過程控制工程he

1、過程控制系統(tǒng)及工程緒論過程（Process）-生產(chǎn)過程基本概念歷經(jīng)一段時間一般工業(yè)生產(chǎn)伴隨物質(zhì)能量變化過程（Process）的特點連續(xù)過程(Continuous Process)批量（間歇）過程(Batch Process)離散過程(Discrete Process)流程工業(yè)(Flow Manufacturing Industry)離散制造業(yè)(Discrete Industry)過程控制(Process Control） 針對連續(xù)或半連續(xù)（間歇）過程中的溫度、壓力、流量、液（物）位、化學(xué)成分（如含氧量）、物性參數(shù)（如粘度、融溶指數(shù)）等變量而實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，稱為過程控制。被控參數(shù)種類基本概念

2、溫度壓力流量液位成分（氧含量，產(chǎn)品組份等）物性（粘度，干點，冰點等）過程控制領(lǐng)域基本概念石油化工：輸油，煉油，乙烯，合成橡 膠，合成氨電力：火電廠冶金：冶金加熱爐，熱處理爐生化：啤酒，制藥輕工：食品，漂染環(huán)境：水處理，大氣監(jiān)測其它：農(nóng)業(yè)，養(yǎng)殖業(yè) 被控對象控制變量設(shè)定值x控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動 f被控變量y反饋量 z圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u是指被控制的裝置或者設(shè)備。施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定的規(guī)律運行，一般用符號u 表示。被控變量控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號y 表示。偏差信號擾動信號系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號e 表示。

3、使對象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號。一般用符號f 表示。 設(shè)定值x控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動 f被控變量y反饋量 z圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u設(shè)定值（給定值）希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號x 表示。2、控制系統(tǒng)的組成定值元件 控制器 執(zhí)行元件用來產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。 或稱調(diào)節(jié)器。通過一定的控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件。完成功率轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)行機構(gòu)或者執(zhí)行器。 設(shè)定值x控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動 f被控變量y反饋量 z圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u測量、變送元件又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號送到控制器。

4、比較元件用以產(chǎn)生偏差信號2、控制系統(tǒng)的組成設(shè)定值x控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動 f被控變量y反饋量 z圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u3、 對自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、精確性和快速性 穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)設(shè)計的首要條件 系統(tǒng)自身的屬性 有界輸入，有界輸出 精確性反映系統(tǒng)的被控變量偏離設(shè)定值的程度。 快速性控制系統(tǒng)受到外界的作用后，從一個平衡狀態(tài)達(dá)到另一個平衡狀態(tài)的時間 。單回路反饋控制系統(tǒng)1.1 單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2 被控變量的選擇1.3 對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4 控制閥的選擇 第1章1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 單回路反饋控制系統(tǒng) 四個基本環(huán)節(jié)：

5、被控對象、測量變送、控制器和控制閥 反饋控制中的最基本系統(tǒng) 特點：簡單、有效、 應(yīng)用最成熟、最普遍 - 占70%以上例1：恒溫箱的人工控制1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成人工控制的恒溫箱 加熱電阻絲220V調(diào)壓器溫度計觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度 偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電 阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值 人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程 1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成人工控制過程的實質(zhì)：檢測偏差，調(diào)節(jié)操縱變量，縮小偏差期望 溫度大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實際 溫度溫度計例2：水槽液位控制系統(tǒng)LCF1F2F1F21.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成F1增

6、加 L增加 變送器輸出信號增加 偏差（測量值-設(shè)定值）為正、增加 控制器輸出增加 閥開度增加 F2增加 L降低；工作過程：1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成控制器控制閥被控對象測量變送偏差給定 測量 液位給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。 也稱為參考輸入量（信號）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使 之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 控制系統(tǒng)的原理和作用（定值）維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好偏差控制

7、：糾正偏差 過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)按被控參數(shù)分類： 溫度控制回路、壓力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路常規(guī)PID控制系統(tǒng)組成 PID控制器 調(diào)節(jié)閥工藝對象檢測儀表給定值偏差被測變量A/DD/APID控制器：它是各類自動控制系統(tǒng)的核心部分。由于控制對象的不同，以及對系統(tǒng)靜、動態(tài)特性的要求和應(yīng)用的控制規(guī)則的不同，可以構(gòu)成各種類型P, PI, PID控制器。比例（P）控制器：適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。如：中間儲罐液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力。比例積分(PI)控制器：它適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差

