现代过程控制基础 1 过程控制系统综述

1.1.4 过程控制系统的品质指标
a-发散震荡过程
b-等幅震荡过程
c-衰减震荡过程
d-非周期过程
几种不同的过渡过程
递减比： 积分性能指标：
动态偏差：B1 调整时间：TC 静态偏差 C
1.2 单回路控制系统
f
r
e
u
q
y
调节器 调节阀 被控对象
－
z 检测元件、变送器
r：给 定 值 e：偏 差 u：控 制 量 q：操 纵 量 y： 输 出 f： 扰 动 z： 测 量 值
• 过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间 常数Tf要大；引入系统的位置要远离被控参数；
• 应尽量设法把广义过程的几个时间常数错开， 使其中一个时间常数比其他时间常数大得多；
• 注意工艺操作的合理性、经济性。
1.2.9 控制系统投运(1)
• 投运：在控制系统方案设计、仪表安装 调校就绪后，或者经过停车检修之后， 再将系统投入生产使用的过程。
具有两个以上的检测元件和变送器， 或调节器，或执行器的控制系统
1.3.1 串级控制系统
r 主调节器
－ 主回路
副回路
d2
副调节器 －
阀 副对象
副变送器
主变送器
d1
y 主对象
d1：一次扰动 d2：二次扰动
1.3.1.1 串级控制系统的结构
串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一， 在过程控制中得到了广泛地应用。
• 一 次 扰动——不包括在副回路内的扰动。 • 二 次 扰动——包括在副回路内的扰动。
1.3.1.3 串级控制系统主要特点
• 1.改善了被控过程的动态特性； • 2.提高了系统的工作频率； • 3.具有较强的抗扰动能力； • 4.具有一定的自适应能力。
1.2.12 基本调节回路的诊断(1)
• 将控制器置于“手动”方式，人为改变控制器的 输出信号（遥控），检测现场调节阀阀杆是否 上下移动；
• 如果阀杆上下移动自如，检查相关流量/压力等 测量信号是否随之变化。若变化很小，则检查 测量信号是否正常，或者调节阀上游阀和下游 阀是否全开，或者旁路阀是否关闭；
• 应考虑工艺的合理性和生产的经济性。
1.2.6 过程静态特性对控制品质的影响
• 指过程的静态放大系数对控制质量的影响。
–扰动通道的静态放大系统Kf大对控制不利 ； –控制通道的放大系数K0愈大，表示控制作用
愈灵敏； – 但K0太大，会使控制作用对被控变量的影响
过强，使系统的稳定性下降； – 选择控制通道的K0适当大一些，可由Kc来补偿。
1.2.10 单回路控制系统设计方案举例(5)
1.2.10 单回路控制系统设计方案举例(6)
• 投运步骤：
– 电子皮带秤标定及投入使用； – 手动调节变频器频率，观察调节灵敏度； – 在稳定运行一段时间后打到自动； – 记录运行数据，整定调节器参数，直至满意。
1.2.11 控制规律
Kc：比例增益 Ti：积分时间 Td：微分时间
1.1.3 过程控制系统的特点
(一)被控对象的多样性 ： 工业生产各不相同，生产过程本身大多比较复杂，
生产规模也可能差异很大，这就使对被控对象的认识 带来困难，不同生产过程要求控制的参数各异，且被 控参数一般不止一个，这些参数的变化规律不同，引 起参数变化的因素也不止一个，并且往往互相影响， 要正确描绘这样复杂多样的对象特性还不完全可能， 至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些 复杂多样的对象特性，还只能采用简化的方法来近似 处理。虽然理论上有适应不同情况的控制方法，由于 对象特性辨识的困难，要设计出适应不同对象的控制 系统至今仍非易事。
• 可以选用间接参数作为被控参数，但它 必须与直接参数有单值一一对应关系；
• 对控制作用的反应具有足够的灵敏度； • 应考虑到工艺生产的合理性； • 仪表的供应情况。
1.2.4 被控参数选择的一般原则
• 代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状 态的重要变量；
• 应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁 加以控制的变量；
？） • 测量仪表安装位置：（给矿皮带？） • 执行器：开度控制器（推杆？变频器？)
1.2.10 单回路控制系统设计方案举例(4)
• 采用单回路控制系统； • 在给矿皮带上安装电子皮带秤，根据皮
带秤检测的矿量对给矿机进行变频调节； • 控制器选用西门子S7-300PLC； • 控制算法采用PI控制。
