送滞后 合理引入微分特性的超前作用，对克服测量滞后，改善控制质量是一 种有效的方法 (TdS+1) Km TmS+1 Y(S) Z(S) U(S) 测量、变送装置与微分器连接示意图 克服测量滞后的几种方法： 1、 选择快速测量元件 要求：测量元件的时间常数T Tm m< <对象的To 的1/10； ；对系统的控制质量影响不大 2、正确选择测量元件的安装位置。

3、正确使用微分器 但是，微分环节会放大测量、变送回路的高频噪声，使得系统稳定 性变差，因此，要合理使用 2. 测量信号的处理 ⑴ 测量信号的线性化处理 （选择相应的线性化方法） 例如：热电阻、热电偶测温 ⑵ 测量信号的滤波处理（根据噪声特性选择滤波方式） 有脉动或高频噪声的信号（模拟RC电路或数字滤波） 3．安装与使用条件 安装条件必须符合相应检测仪表的具体要求 例如：流量测量仪表通常对前后管道的直管段的要求、节流装置对流向的要求 实际使用仪表的工作参数应该符合仪表的设计参数 例如：气体流量测量时的实际温度和压力应该与设计值相等 如果实际工作温度和压力与设计值偏离较大，将产生较大的附加。