(5.1)--过程控制系统第五章--简单控制系统169.ppt

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1、过程控制系统过程控制系统 第五章第五章简单控制系统或简单控制系统或单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统的结构与组成的结构与组成指指由由一一个个测测量量变变送送器器、一一个个控控制制器器、一一个个控控制制阀阀和和一个对象所构成的一个对象所构成的单闭环控制系统单闭环控制系统。第五章第五章 简单控制系统设计简单控制系统设计 TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC TT仪表符号标准仪表符号标准过程控制系统过程控制系统 第五章第五章

2、单回路单回路PID控制系统设计控制系统设计1.1.过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。安全性、稳定性和经济性三个方面。2.过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。四个主要内容。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。过程控制系统过

3、程控制系统 第五章第五章3.过程控制系统设计的步骤过程控制系统设计的步骤1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型）建立被控过程的数学模型3）确定控制方案）确定控制方案 包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。统设计的关键步骤。4）控制设备选型）控制设备选型5）实验（或仿真）验证）实验（或仿真）验证 其中最关键的设计是：其中最关键的设计是：被控变量与操纵变量的选择被控变量与操纵变量的选择过程控制系统过程控制系统 第五章第五章5.2被控变量与操纵变量的选择被控变量与操纵变量

4、的选择5.2.1被控变量的选择被控变量的选择被被控控变变量量生生产产过过程程中中希希望望借借助助自自动动控控制制保保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合合理理选选择择被被控控变变量量，关关系系到到生生产产工工艺艺能能否否达达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根根据据生生产产工工艺艺的的要要求求，找找出出影影响响生生产产产产量量和和质质量量、安安全全、经经济济性性以以及及环环境境保保护护的的关关键键变变量量作作为为被被控控变变量；量；过程控制系统过程控制系统 第五章第五

5、章例例1 储槽液位控制系统储槽液位控制系统工工艺艺要要求求储储槽槽液液位位稳稳定定。那那么么设设计计的的控控制制系系统统就应以储槽液位为被控变量。就应以储槽液位为被控变量。LC TTh过程控制系统过程控制系统 第五章第五章例例2 换热器出口温度控制系统换热器出口温度控制系统工工艺艺要要求求出出口口温温度度为为定定值值。那那么么设设计计的的控控制制系系统就应以出口温度为被控变量。统就应以出口温度为被控变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC过程控制系统过程控制系统 第五章第五章2、当当不不能能用用直直接接工工艺艺参参数数作作为为被被控控变变量量时时，应应选选择择

6、与与直直接接工工艺艺参参数数有有单单值值函函数数关关系系的的间间接接工工艺艺参数作为被控变量。参数作为被控变量。例例3 化化工工的的精精馏馏物物纯纯度控制系统度控制系统精精馏馏工工艺艺是是利利用用被被分分离离物物中中各各组组分分的的挥挥发发温温度度不同，将各组分分离。不同，将各组分分离。如如图图将将苯苯甲甲苯苯混混合合液进行分离。液进行分离。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 过程控制系统过程控制系统 第五章第五章进料进料塔底产品塔底产品塔顶产品塔顶产品再沸器再沸器冷凝器冷凝器过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 该该精精馏馏塔塔的的工工艺艺要要求求是是要要使使塔塔顶顶（或或塔塔底底）馏馏出出物物达达

7、到到规规定定的的纯纯度度。按按照照被被控控变变量量的的选选择择原原则则1，塔塔顶顶（或或塔塔底底）馏馏出出物物的的组组分分应应作为被控变量。作为被控变量。但但是是，没没有有合合适适的的仪仪表表在在线线检检测测馏馏出出物物的的纯纯度度，则则不不能能直直接接作作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统过程控制系统 第五章第五章只好只好在与馏出物的在与馏出物的在与馏出物的在与馏出物的纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺参数参数参数参数中，找出合适的变中，找出合适的变量作为被控变量，进行量作为被控变量，进行间接参数控制。间接参数控制。经

