过程控制系统(牛培峰)课件

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过程控制系统(牛培峰)第二章

2.2 工业过程数学模型建立
2.2.1 机理建模方法机理建模方法采用由一般到特殊的推理演绎方法，对已知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，根据对象或生产过程的内部机理经过合理分析简化而建立起来的描述系统各物理量动、静态变化性能的数学模型。
2.2.2 系统辨识法（实验模型）
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第2章被控过程特性及其数学模型
2.1 被控过程的数学模型 2.2 工业过程数学模型建立 2.3 单容对象的动态特性 2.4 多容对象的动态特性 2.5 用响应曲线法辨识过程的数学模型 2.6 最小二乘法辨识过程的模型
思考题与习题 End
燕山大学
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2.1 被控过程的数学模型
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建立被控对象的数学模型，其主要目的有：
（1）控制系统的方案设计。对被控对象特性的全面和深入的了解，是设计控制系统的基础。例如，控制系统中被控变量及检测点的选择、操纵变量的确定、控制系统结构形式的确定等都与被控对象的特性有关。（2）控制系统的调试和控制器参数的确定。为了使控制系统能安全投运并进行必要的调试，必须对被控对象的特性有充分的了解。另外，对控制器控制规律的选择及控制器参数的确定，也离不开对被控对象特性的了解。（3）制定工业过程操作优化方案。操作优化往往可以在基本不增加投资与设备的情况下，获取可观的经济效益，这样一个命题的解决离不开对被控对象特性的了解，而且主要依靠对象的静态数学模型。
燕山大学Biblioteka （4）新型控制方案及控制策略的确定。在用计算机构成一些新型控制系统时，往往离不开被控对象的数学模型，如预测控制、推理控制、前馈动态补偿等都是在已知对象数学模型的基础上才能进行的。（5）计算机仿真与过程培训系统。利用开发的数学模型和系统仿真技术，使操作人员有可能在计算机上对各种控制策略进行定量的比较与评定，有可能在计算机上仿效实际的操作，从而高速、安全、低成本地培训工程技术人员和操作工人，有可能制定大型设备启动和停车的操作方案。（6）设计工业过程的故障检测与诊断系统。利用开发的数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故障及其原因，并能提供正确的解决途径。

第八章控制系统工程设计过程控制系统课件

第八章控制系统工程设计
8.1.3 自控系统工程设计的方法
接到一个工程项目后，在进行自控系统的工程设计时，一般应按照以下所述的方法来完成。
（1）熟悉工艺流程熟悉工艺流程是自控设计的第一步。自控设计人员对工艺流程熟悉
和了解的深度将决定设计的好坏与成败。在此阶段还需收集工艺中有关的物性参数和重要数据。
而文字资料则是对设计第八章控制系统工程设计表81被测变量和仪表功能的字母代号首位字母后继字母被测变量修饰词读出功能输出功能修饰词a分析报警b喷嘴火焰供选用供选用供选用c电导率控制d密度差e电压电动势检测元件f流量比分数g供选用视镜观察h手动高i电流指示j功率扫描第八章控制系统工程设计自动手动操作器k时间时间程序变化速率l物位指示灯低m水分或湿度瞬动中中间n供选用供选用供选用供选用oo供选用节流孔p压力真空连接或测试点q数量积算累计r核辐射记录s速度频率安全开关联锁第八章控制系统工程设计t温度传送变送u多变量多功能多功能多功能v振动机械监视阀风门百叶窗w重量或力套管x未分类x轴未分类未分类未分类y供选用y轴继动器继电器计算器转换器z位置尺寸z轴驱动器执行元件第八章控制系统工程设计对于表81中所涉及的内容简要说明如下
第八章控制系统工程设计
8.1.1 工程设计的基本任务和设计步骤
1．基本任务与设计宗旨自控系统工程设计的基本任务是：依据生产工艺的要求，以企业经济效益、安全、环境保护等指标为设计宗旨，对生产工艺过程中的温度、压力、流量、物位、成分及火焰、位置、速度等各类质量参数进行自动检测、反馈控制、顺序控制、程序控制、人工遥控及安全保护（如自动信号报警与联锁保护系统等）等方面的设计，并进行与之配套的相关内容（如控制室、配电、气源，以及水、蒸汽、原料、成品计量等）的辅助设计。在实际工作中，必须按照国家的经济政策，结合工艺特点进行精心设计。一切设计既要注意厂情，又要符合国情，严格以科学的态度执行相关技术标准和规定，在此基础上建树设计项目的特色。总之，工程设计的宗旨应切合实际、技术上先进、系统安全可靠、经济投入/效益比要小。