8、的系統(tǒng)系統(tǒng)。例如流量、壓力和要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，常采用比例積分控制器。 比例積分(PI)控制器是使用最多、應(yīng)用最廣的控制器。比例積分微分（PID）控制器：適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，目前應(yīng)用較多的是溫度系統(tǒng)。常規(guī)PID控制系統(tǒng) 常規(guī)PID（Proportional Integral Derivative）控制器是過程控制中應(yīng)用最為廣泛最基本的一種控制器，它具有簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點，而且PID調(diào)節(jié)規(guī)律對相當(dāng)多的工業(yè)控制對象，特別是對于線性定常系統(tǒng)的控制非常有效。 即使在現(xiàn)代控制技術(shù)飛速發(fā)展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。由于計算機的廣泛使

9、用，控制器的實現(xiàn)大都有微機實現(xiàn)控制算法。PID控制算法 PID算法是根據(jù)給定值SP與實際輸出值PV構(gòu)成控制偏差e(t)=SP-PV，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：比例作用比例部分：由數(shù)學(xué)表達(dá)式Kpe(t)表示，比例系數(shù)Kp越大，則過渡過程越快，控制結(jié)果的靜態(tài)偏差也越小;但Kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩。因此，比例系數(shù)Kp選擇必須恰當(dāng)，才能取得過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定的結(jié)果。 積分作用從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，它的控制作用就會不斷增加;只有在偏差e(t)=0時，它的積分才會為一個常數(shù)?？梢?，積分部分的作用可以

10、消除系統(tǒng)的偏差。積分時間Ti對積分的作用影響極大。當(dāng)Ti較大時，積分作用較弱;這時系統(tǒng)的過渡時間不會產(chǎn)生振蕩;但是消除偏差的時間較長。當(dāng)Ti較小時，則積分作用較強，系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差的時間較短。微分作用微分部分的作用由微分時間Td決定;Td越大，它抑制偏差e (t)變化的作用越強;Td越小，它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對系統(tǒng)的動態(tài)過程有很大的作用。PID參數(shù)的整定 P I D控制器參數(shù)整定的實質(zhì)是，尋找或者選擇控制器的三項參數(shù)值，使控制器的特性與被控過程的特性得到良好的匹配，從而使控制系統(tǒng)的特性滿足期望的目標(biāo)。 P I D控制器參數(shù)整定的方法很多，工程

11、上常用的方法有：臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗湊試法臨界比例度法臨界比例度法：先通過試驗得到臨界比例度k和臨界周期TK，然后根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。具體做法：先只加純比例作用，在干擾作用下，從大到小逐漸改變比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩，這時的比例度叫臨界比例度k，振蕩周期為臨界周期TK，然后按下表的計算公式計算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。臨界比例度法參數(shù)計算公式表控制作用比例度/%積分時間/min微分時間/minP2 kPI2.2k0.85TKPID1.7k0.5TK0.125TK衰減曲線法衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值的。具體做法：先只加純比例作用，將

12、控制器比例度放在較大的數(shù)值上，在達(dá)到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4：1衰減比為止，記下此時的比例度s，并從曲線上得出衰減周期TS，然后按下表的計算公式計算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。衰減曲線法法參數(shù)計算公式表控制作用比例度/%積分時間/min微分時間/minPSPI1.2S0. 5TSPID0.8S0.3TS0.1TS經(jīng)驗湊試法經(jīng)驗湊試法是長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的一種整定方法。它是根據(jù)經(jīng)驗先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，按照規(guī)定順序，對比例度、積分時間Ti和微分時間Td逐個整定，

13、直到獲得滿意的過渡過程為止。經(jīng)驗數(shù)據(jù)表被控變量特點/%Ti/minTd/min流量對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，401000.31溫度對象容量滯后較大20603100.53壓力對象容量滯后一般30700.43液位對象時間常數(shù)范圍較大，2080過程控制系統(tǒng)及工程第二章 串級控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)2.1 概述2.2 串級控制系統(tǒng)2.3 投運和整定2.4 串級控制系統(tǒng)的特點2.5 串級系統(tǒng)副回路的設(shè)計 第2章2.1概述復(fù)雜控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)：在一般情況下能夠滿足生產(chǎn)控制要求特殊情況：系統(tǒng)干擾因素多、干擾變化劇烈，以及工藝特殊要求復(fù)雜控制系統(tǒng) 復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻

14、、前饋、選擇、分程等 串級控制系統(tǒng)原理 精餾控制過程：P42 圖2-1 提餾段溫度控制 通過控制再沸器加熱蒸汽量來維持提餾段溫度恒定 2.1概述TC精餾塔提餾段溫度控制：結(jié)果：溫度控制不穩(wěn)定2.1概述 分析干擾：若干擾僅來自精餾塔進(jìn)料的波動，則通過此回路 可控制溫度情況一，很多情況下，除了進(jìn)料因素影響，加熱蒸汽流量也會有波動（如鍋爐蒸汽出口壓力的波動），這時，在一定的閥門開度情況下，加熱蒸汽量不同。解決辦法：再加入一個蒸汽流量控制系統(tǒng)，可控制 流量穩(wěn)定。 問題：兩套控制系統(tǒng)不能協(xié)調(diào)，甚至出現(xiàn)矛盾 溫度控制系統(tǒng)要求增加或減小蒸汽流量，而流量控制系統(tǒng)卻只能根據(jù)事先的流量設(shè)定值進(jìn)行定值控制。 2.1