8、工艺分析发现，经工艺分析发现，塔内压力塔内压力塔内压力塔内压力和和和和塔内温度塔内温度塔内温度塔内温度都都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变验，选出一个合适的变量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统过程控制系统 第五章第五章间接控制参数的确定间接控制参数的确定经经试试验验得得出出，塔塔顶顶馏馏出出物物苯苯的的浓浓度度分分别别与与压压力力和和温温度度有有单单值值对对应应关关系系。（塔塔底底馏馏出出物物甲甲苯苯也也一一样样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。过程控制系统过程控制系

9、统 第五章第五章3 3、被控变量必须有足够大的灵敏度、被控变量必须有足够大的灵敏度选选择择的的被被控控变变量量必必须须对对工工艺艺要要求求控控制制的的参参数数的的变化灵敏，且易于测量。变化灵敏，且易于测量。4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上上例例中中，选选择择塔塔内内温温度度作作被被控控变变量量，就就是是考考虑虑了了工工艺艺上上，塔塔内内压压力力是是最最佳佳分分离离效效率率控控制制系系统统的的被被控变量。控变量。上上例例中中，若若塔塔顶顶、塔塔底底的的产产品品纯纯度度都都分分别别设设置置温温控控系系统统，会会相相互互干干扰扰，存存在在关关联联。因因此此，

10、若若采采用用简简单单控控制制系系统统，只只能能设设置置一一个个温温控控系系统统，保保证证塔塔顶顶或塔底一端的产品质量。或塔底一端的产品质量。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章5.2.2 操纵变量的选择操纵变量的选择把把用用来来克克服服干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响，实实现现控控制制作作用用的的变变量量称称为为操操纵纵变变量量。最最常常见见的的操操纵纵变变量量是是介介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。LC TTh过程控制系统过程控制系统 第五章第五章操纵变量的确定操纵变量的确定被被控控变变量量选选定定以以后后，应应对对工工艺艺进

11、进行行分分析析，找找出出所所有有影影响响被被控控变变量量的的因因素素。在在这这些些变变量量中中，有有些些是是可控的，有些是不可控的。可控的，有些是不可控的。q在在诸诸多多影影响响被被控控变变量量的的因因素素中中选选择择一一个个对对被被控控变量影响显著且便于控制的变量，作为变量影响显著且便于控制的变量，作为操纵变量操纵变量；q其它未被选中的因素则视为系统的其它未被选中的因素则视为系统的干扰变量干扰变量。被控变量被控变量输入变量（操纵输入变量（操纵变量和干扰变量）变量和干扰变量）过程控制系统过程控制系统 第五章第五章工艺分析后，当仍有几个可控参数供选择时，则从控制角度分析。工艺分析后，当仍有几个可

12、控参数供选择时，则从控制角度分析。操纵变量必须选择可控的变量操纵变量必须选择可控的变量一个参数是否可控需从工艺的角度去分析，主要一个参数是否可控需从工艺的角度去分析，主要从两方面考虑：从两方面考虑：q其其一一考考虑虑该该参参数数在在工工艺艺上上是是否否能能够够调调节节；例例如如，在在燃燃烧烧加加热热系系统统中中，燃燃料料的的流流量量和和成成分分都都对对被被加加热热介介质的温度有影响，可在工艺上，燃料的成分无法调节。质的温度有影响，可在工艺上，燃料的成分无法调节。q其其二二，考考虑虑该该参参数数在在工工艺艺上上是是否否允允许许调调节节。有有些些参参数数虽虽然然可可调调，但但是是会会造造成成整整个

13、个生生产产的的不不稳稳定定性性。例例如生产负荷，希望越稳定越好，不宜被选为操作变量。如生产负荷，希望越稳定越好，不宜被选为操作变量。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章操纵变量与干扰变量都通过过程特性影响控制品质：操纵变量与干扰变量都通过过程特性影响控制品质：1过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s)控制器的传递函数；控制器的传递函数；Go(s)广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s)扰动通道的传递函数。扰动通道的传递

14、函数。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 被控参数被控参数y(t)受到设定信号受到设定信号x(t)和干扰信号和干扰信号f(t)的的共同影响：共同影响：干扰通道干扰通道控制通道控制通道 Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)过程控制系统过程控制系统 第五章第五章代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：将将 可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一样的。将分母是一样的。将Gc(s)、Go(s)代入：代入：过程控制系统过程控制系统 第五章第五章vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；