过程控制系统ppt课件

2、调节原理二、稳定边界法（临界比例度法）
4、变送器：一般为“＋”；一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。
当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。
二、控制阀的流量特性
1、概念
l Q ,L Q max
Ql f( )(33)
§2-2 被控参数和控制参数的选择
一、被控参数(即被控量)的选择
1.选择的意义
2. 选择方法
(1).选直接参数
即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)
(2).选间接参数
当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度控制间接实现化学反应的质量控制。)
3. 选间接参数的原则
它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：
B1 B2
B1
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：
3．余差：
A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作
用下，余差（Steady-state error）为：
以液体储槽的水位控制为例进行说明。
1、控制原理(如下图)
液位变送器液位控制器
执行器
2、系统方块图
1-1典型单回路控制系统
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元： (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
• 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 • 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 • 间接参数要有足够的灵敏度。

《过程控制系统设计》PPT课件

▪ 孔板、文丘里管、喷嘴
❖ 命题
▪ 确定所要求取的参数——流量、孔径、压差
❖ 从层流到紊流的分界线取决于
▪ 流量、流体的密度、粘度和管道内径
❖ 雷诺数Re
▪ Re〈2300 层流 ▪ Re〉4000 紊流
46微米厚的液晶层的流动。当电场强度平缓增加时 •层流（右上） •弱的湍流（左下） •方格状对流（右下）下侧两图混沌→湍流
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14
3 过程控制系统设计
(2) 雷诺数Re（续）
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8
3 过程控制系统设计
(3) 推断控制当被控变量不能直接测量使用，利用辅助变量的测量值来调节控制变量，使不可测的被控变量保持在预期值。
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9
3 过程控制系统设计
3.3 过程控制系统硬件选择
根据过程控制的输入输出变量以及控制要求，可
以选定系统硬件，包含：
保护
❖ 控制装置
装置
❖ 测量仪表、传感器 ❖ 执行机构
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3 过程控制系统设计
3.3.2 测量仪表和传感器的选型原则
❖ 检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器
❖ 选型原则：
▪ 可靠性 ▪ 实用性 ▪ 先进性
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3 过程控制系统设计
3.4 流量计选择
3.4.1 流量计算有关的基本概念
(1) 流量Q 流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面的数量成为流量。
ε 可膨胀系数
a 节流装置开孔截面积
ρ1 流体流过节流装置前的密度
Δp 节流元件前后压力差
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23
3 过程控制系统设计

《过程控制》PPT课件

小结
一、基本控制算法分析二、比例控制算法三、比例积分控制算法四、比例积分微分算法
谢谢！
第十一讲 PID控制器的选取
• 主要内容
一、控制器的选型二、控制器正反作用的选择
一、控制器的选型
DVs
ysp + _
干扰通道
控制器
u(t)
MV 控制阀
+ 控制通道 +
y(t)
被控过程
传感变送器
ym(t)
100
75
% CO
50
25
25% PB 50% PB 100% PB 200% PB
PB 100%Kc
0 0
25 50 75 100 % TO
可见，小的比例度对应于大的控制器增益，而大的比例度对应于小的控制器增益。
理想比例控制器的输出特性如左图所示，对于控制器的输出没有物理限制。但在实际的控制器是具有物理限制的，当输出达到上限或者下限，控制阀就饱和了，如图所示。
MV
+ 被控过程 +
y(t)
u(t)
ym(t) 传感变送器
u(t)Kce(t)u0,
e(t)ysp(t)ym(t)
KC 被称为控制器增益，通常无量纲，偏置u0是控制器的稳态输出，反映了比例控制的工作点。
在很多工业控制器中都没有控制器增益设定，而是采用比例度来进行设定。
• 定义：比例度是指
使控制器输出全范围变化所对应的控制误差的比例。
TO of Liquid Level Kc = 0.5 Kc = 1.0 Kc = 2.0
Kc = 4.0
10
20
30
40
50
Time, min