15、概述TCFC串級控制系統(tǒng)：兩套控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制特點：兩個控制器，一個調(diào)節(jié)閥 一個控制器（主控制器）的輸出送到另一個控制器（副控制器）的給定，副控制器的輸出送到控制閥 2.1概述TCFC2.1概述溫度控制器流量控制器控制閥流量對象溫度對象溫度變送器流量變送器 特點：兩個閉環(huán)環(huán)路，內(nèi)環(huán)和外環(huán) 內(nèi)環(huán)：副環(huán)，副控制器、副對象、副變送器 （流量） 外環(huán)：主環(huán)，主控制器、主對象、主變送器 （溫度） 主環(huán)，定值控制系統(tǒng)，給定值由工藝設(shè)定，主控制器輸出作為副控制器的設(shè)定 副環(huán)，隨動控制系統(tǒng)，給定值由主控制器輸出給定，副控制器輸出控制控制閥2.1概述串級控制系統(tǒng)工作過程控制系統(tǒng)處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài) 2.1概述氣

16、開式控制閥反作用的流量控制器反作用的溫度控制器 情況1: 副環(huán)內(nèi)出現(xiàn)干擾 流量控制器：“粗調(diào)” 溫度控制器：“細(xì)調(diào)” 2.1概述蒸汽流量突然增大（一段時間：提餾段溫度不變，溫度控制器輸出不變，流量控制器設(shè)定值不變，但流量測量增大（流量控制器正偏差，流量控制器輸出減小，控制閥關(guān)小）蒸汽流量減小，削弱對提餾段溫度的影響） 提餾段溫度緩慢上升（溫度控制器正偏差，溫度控制器輸出減小，輸出到流量控制器的設(shè)定值減?。┝髁靠刂破髟O(shè)定值減小，流量控制閥開度進(jìn)一步減小。 情況2: 主環(huán)內(nèi)出現(xiàn)干擾 進(jìn)料量突然增大，塔釜液位上升，提餾段溫度下降溫度控制器負(fù)偏差，輸出增大（流量控制器負(fù)偏差，流量控制器輸出增大，控制閥

17、開度增大，蒸汽量增加）提餾段溫度回升2.1概述2.1概述情況3: 主環(huán)和副環(huán)同時（1）副環(huán)干擾使蒸汽流量增大， 主環(huán)干擾使提餾段溫度降低；（1）副環(huán)干擾使蒸汽流量增大， 主環(huán)干擾使提餾段溫度升高。FCFCspsp結(jié)論：串級控制系統(tǒng)具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能，控制質(zhì)量優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)，并且，實現(xiàn)方便，生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普遍。 2.1概述2.2.1串級控制系統(tǒng)控制方案 電動儀表、氣動儀表（很少用）、計算機 （1）一般的串級方案 （2）能實現(xiàn)主控 串級切換的串級方案溫度控制器流量控制器控制閥流量對象溫度對象溫度變送器流量變送器2.2.2串級控制系統(tǒng)的實施因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號

18、，即，主對象為“正”，則主控制器取“反”作用，主對象為“負(fù)”，則主控制器取“正”作用 例1P48 圖2-7 加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)PCTC副控制器： 控制閥選“氣開”式正 副對象，壓力對象，閥門開大，負(fù)，反作用 壓力上升正 變送器一般均為正主控制器： 副環(huán)正 主對象，溫度對象， 燃料壓力增大時，燃料量增加，負(fù)，反作用 出口溫度上升正2.2.2串級控制系統(tǒng)的實施例2精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統(tǒng)2.2.2串級控制系統(tǒng)的實施FCTC副控制器： 控制閥選“氣閉”式負(fù) 正對象，流量對象，閥門開大， 流量增大正 變送器一般均為正主控制器： 副環(huán)正 主對象，溫度對象， 蒸