15、越大，控制作用越强，稳态误差越小；vK0越越大大，被被调调参参数数对对控控制制作作用用的的反反应应越越灵灵敏敏，系统的闭环稳定性越低。系统的闭环稳定性越低。vKf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用越强，稳态误差越大。故故应应选选控控制制通通道道放放大大系系数数大大的的变变量量作作为为操操纵纵变变量。量。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章2过程（通道）过程（通道）动态特性动态特性对控制品质的影响对控制品质的影响1）干扰通道动态特性对控制品质的影响）干扰通道动态特性对控制品质的影响 干干扰扰通通道道的的惯惯性性因因子子（Tf s+1）使使干干扰扰作作用用的的影响缓慢。影响缓慢。v

16、Tf 越越大大，干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响越越缓缓慢慢，越越有有利于控制。利于控制。v干干扰扰进进入入系系统统的的位位置置离离被被控控变变量量检检测测点点越越远远，则则Tf 越大，控制时最大偏差越小。越大，控制时最大偏差越小。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章例例：某某控控制制系系统统中中，干干扰扰f1、f2、f3分分别别在在三三个个位位置置进进入入系系统统。干干扰扰离离被被控控变变量量检检测测点点越越远远，则则干干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 f1(t)通道惯性小，受干扰后被调

17、参数变化速度通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大造成动态偏差较大。造成动态偏差较大。所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。远，干扰对被控参数影响越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 因为，因为，f 使干扰对被使干扰对被控变量的影响推迟了控变量的影响推迟了f 时间时间，则控制作用也推迟则控制作用也推迟f 时间时间，整个过渡过程曲线也推迟整个过渡过程曲线也推迟时间时间f，但

18、控制品质未变。但控制品质未变。v干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f不影响控制质量。不影响控制质量。含有含有e f s过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 2）控制通道动态特性对控制品质的影响）控制通道动态特性对控制品质的影响tGCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道控制通道G01的时间常的时间常数数T01增大，使控制速度变增大，使控制速度变慢，最大偏差增大。慢，最大偏差增大。vG02是控制、干扰共用是控制、干扰共用通道，通道，T02不影响最大偏差不影响最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)过程控制系统过程控制系统 第五章第五章y2(t)yk(t)tyy1(t)01v控制通道控制通道G01

19、的纯滞后的纯滞后，使控制作用滞后使控制作用滞后01到达，造到达，造成控制偏差增大。成控制偏差增大。vG02是控制、干扰共用通道，是控制、干扰共用通道，干扰作用滞后干扰作用滞后02产生，但控产生，但控制作用再滞后制作用再滞后02到达，同样造到达，同样造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202GCGVGO2GFGmfreGO1y过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 因此，控制通道时间常数因此，控制通道时间常数T0 小一些好。表明操小一些好。表明操纵变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。纵变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。控制通道纯滞后控制通道纯滞后0越小

20、越好。越小越好。0会使控制时间会使控制时间延长、最大偏差增大。延长、最大偏差增大。操纵变量的选择原则：操纵变量的选择原则：1、控制通道放大系数越大越好、时间常数越小、控制通道放大系数越大越好、时间常数越小越好、纯滞后越小越好。越好、纯滞后越小越好。2、操纵变量应是工艺上允许控制的变量，并且、操纵变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。要考虑工艺的合理性与生产的经济性。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章例例1中中，影影响响储储槽槽液液位位的的主主要要因因素素有有：液液体体流流入入量量和和流流出出量量。这这两两个个变变量量影影响响力力相相当当，显显然然，液液体体流流

21、出量可控。故选液体流出量作为控制变量。出量可控。故选液体流出量作为控制变量。LC TThQiQo过程控制系统过程控制系统 第五章第五章例例2中中，影影响响出出口口温温度度的的主主要要因因素素有有：载载热热介介质质温温度度、载载热热介介质质流流量量、冷冷物物料料温温度度、冷冷物物料料流流量量等等。显显然然，载载热热介介质质流流量量影影响响力力最最大大且且可可控控。故故选选载载热热介质流量作为控制变量。介质流量作为控制变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TCQrQiTiTr过程控制系统过程控制系统 第五章第五章例例3中中，若若选选择择提提馏馏段段某某块块塔塔板板（

