过程控制工程总结1

2. 气开阀与气关阀的选择原则
* 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热 炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气 关阀，如加热炉进风蝶阀。
调节阀的气开气关选择
Tsp Tm 进料 T
出料 TC
TC
出料
u
冷却剂
Rf 燃料
进料
调节阀的理想流量特性
调节阀理想流量特性：通 过控制阀的流量和阀门开 度之间的函数关系。
温度 传感器 mV
温度 变换器
“广义对象”的概念
扰动 D(t) ysp(t) + _ 控制器 GC (s) u(t) 执行器 GV (s) q(t) 干扰通道 GD (s) 控制通道 GP (s) + + 广义对象
测量变送 Gm (s)
ym (t)
y(t)
特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。
f ×100
100
百度文库80
3 1 4
f (l )
f 为相对流量；l 为相对
开度：
60
40
20 3.3 0 20 40 60 l ×100
2
df Kf 线性阀（1）： dl
80
100
df Kf f 等百分比阀或称对数阀（2）： dl
调节阀流量特性总结

线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与
Inlet/Outlet Temp. 65
• 基本定义 过程纯滞后时间 定义为 过程输入施加激 励至过程输出开 始变化所需的时 间.
60 Inlet Temp. 55 50
Cent
45 40 35 30 25 Outlet Temp.
T
0
5
10
15
20
25 30 Time, min
35
40
45
50
关于过程特性参数 K,T,τ
总结 • 2015.3.17 过程动态特性分析
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
-
控制装置
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
简单控制系统方块图 过程：需要实现控制的机器、设备或生产过程 过程特性：是指被控过程的输入变量（操纵变量或扰动变量） 发生变化时，其输出变量（被控变量）随时间的变化规律。
一般的反馈控制系统
被控过程
DVs 干扰通道 ysp + 控制器 _ ym(t) 传感变送器 u(t) + y(t)
执行机构
MV
控制通道
+
常用被控变量（CV）：某一工艺介质的温度、压力/差压、流量、 液位/料位、成份含量、属性。
一般的反馈控制系统
被控过程
DVs 干扰通道 ysp + 控制器 _ ym(t) 传感变送器 u(t) + y(t)
f1 100 u
F2 KV 2 f 2 P P2
控制方块图
P2 f2
被控过程
P1 Psp + _ Pm PT 51 e(t) PC 51 u(t) 控制阀 f1
KV 2 f 2 P P2
F2 F1
P P(t)
KV1 f1 P 1 P
P
V
dP K1 F1 K 2 F2 dt
气动调节阀的结构
pc
u(t)
执 行 机 构
电气 转换器
pc
执行 l 机构
阀体
f
管路 系统
q
....... .......
u(t)：控制器输出
( 4~20 mA 或 0~10 mA DC)；
pc ：调节阀气动控制信号；
阀 体
l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积； q ：受调节阀影响的管路相对流量。
过程控制工程总结1 • 2015.3.10 过程控制工程概论
过程控制(Process Control)
工业生产过程：石油、化工、冶金、纺织等。
过程参数：温度、压力、流量、液位、成分… 过程控制：工业生产过程中过程参数的控制。
• 被控对象的多样性：
催化裂化装置、高炉、精馏塔、燃煤锅炉…
• 过程特性的难辨性：
通道：输入变量对输出变量的作用途径 控制通道：操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径
扰动通道：扰动变量f(t)对被控变量c(t)的作用途径
广义对象特性主要通过响应曲线来呈现
控制通道的响应曲线：当被控作用 u(t) 做阶跃变化（扰动 f(t) 不变）时被控变量的时间特性c(t)
扰动通道的响应曲线：当扰动 f(t) 做阶跃变化（控制作用 u(t) 不变）时被控变量的时间特性c(t)
AC
AT
热油出口 火嘴
TT
PT
TC
PC
燃油
控制系统举例
Psp
PC 51
Pm u
PT 51
F2 f2 P
P2
假设变量之间满足 以下关系：
dP V K1 F1 K 2 F2 dt
P1 f1 F1
F1 KV 1 f1 P 1 P
对于上述储气罐压力控制系统，请 指出其 CV、SP、MV、DVs，并给 出其控制系统的方块图与设计目标。
Liquid Level 10
• 基本定义 对单容过程而言， 过程一阶时间常数 定义为 过程输出开始变化 至达到全部变化的 63.2%所需的时间.
9
8
7
meter
9+(4-9)*63.2% = 5.84
6
5
4 T 3 0 5 10 15 20 25 30 Time, min 35 40 45 50
过程纯滞后时间（τ ）
40 45 50
0
5
10
15
20
25 30 Time, min
35
过程增益备注
• 过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变 化的灵敏度。
• 被控过程增益包括三部分：符号、数值与单位。
• 过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被
控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增
益”。
过程一阶时间常数（T）
催化裂化过程的模型、高炉冶炼的模型…
• 普遍存在滞后：
换热器温控过程、空气分离过程…
• 特性往往具有非线性：
间歇式加温过程、高炉冶炼过程…
过程控制工程中的重要术语
•被控变量/受控变量 (Controlled Variable，CV) 是指：必须保持在某一期望值的变量或工艺参数 •设定值/给定值 (Setpoint，SP) 是指：被控变量的期望值 •操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable，MV) 是指：控制系统直接可操作、并用于使被控变量保持在其设定 值的其它工艺变量 •扰动/扰动变量 (Disturbance，DV) 任意可能导致被控变量偏离其设定值的、而控制系统本身又无 法干预的各种因素。
控制系统“广义对象”的概念
蒸汽
Tsp Tm
TC 22
u(t)
“广义对象”
包括控制回路中除控制 器外的每一部分。它反 映了控制器输出对CV 测量输出的影响。
Tm(t) mA, TO
RV
TT 22
RF , Ti
换热器
T 凝液
工艺 介质
Tsp
控制器
u(t) mA, CO
电气转换器 与调节阀 RV
换热器 T
执行机构
MV
控制通道
+
控制器包括: 硬件、系统软件与应用软件 控制方案/算法及其实现
常用控制算法
• PID类（包括：单回路PID、串级、比值、分程、选择或超驰 控制等） 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、 结构简单、在线调整方便。 • APC类（先进控制方法，包括：前馈、解耦控制、内模控制、 预测控制、自适应控制等）， 特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模 型、结构复杂、在线计算量大。
广义对象的描述
广义对象 扰动 D 干扰通道 GD 1 (s)
ysp(t)
+
_
偏差 e
控制器 GC (s)
u(t)
控制通道 GP 1 (s)
+
+
ym (t)
可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：
Gp
K p e s Tp s 1
获取过程动态特性的途径
• 基于过程动态学的机理建模
根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量 平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动 态特性。 • 基于过程数据的测试建模 为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时 记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之 间动态模型。
对象特性的阶跃响应测试法
• 借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出CO（控制器
输出）与TO （变送器输出）的动态响应数据。
(1) 将控制器改为“手动”操作模式；
(2) 以阶跃方式，改变控制器输出；
(3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。
• 基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数
过程增益的计算
• 基于过程数据的测试建模
为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时 记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之 间动态模型。
机理建模的步骤
• 根据建模的对象和模型使用的目的进行合理的 假设 ； • 根据过程的内在机理建立数学方程；
• 进行自由度分析，保证模型有解；
• 简化模型。
• 这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特 性，其中 K 反映静态特性，而T、τ 反映了过程的动 态特性。 • 由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一 被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。 • 对象两时间参数的比值（τ / T）直接关系到控制系统 的可控性。τ / T越大，控制难度越大。
描述过程特性的关键参数
• 过程增益（K）
过程输出（响应输出）的变化量与过程输入（施加激励） 的变化量的比值，即
Output O final Oinitial K Input I final Iinitial