1.2.13 PID参数的整定(2)
对象特征参数的获得
• Kp(稳态增益)：
其中umax、umin与 ymax、ymin为输入输出的量程上下限； 若巳归一化，则 umax－ umin =1, ymax－ ymin =1。
• Ts (开环过渡过程时间)：
1.2.13 PID参数的整定(3)
PID参数的整定原则
1.2.1 单回路控制系统结构
1.2.2 单回路控制系统特点
• 结构简单、投资少、易于整定和投运； • 可满足一般生产过程的工艺要求； • 占控制回路的85%以上，应用广泛； • 适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、
负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求 不太高的场合。
1.2.3 被制参数选择
• 选择起决定性作用、并且可以测量的直 接参数；
• PID参数初始值的选择： Kc = 1/Kp；Ti = Ts /2； Td = 0
• 将上述PID控制器投入“Auto” （自动） 方式，并适当改变控制回路的设定值， 观察控制系统跟踪性能。若响应过慢， 而且无超调存在，则适当加大KC值， 例如增大到原来的两倍；反之，则减 小KC值。
1.3 复杂控制系统
• 操作人员在系统投运之前，必须对构成 系统的各种仪器仪表、联接管线、供电、 供气情况等进行全面检查和准备。
1.2.9 控制系统投运(2)
控制系统投运的步骤： • 投运步骤：
–检测系统投入运行； –调节阀手动遥控； –调节器投运。
• 待回路工况稳定后，可投入自动：
– 把调节器PID参数值设置合适位置，当其偏差接近 零时，即将调节器由手动切换到自动；
1.2.10 单回路控制系统设计方案举例(2)
• 单回路系统？或其它系统？ • 干扰量？ • 静态和动态指标要求？ • 仪表选型？控制器选型？ • 控制规律（算法）确定？
1.2.10 单回路控制系统设计方案举例(3)
• 被控参数：给矿量； • 控制参数：(下矿口开度？给矿机频率？
) • 测量仪表：皮带秤（电子式？放射源式
测量变送
2.比较元件
3.控制元件 4.执行元件 5.被控对象
术语: 参考输入 偏差
主反馈 控制量
扰动
输出
1.1.2 过程控制系统的类别
• 定值控制系统
参考输入不变化，控制的目的是克服扰动。
• 随动控制系统
参考输入随时间变化，控制的目的是使输出跟随参 考输入的变化。
• 程序控制系统
参考输入按事先给定的规律变化。
1.1.3 过程控制系统的特点
由于对象的特性不同，其输入与输出量可能不止一 个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确 定控制方案和控制器的设计或选型，以及控制器特性 参数的计算与设定，这些都要以对象的特性为依据， 而对象的特性正如上述那样复杂且难于充分认识，要 完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能 ．目前已设计出各种各样的控制系统如简单的位式控 制系统、单回路及多回路控制系统。以及前馈控制； 计算机控制系统等，都是通过必要的理论计算，采用 现场调整的方法，才能达到过程控制的目的。
– 若还不够理想，则继续整定调节器参数，直到满意 为止。
1.2.10 单回路控制系统设计方案举例(1)
• 磨矿工艺中，每个球磨系列由摆式给矿 机下矿，经集矿皮带和给矿皮带送入球 磨机；
• 以前由人工观察给矿量，靠调整下矿口 或起停给矿机来控制矿量，给矿量波动 往往较大，难以稳定。为稳定入磨矿量， 需设计球磨给矿自动控制系统。
1.2.7 扰动通道对动态特性的影响
• 扰动通道的容积愈多、愈大，则扰动对 被控参数的影响愈小，控制质量愈好；
• 扰动通道的纯滞后不影响系统的控制质 量；
• 应使扰动作用点位置远离被控参数。
1.2.8 选择控制参数的一般原则
• 选择过程控制通道的放大系Ko要大一些；时间 常数To要小一些；纯滞后时间τo愈小愈好；
1.1.3 过程控制系统的特点
(三)对象特性非线性 对象特性往往是随负荷而变的，即当
负荷不伺时，其动态特性有明显的差别。 如果只以较理想的线性对象的动态特性 作为控制系统的设计依据，难以达到控 制目的。
1.1.3 过程控制系统的特点
(四)控制系统比较复杂
由于生产安全上的考虑，生产设备的设计 制造都力求使各种参数稳定，不会产生振荡， 作为被控对象就具有非振荡环节的特性。热工 对象往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量 发生变化后，对象本身能使被控量遂渐稳定下 来，这就具有惯性环节的特性。也有无自动趋 向平衡的能力的对象，被控量会一直变化而不 能稳定下来．这种对象就具有积分特性。