22、灵灵敏敏板板）的的温温度度作作为为被被控控变变量量。那那么么，影影响响灵灵敏敏板板温温度度T灵灵的的因因素主要有：素主要有：TT进料的流量（进料的流量（Q入入）、）、进料的成分（进料的成分（x入入）、）、进料的温度（进料的温度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的温度（回流的温度（T回回），），加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷却温度等。冷凝器冷却温度等。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素其它基本为不

23、可控因素 TT过程控制系统过程控制系统 第五章第五章1、蒸蒸汽汽流流量量对对提提馏馏段段温温度度影影响响比比回回流流量量对对提提馏馏段段温温度度影影响响更更迅速、更显著。迅速、更显著。2、从从节节能能角角度度来来讲讲，控控制制蒸蒸汽汽流流量量比比控控制制回回流流量量消消耗耗的的能能量量要要小。小。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：因为：TT过程控制系统过程控制系统 第五章第五章检测环节、执行器及控制器正负作用选择检测环节、执行器及控制器正负作用选择 传感器、变送器选择传感器、变送器选择1按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变按照生产过程的

24、工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。送器合适的测量范围（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。择时间常数小的传感器、变送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)过程控制系统过程控制系统 第五章第五章3合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制系统图 pHT LT LC pHC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽l04测量信号的处理测量信号的处理 测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量测量信号的校

25、正与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。信号的线性化处理。过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 执行器的选择执行器的选择 1调节阀工作区间的选择调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。按补偿对象特性的原则选取。3调节阀的气开、气关作用方式选择调节阀的气开、气关作用方式选择 按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。确定。过程控制系统过程控制系

26、统 第五章第五章控制器正反作用的选择控制器正反作用的选择负负反反馈馈控控制制系系统统的的控控制制作作用用对对被被控控变变量量的的影影响响应应与与干干扰扰作作用用对对被被控控变变量量的的影影响响相相反反，才才能能使使被被控控变变量量值值回回复复到到给给定定值值。为为了了保保证证负负反反馈馈，必必须须正正确确选择控制器的正反作用。选择控制器的正反作用。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰过程控制系统过程控制系统 第五章第五章为了说明选择方法，先定义作用方向：为了说明选择方法，先定义作用方向：当当某某个个环环节节的的输输入入增增加加时时

27、，其其输输出出也也增增加加，称称该该环节为环节为“正作用正作用”；反之，称为；反之，称为“反作用反作用”。按此定义：按此定义：q变送器都是正作用变送器都是正作用q气开阀是正作用，气关阀是反作用气开阀是正作用，气关阀是反作用q被控对象有的正作用，有的反作用被控对象有的正作用，有的反作用q控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：正作用：测量值正作用：测量值给定值给定值反作用：给定值反作用：给定值测量值测量值 过程控制系统过程控制系统 第五章第五章控控制制系系统统中中，各各个个环环节节的的作作用用方方向向组组合合不不当当的的话话，会会使使系系统统构构成成正

28、正反反馈馈，不不但但不不能能起起控控制制作作用用，反而会破坏生产过程的稳定。反而会破坏生产过程的稳定。因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测测量量值值正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统过程控制系统 第五章第五章 调节器正反作用的确定原调节器正反作用的确定原则：则：保证系统构成负反馈保证系统构成负反馈 简单的判定方法：简单的判定方法：闭合回闭合回路中有奇

29、数个反作用环节。路中有奇数个反作用环节。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测测量量值值反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统过程控制系统 第五章第五章例例1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统负反馈验证：负反馈验证：设某时刻燃料压力设某时刻燃料压力燃料流量燃料流量炉温炉温出料温度出料温度TC输入输入 TC输出输出阀关小阀关小炉温炉温出料温度出料温度TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料过程控制系统过程控制系统 第五章第五章例例2：储槽液位控制系统：储槽液位控制系统LTLCM正正正正正正反反出料负反馈验证：负反馈验证：设某时刻进料量设某时刻进料量液位液位LC输入输入LC输出输出阀开大阀开大出料量出料量液位液位