过程控制系统课件第一章绪论(共67张PPT)

系统稳态准确性的指标。
C= y(∞) - r
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程控制系统的质量指标
2）衰减(shuāi jiǎn)比n和衰减率
ψ
设第一个波振幅
(zhènfú)为 y 、第三个波振幅为 y
1
3
y1y3
1

1
y1
过程
(guòchéng)
控制系统
Process Control System
共六十七页

自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。

过程控制等工程领域自动控制的理论基础是工程控制论，其
奠基性著作是钱学森先生于1954年发表的《工程控制论》。

控制论的四大应用领域：工程控制、生物(shēngwù)控制、经济
y()
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程(guòchéng)控制系统的质
量指标
4）过渡过程时间Ts
Ts是指从过渡过程开始(kāishǐ)到过渡过程结束所需的
时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5%
（或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。
统的控制质量。
共六十七页
y(t )
二、过程控制系统
的分类
(kònɡ zhìxìtǒnɡ)
（二）按给定值信号分类
1．定值控制系统

过程控制系统参数PPT课件

2-2 过程控制系统参数
第1页/共43页
2-1 调节规律 2-2 比例P控制 2-3 积分I控制 2-4 微分D控制 2-5 PID控制
第2页/共43页
2-1 调节规律
1、调节器的控制规律
设定值
控制器
执行器
扰动
被控对象
被控变量
测量变送
第3页/共43页
2、偏差
控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量给定值与测量值之差。即：
I1 I2 I3 0
Vo1
R7
VT VS VT V7 VB 0
R2
R3
R6
R3 R3 R6
R8
反相端：
VT
1 3
VS
VB
I I I ' ' ' 0
1
2
3
Vi
VF
VF
VF
1 2
V( O1
VB)
VB
0
R1
R3
R5
VF
1 3
Vi
1 2
VO1
2VB
对于理想运放, VT VF
DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器偏差指示控制器
第36页/共43页
PID控制器的组成原理
PID控制器组成框图
第37页/共43页
ＰID控制器的特性分析
输入电路
主要作用:
R5
R1
Vi
F
－
R2
T +IC1
R7
VS
R3
R4
R6

第6章-过程控制系统识图及应用实例ppt课件

实验原理
３. 跳汰机控制系统 (１) 给煤量控制 (２) 风水控制 (３) 排料控制
三、重介质选煤监测与控制系统
１. 悬浮液密度控制系统
２. 悬浮液煤泥含量控制系统
３. 合格介质桶液位控制系统
４. 真空过滤机液位控制系统
(１) 过滤机真空度随滤盘转速的提高而提高 (２) 过滤机处理量随滤盘转速的提高而增加
学习目标
１. 了解过程控制流程图的符号。２. 了解控制系统设计的基本步骤。３. 了解过程控制系统的一般工艺要求。４. 能识读计算机控制流程图。５. 掌握控制方案和工程设计中的关键问题。
§６—１过程控制系统的识图
一、识图基础
１. 图形符号 (１) 连接线
通用的仪表信号线均以细实线或在细实线上加三条有间隔的斜线表示；
实验目的
１. 熟悉温度—流量串级控制系统的结构与组成。２. 掌握阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。３. 掌握主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。４. 掌握温度—流量串级控制系统的参数整定与投运。
实验原理
实验５液位与流量串级控制系统（选做）
实验目的
１. 了解液位—流量串级控制系统的组成原理。２. 了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。３. 掌握液位—流量串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。４. 能进行液位—流量串级控制系统调节器参数的整定与投运。
１. 了解双闭环液位控制系统的组成与工作原理。２. 了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。３. 掌握主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。４. 掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。５. 能进行双闭环液位控制系统调节器参数的整定与投运。