19、汽流量增大時，加熱量增加， 提餾段溫度上升正2.3.1串級控制系統(tǒng)的投運 投運步驟4、調(diào)節(jié)主控制器手操輸出，使副控制器的偏差為零5、分別將副、主控制器切入自動 1、主、副控制器手動位置，主控制器內(nèi)給定、副控制器 外給定，正反作用正確，PID參數(shù)正確2、副控制器手動操作3、通過副參數(shù)的變化，使主參數(shù)接近給定值，而副參數(shù) 變化也比較平穩(wěn)過程控制系統(tǒng)及工程第三章 比值控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng)3.1 概述3.2 比值控制系統(tǒng)的類型3.3 比值系數(shù)的計算3.4 比值控制方案的實施3.5 比值控制系統(tǒng)的投運與整定3.6 比值控制系統(tǒng)的其他問題 第3章3.1概述 工業(yè)過程中，經(jīng)常需要控制兩種或兩種以上的物料保

20、持一定 的比例關(guān)系 如：造紙過程中，紙漿和水要成一定的比例關(guān)系 石化重油氣化，重油和氧氣量要成一定的比例關(guān)系 鍋爐燃燒，煤氣和空氣成一定的比例關(guān)系，等等 比值控制系統(tǒng)： 實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng) 流量比值較多，流量比值控制系統(tǒng)主物料/主流量： 處于比值控制中的主導(dǎo)地位 F1從物料/從流量： 按主物料進(jìn)行配比 F2 比值控制系統(tǒng)，要求副流量F2與主流量F1成一定的比值關(guān)系，K為流量比值 3.1概述3.2比值控制系統(tǒng)的類型3.2.1開環(huán)比值控制系統(tǒng)(a)原理圖FCF1F2(b)方塊圖3.2.1開環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器控制閥對象F2測量變送F1本質(zhì)：整個控制系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，F(xiàn)

21、2流量根據(jù)F1流量， 按比例系數(shù)開閉閥門場合：這種方案應(yīng)用較少優(yōu)點：簡單，儀表少缺點：系統(tǒng)開環(huán)，F(xiàn)2波動時比值難以保證3.2.2單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 在開環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng) KF1F2FC 從方塊圖上看，與串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，只是主參數(shù)沒有閉環(huán)，F(xiàn)2不影響F1 副流量系統(tǒng)閉環(huán)，穩(wěn)定副流量，定值控制。3.2.2單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器控制閥對象F2測量變送F1 K測量變送過程控制系統(tǒng)及工程第4章 均勻控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng)4.1 均勻控制問題的提出及特點4.2 均勻控制方案4.3 均勻控制系統(tǒng)的理論分析4.4 其他需要說明的問題 第4章4.1均勻控制問題的提

22、出及特點 如串聯(lián)精餾塔系統(tǒng) 甲塔乙塔LCFC 甲塔控制液位，而乙塔要控制進(jìn)料量，出現(xiàn)矛盾 過程生產(chǎn)的連續(xù)性物料連續(xù)，前一設(shè)備出，后一設(shè)備進(jìn), 前后設(shè)備的控制系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)不協(xié)調(diào)（矛盾）。均勻控制目的：兩參數(shù)都允許在一定范圍內(nèi)波動，但波動都不大 4.1均勻控制問題的提出及特點解決辦法：工藝上可在兩塔之間加入緩沖罐增加投資 控制系統(tǒng)上解決均勻控制系統(tǒng)做法：把兩參數(shù)統(tǒng)一考慮，只設(shè)置一個控制系統(tǒng)， 如LC，然后調(diào)整控制器參數(shù)LFt（C）KC0LFt （a）KC較大 LFt（b）KC較小均勻控制系統(tǒng)的特點（1）結(jié)構(gòu)上無特殊性 可以是單回路，可以是串級，均勻是指控制目 的，而不是指 結(jié)構(gòu)。 （2）參數(shù)都要

23、允許變化，但都要緩慢，并且要有主次 （3）參數(shù)變化要限定范圍（非定值控制，而是定范圍控制） 注意：明確均勻控制意圖。 4.1均勻控制問題的提出及特點4.2均勻控制方案常用的結(jié)構(gòu)形式4.2.1（1）簡單均勻控制 結(jié)構(gòu)與單回路相同，在控制器參數(shù)整定上不同，較大的比例度和積分時間（弱控制作用） 適用于干擾不大，要求不高的場合 圖4-4 串級均勻控制方案LCFC LC 圖4-3簡單均勻控制方案圖4-5 液位和流量 I0=IL-IF+IS ，穩(wěn)定時，IL和IF的符號相反，抵消，IS 結(jié)構(gòu)與串級系統(tǒng)相同，主控制器與簡單均勻控制器參數(shù)設(shè)置相同。常用的結(jié)構(gòu)形式4.2.1（2）串級均勻控制 （3）雙沖量均勻控制 “沖量”信號，“雙沖量” 一個控制器 綜合兩個測量信號，IFISI0=IL-IF+ISI0FC控制規(guī)律的選擇4.2.2不能加微分控制規(guī)律 簡單均勻：控制器純比例，或比例積分串級均勻：主控制