过程一阶时间常数（T） 过程纯滞后时间（τ ）
过程增益计算举例 #1
65 60 Inlet Temp. 55 speepest slope 50 45 Outlet Temp. 40 35 30 25
K
Output Input O final Oinitial
final
Temperature
Ti (tI )
Iinitial
(45 30) Cent (60 50) Cent Cent outlet temp. T (t) 1.5 Cent inlet temp.
过程控制系统设计概述
烟气 引风机 热油入口
AC
AT
热油出口 火嘴
TT
PT
TC
PC
燃油
过程控制系统的设计过程
烟气

确定控制目标，选择被控变量 选择测量参数和仪表 操作变量的选择和主要干扰分析 操作变量和被控变量的配对 执行器的选择 控制系统的现场安装、调试和投运
引风机 热油入口
Gp
K p e s Tp s 1
final final
Kp
y u
yinit uinit
(20 25)T/hr (12 10)mA T/hr 2.5 mA
过程的时间常数
Gp
K p e s Tp s 1
过程的时间滞后
Gp
K p e s Tp s 1
阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当
开度到达50 ~ 70%时，流量已接近其全开时的数值，
即Kv随着开度的增大而显著下降。

对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随
着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比 的减少， Kv 渐近于常数。
调节阀流量特性的选择

选择原则：
仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上 （即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀， 如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。
HOMEWORK
P2-3 P2-5 P2-7 P2-9
总结 • 2015.3.24 PID反馈控制器
PID 控制器
PID（比例-积分-微分）控制器
理论PID 控制器
1 u (t ) K c (e(t ) Ti
t

0
e( )d Td
de(t ) ) u0 , dt
1 Gc ( s) Kc (1 Td s) Ti s
被控过程的分类
• 自衡过程/稳定对象 (1) 纯滞后过程 (2) 单容过程 (3) 多容过程 • 非自衡过程 例如：某些液位对象与某些放热反应器
获取过程动态特性的途径
• 基于过程动态学的机理建模
根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量
平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动 态特性。
气动调节阀的工作原理
pc
功能：
弹簧 薄膜片
阀杆 密封填料 阀芯
根据阀头气压的大小， 通过阀杆改变阀体中 阀芯的位置，进而调 节流经阀体的流体流 量。
....... .......
阀体
阀门的“气开”与“气关”
1. 气开阀与气关阀
* 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”)
* 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。