第一章过程控制系统概述ppt课件

15
第1章过程控制系统概述
二.过程控制系统的特点
1．控制对象复杂、控制要求多样
石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程。过程控制系统中的被控对象（被控量）是多样的。
2．控制方案丰富
生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。系统硬件和控制算法、软件设计。
3．控制对象大多属于慢过程
3
FC
4
2
FT
5
氧气
1
转炉
图1.2 转炉供氧控制系统
13
第1章过程控制系统概述
过热蒸汽控制
14
第1章过程控制系统概述
过程控制系统特点
一．过程工业的特点过程控制是指连续过程工业，特点主要指连续过程生产，过程工业是十分复杂的大系统，存在不确定性、时变性以及非线性等因素，过程控制的难度是显而易见的，工业过程生产环境恶劣，生产条件苛刻，采用智能控制方法和计算机控制技术。
当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。
单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。
• （4）设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值； • （5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值； • （6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差； • （7）控制作用u(t)：控制器的输出值。
7
第1章过程控制系统概述
控制器（或称调节器）根据系统输出量测值与设定值的偏差，按照一定的控制算法输出控制量，对被控过程进行控制。

过程控制-第一章89页PPT文档

振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标。
５误差积分性能指标
过程控制
（１）误差积分（２）绝对误差积分（３）平方误差积分

IE 0 e(t)dt

IAE0 |e(t)|dt ISE e2(t)dt
0
(４)时间与绝对误差乘积积分

ITAE0 t|e(t)|dt
过程控制
4、过程通道被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道控制作用与被控量之间的信号联系称为控制通道扰动作用与被控量之间的信号联系称为扰动通道
5、自衡过程与无自衡过程
过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，无需人和仪器的干预，依靠过程自身能力，逐渐恢复达到另一新的平衡状态，这种特性称为自平衡能力；
被控过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，没有人和仪器干预，依靠自身能力，不能恢复其平衡状态，这种特性称为无自平衡能力。
过程控制二、建模的目的和要求
设计过程控制系统和整定调节器参数指导设计生产工艺设备进行仿真试验研究培训运行操纵人员，等等要求：准确可靠；但并不意味着愈准确愈好。鲁棒性实时性要求。往往需要做很多近似处理，比如线性化、模型降阶处理等。
三、建模的基本方法
过程控制
机理分析方法建模
白箱模型
也称数学分析法建模和理论建模
根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理，如：物料平衡方程，能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。
试验建模方法
黑箱模型
建立输入输出模型，根据输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。简单、省力；分经典和现代辨识法。
最大动态偏差是过程控制系统动态准确性的衡量指标。

过程控制系统及工程课件(PPT 45张)

减温器减温器
d/dt T2C 减温水 T1C
T 1 1 0 1 T Gc Gc 1 1 i 1 1 1 1 1 K F 2 Gc 2 2 T 1 1 0 T Gc Gc 1 2i 1 1 1 1 1 K F 2 G 2c 2
16.2
换热器的特性
T1o --G2 ： T1o --G1 ：
16.3.2 蒸汽加热器的控制
② 控制冷凝液排量热载体的出口控制，通过改变F控制控制阀控制液体，口径可以小些，液体控制平稳，缺点：滞后蒸汽G2
G1 TC FC 凝液
图16-14 前馈-反馈控制系统
16.3.3 冷凝冷却器的控制
热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量
① 控制载热体流量
U
GmF
GPD
I0
GC1
IF
IC ∑
I
I’F
GC2
GP2
GPC
I0
L
GmF
Gm
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
① 加法器系数C 根据给水流量变化W=蒸汽流量变化（前馈补偿）
C
D m ax
W m ax
对于I0，正常负荷时 I0与IC抵消
CI F IF
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
q=KFΔ T
T T 1 1 0 1 i T T Gc 1 Gc 2i 1 i 1 1 1 1 1 K F 2 Gc 2 2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
16.2
换热器的特性
热交换过程的传热速率方程
qK F T m m
K 为传热系数；Fm 为传热面积； ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差.