• 应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标 ； • 应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量； • 应是独立可控的； • 应考虑工艺的合理性与经济性。
1.2.5 控制参数选择
• 应是工艺上允许加以控制的可控变量； • 应是对被控参数影响的诸因素中比较灵
敏的变量，即：
–控制通道的放大系数要大一些； –时间常数要小一些； –纯滞后时间要尽量小等。
现代过程控制基础
1 过程控制系统综述
1.1 过程控制系统的基本概念
通过采用检测、控制仪表、控制装置 等自动化技术工具，对生产过程进行自动 检测、监督和控制，以达到实现各种最优 的技术经济指标、提高经济效益和劳动生 产率、节约能源、改善劳动条件、保护环 境等目的。
• 生产过程自动化，一般是指石油，化工， 冶金，炼焦、造纸、建材、陶瓷以及热 力发电等工业生产中连续的或按一定程 序周期进行的生产过程的自动控制。电 力拖动及电机运转等过程的自动控制一 般不包括在内。凡是采用模拟或数字控 制方式对生产过程的某一或某些物理参 数进行的自动控制通称为过程控制。
• 过程控制系统可以分为常规仪表过程控 制系统与计算机过程控制系统两大类。
举例
进料
液位 控制 阀
出料
闭环 控制
炉温 控制
K
开环 控制
E
开关 电源
开环控制与反馈控制的比较
开环 优点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信
号和扰动能预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件
• 如果调节阀灵活，而且相关被控信号可随之变 化。则可进入单回路PID控制器的参数整定.
1.2.12 基本调节回路的诊断(2)
常见的现场执行机构
1.2.13 PID参数的整定(1)
控制器输出响应测试
（1）手动改变控制 器的输出信号u(k)， 观察被控变量y(k)的 变化过程。
（2）由阶跃响应曲 线得到对象基本特 征参数 。
1.3.1.2 串级控制系统的名词术语
• 主调节器——按主被控参数的测量值与给定值 的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节 器的给定值。
• 副调节器——按副被控参数的测量值与主调节 器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制 调节阀动作。
• 副 回 路——由副调节器、副被控过程和副 测量变送器组成的闭合回路。
1.3.1.2 串级控制系统的名词术语
• 主被控参数——起主导作用的被控参数。 • 副被控参数——为稳定主参数而引入的
中间辅助参数。 • 主被控过程——由主被控参数表征其特
性的生产过程。其输入量为副被控参数， 输出量为主被控参数。 • 副被控过程——由副被控参数作为输出 的生产过程，其输入量为控制参数。
1.1.3 过程控制系统的特点
(二)对象存在滞后 由于热工生产过程大多在比较庞大的设备内进行，
对象的储存能力大，惯性也较大，内部介质的流动与 热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向 平衡的趋势。因此当流入或流出对象的物质或能量发 生变化时，由于存在容量一惯性和阻力，被控参数不 可能立即反映出来，滞后的大小决定于生产设备的结 构与规模，并同研究它的流入量与流出量的特性有关。 显然，生产设备的规模愈大，物质传递的距离愈长， 热量传递的阻力愈大，造成的滞后就愈大。一般说来， 热工过程大都是具有较大滞后的对象，对自动控制十 分不利。
参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较 大。 闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可 以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差， 控制精度高。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
1.1.1 过程控制系统的组成
d
一.组成与术语 r
e
u
v
y
控制器 执行器 被控对象
组成: