过控系统概述常用文档

• 扰动量是控制的依据，控制目的是及时抑制干扰。 • 属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。
1.2 过程控制系统分类及性能指标
3.闭环与开环系统
蒸汽流量控制系统
EX4: 列管式换热器过程控制 蒸汽 FT
FC
FT
阀
FC
A
进料
出料
阀B
进料流量控制系统
冷凝水
1.2 过程控制系统分类及性能指标
蒸汽流量设定
hsp
Qo
传感测量：液位计+人眼 控制器：大脑 执行机构：手+手动阀
差压传感变送器 电动调节器 自动调节阀
控制在日常生活中无处不在！
1.1 过程控制系统组成及特点
1.1.1 过程控制认识
1.过程控制
根据工业生产过程的特点，采用自动化工具， 应用控制理论，设计工业生产过程控制系统， 实现工业生产过程自动化。
过程控制系统的重要术语
Qi
扰动变量 - DV (Disturbance Variable)
h
测量信号 - Measurement
设定值 - SP (Setpoint)
LC
hsp
被控变量- CV ( Controlled Variable)
控制变量 Control Variable
Qo
操纵变量 - MV (Manipulated Variable)
矿量给定
当前矿量
矿量控 制器
变频 器
给矿机
给矿 皮带
皮带秤
球磨给矿过程控制系统方框图
总结
以流量为被控参数的工业生产过程控制系统，通过给矿过程 的自动控制稳定产量，并为后续工艺质量的控制提供基础。
1.1 过程控制系统组成及特点
1.1 过程控制系统组成及特点
EX2: 硫酸工艺过程控制
• 化工行业硫酸生产工艺 中，SO2主风机以前采用 手动调节蝶阀开度，控 制风机出口压力，压力 波动大。
萃取装置
污水汽提装置
1.1 过程控制系统组成及特点
1.1.3 过程控制的特点
1. 被控过程复杂多样。 2. 控制方案多样性。 3. 控制过程多属缓慢过程，存在滞后和非线性。 4. 有定值控制和随动控制，定值控制是主要控制形式。 5. 控制过程由规范的检测变送、控制和执行装置组成，
实现生产过程的自动监控。
阶跃扰动作用下衰减振荡过渡过程
y(t)
超调量 y(tp)y()100%
y()
稳态误差
ess ry()
y(tp ) B1
B2
给定值 r 稳态值 y(∞)
±5%
衰减比
n B1 B2
过渡时间
ts
t
1.2 过程控制系统分类及性能指标
静态性能指标 稳态误差: 零或越小越好。 动态性能指标
1.衰减比:
取衰减比为4:1~10:1
1.1 过程控制系统组成及特点
1.1.2 过程控制系统组成
设定值 hsp
偏差 e(t)
+ _
液位 控制器
扰动 Qi(t)
控制信号
操纵变量
u(t)
出水
Qo(t)
控制阀
液体贮罐
干扰 通道
控制
+ +
通道
被控变量 h(t)
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及 每一个方块所表示的意义？
• 采用变频器，调节风机 转速来稳定压力，具有 显著的节能效果。
1.1 过程控制系统组成及特点
压力给定
当前压力
压力控 制器
变频 器
主风机 管路
压力传感器
硫酸工艺流程过程控制系统方框图
4.过程控制目的
抑制外界扰动的影响，确保过程的稳定性，使生产过程 的工况最优化。
1.1 过程控制系统组成及特点
1.1.2 过程控制系统组成
1.2 过程控制系统分类及性能指标
EX3: 丙烯冷却器过程控制
(15、0指– 1出5被0℃控=变•4量–、2图操0m纵A变)示。量；乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙烯，使 第1 过一程个控波制峰系值统B1组=8成8其及-81特=点汽7℃；化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯 流量使温度控制在（）℃。 管控一体化技术（MCIS）
过控系统概述
联系方式
办公室：电力电子技术实验室 （百工楼428）
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关于课程结构
检测仪表 第2章
自动化仪表
执行器 第3章 控制器 第5章
过程特性 第4章
过程控制 控制策略 第5、6章
控制系统 第7、8、9章
控制系统到底做什么？
PC
TC
回油 燃料油
雾化蒸汽
PC
工艺介质 FC
控制工程与其他相关学科
2.超调量:
越小越好
3.过渡过程时间: 越小越好
1.2 过程控制系统分类及性能指标
EX5: 阶跃响应性能指标的求取
• 某发酵过程工艺规定操作温度为80±5℃。 • 试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和
过渡过程时间。
。 T/ C 88
82
81
80
4
12 18
t/ min
1.2 过程控制系统分类及性能指标
1.2 过程控制系统分类及性能指标
3.阶跃响应和偏差积分性能指标的比较
• 阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但 如何统筹（兼顾偏差和时间），则比较困难。
• 偏差积分性能指标可综合偏差和时间关系，即 可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各 单项指标，属于综合性能指标。
• 一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定， 在工程应用中使用广泛；而偏差积分性能指标 则更便于计算机仿真和理论分析。
1.2 过程控制系统分类及性能指标
1.2.1 过程控制系统的分类
• 按系统的结构特点来分
– 反馈控制系统 – 前馈控制系统 – 复合控制系统（前馈-反馈控制系统）
• 按给定值信号的特点来分
– 定值控制系统 – 随动控制系统
1.2 过程控制系统分类及性能指标
1.反馈控制系统
f(t)
r(t) e(t)
1.2 过程控制系统分类及性能指标
4.复合控制系统
• 充分发挥了“前馈”和“反馈”的各自优 点。
f(t)
前馈补偿器
r(t)
控制器
-
y(t)
执行器
被控过程
测量变送
1.2 过程控制系统分类及性能指标
5.定值和随动控制系统
• 定值控制系统是被控量（温度、压力、流量、液位、 成分等）的给定值是固定不变的过程控制系统。
u(t)
q(t)
y(t)
控制器
执行器
被控过程
z(t)
测量变送
• 偏差值是控制的依据，控制目的是减小或消除偏差。
• 属于闭环控制系统，反馈信号可能有多个，从而可以 构成多回路控制系统（如串级控制系统）。
1.2 过程控制系统分类及性能指标
2.前馈控制系统
测量变送
Байду номын сангаас
f(t)
前馈补偿器
执行器
y(t)
被控过程
• 有时可在规定的小范围附近不变。
• 随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任意变化的 控制系统。
• 主要作用是克服扰动，使被控量随时跟踪给定值。
1.2 过程控制系统分类及性能指标
1.2.2 过程控制的性能指标
过程控制系统的性能由组成系统的结构、被控过程与过程仪表 （测量变送、执行器和控制器）各环节特性所共同决定的。
。 T/ C 88
82 稳态值 81
给定值 80
4
12
18
t/ min
• 稳态误差ess=80-81= -1℃ • 衰减比n=B1:B2=7:1
第一个波峰值B1=88-81=7℃； 第二个波峰值B2=82-81=1℃； • 超调量σ=（88-81）/ 81=8.64%
• 过渡过程时间ts=18min
怎样执行 PID计算？
管道中的信号为3-15psi的气压 气压改变阀门开度
1.3 过程控制技术的发展
1.3.1 控制系统的发展史
-
蒸汽流量控制器
闭环控制系统
阀A 蒸汽流量变送器
蒸汽管道
扰动 f
换热器 换热器
出料温度
开环控制系统
进料流量设定
-
进料流量控制器
阀B
进料管道
闭环控制系统 进料流量变送器
换热器
1.2 过程控制系统分类及性能指标
总结
• “反馈”是控制的核心！只有通过反馈才能实 现对被控参数的闭环控制！
• 开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的 变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是 否适合实际需要。
• 分析方法： – 1.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用； – 2.偏差积分性能指标，计算机仿真时采用。
1.2 过程控制系统分类及性能指标
典型的控制系统过渡过程曲线
y
y
y
t
t
t
(a) 发散振荡过程
y
(b)非振荡发散过程 (c)等幅振荡过程
y
不稳定
t
(d)衰减振荡过程
t
(e)非振荡衰减过程
稳定
1.2 过程控制系统分类及性能指标
1.3 过程控制技术的发展
1.3.1 控制系统的发展史
手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算和通讯
由人直接根据指示来调节阀门 温度指示
开大阀门 还是逃命？
冷却阀
1.3 过程控制技术的发展
1.3.1 控制系统的发展史
手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算和通讯
变量的值由装置的位置来表达
怎样改变 设定值？
支点的位置决定： 闸门的变化/液位变化
闸门的位置决定流量
浮子用来测量液位
1.3 过程控制技术的发展
1.3.1 控制系统的发展史
手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算和通讯
变量大小与气压成比例 (50 – 150℃ = 3 – 15psi)。
控制原理 与方法
最优化 方法与技术
系统仿真 技术
控制工程
计算机 与网络技术
化工原理 与对象机理
测量与控制 仪表
本课程的教学要求
• 了解控制系统的设计目的，掌握控制系 统方块图描述法
• 掌握过程对象的建模方法 • 掌握PID类常规控制策略，能够结合具体
的工业过程设计合理的控制方案 • 了解先进控制算法，掌握其设计思想、
• 过程控制系统性能的评价指标可概括为： – 系统必须是稳定的 – 系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）； – 系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。
1.2 过程控制系统分类及性能指标
2.性能指标的确定和分析方法
• 过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际 需要来确定。需同时注意静态和动态性能指标。
概念、特点及适用场合 • 了解控制系统的设计与实施
第1章 过程控制系统概述
主要内容
♦ 过程控制系统的组成和特点 ♦ 过程控制系统的分类和区别 ♦ 过程3 控制的阶跃响应指标 ♦ 过程控制的发展 ♦ 本课程的地位和任务
1.1 过程控制系统组成及特点
1.1.1 过程控制认识 控制系统的由来
Qi
h
LC
1.1 过程控制系统组成及特点
1.1.3 过程控制的特点
传热过程
燃烧过程
生产过程
化学过程
精馏过程
传质过程
换热器、加热器、再沸器 锅炉、冶炼炉、加热炉 各类化学反应设备 提纯或分离，精馏塔 不同组分的分离与结合
过程控制生产装置
板翅式换热器 盘 管 式 换 热 器
过程控制生产装置
铜矿冶炼炉
过程控制生产装置
2.工业生产过程
离散过程：火箭、机械加工、汽车制造等 连续过程：化工、石油、冶金等
被控参数 温度、压力、流量、物位和成分等变量。 4
1.1 过程控制系统组成及特点
3.过程控制的认识 EX1: 球磨给矿过程控制
工作过程
变频器
矿仓
存在问题
给矿机
矿石
解决办法
给矿皮带
矿量控制器
电子皮带秤
去磨机
矿量给定
1.1 过程控制系统组成及特点
2.试画出该控制系统的组成方块图。
温度给定
-
控制器
扰动
丙烯流量
执行器
丙烯冷却器
裂解气温度
测量变送
3.试比较示意图和方块图，说明控制参数的信号流向与 物料的实际流动方向不同。
气态丙烯
TC
TT
扰动 乙烯裂解气
温度给定
丙烯冷却器 丙烯流量
裂解气温度
控制器 执行器 丙烯冷却器
-
液态丙烯
测量变送
• 在示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。 • 在方块图中，气态丙烯作为控制参数，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。
系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）；
一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定，在工程应用中使用广泛；
2 过程控制系统分类及性能指标 上世纪40年代至60年代，经典控制理论为主。
TC
TT
2 过程控制仪表的发展
指出系统中被控过程、被控参数气和态控丙制参烯数各是什么？
乙烯裂解气
属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。
控制系统结构（单回路、串级、前馈-反馈控制等）；
各组成环节特性：
r(t) e(t)
u(t)
控制器
执行器
z(t)
测量变送
f(t)
q(t)
y(t)
被控过程
1.2 过程控制系统分类及性能指标
1.过程控制系统的性能评价
• 一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用 或给定值发生变化后，应能迅速、平稳、准确地达到 或趋近给定值。
被控过程为丙烯冷却器； 电流转变为气压来操纵阀门
丙烯冷却器
1 过程控制系统组成及特点
阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；
指出系统中被控过程、被控参数和控制参数各是什么？
电线中的信号为4 - 20mA的电流
液态丙烯
1.2 过程控制系统分类及性能指标
1.指出系统中被控过程、被控参数和控制参数各是什么？ •被控过程为丙烯冷却器；被控参数为乙烯裂解气的出口温度； 控制参数为气态丙烯的流量。