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第三章简单过程控制系统----单回路控制系统的工程设计•过程控制系统工程设计概述•控制方案设计•检测、变送器选择•执行器(调节阀)选择•控制器(调节器)选择•过程计算机控制系统的设计•过程控制系统的投运和控制器参数整定•单回路控制系统的设计举例•单回路过程控制系统亦称单回路调节系统，简称单回路系统，一般是指针对一个被控过程(调节对象)，采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制(调节)器来保持一个被控参数恒定(或在很小范围内变化)，其输出也只控制一个执行机构(调节阀)。Single-Loopcontrolsystem•特点：结构简单，投资少，易于调整和投运，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控变量要求不高的场合，约占目前工业控制系统的80%以上。•其分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。第一节过程控制系统工程设计概述•要分析、设计和应用好一个过程控制系统：首先应对被控过程做全面了解，对工艺过程、设备等做深入的分析；然后应用自动控制原理与技术，拟定一个合理正确的控制方案，选择合适的检测变送器、控制(调节)器、执行器，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降耗节能、保护环境和提高管理水平等目的。•本节介绍过程控制系统设计中的一些共性的原则。一、对过程控制系统设计的一般要求安全性：最重要也是最基本的要求。通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。稳定性：绝对稳定、稳定裕量、良好的动态响应特性(过渡过程时间短，稳态误差小等)。经济性：提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。采用先进的控制手段，优化控制。在工程上，以上要求往往相互矛盾。因此在设计时，应根据实际情况，分清主次，以保证满足最重要的质量、指标要求并留有余地。•过程控制系统的品质由组成系统的结构和各个环节的特性所决定。因此对于过程控制系统设计者来说除了掌握自动控制理论、计算机、仪器、仪表知识外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态与动态特性，并能针对不同被控过程、不同的生产工艺控制要求，设计不同的控制系统。例：热交换过程：过程特性复杂，时延明显液位过程：时间常数有大有小燃烧过程：燃料不一（煤、油、气等）二、过程控制系统设计步骤过程控制系统的设计，从任务的提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过程，往往要多次用试探法和综合法并借助计算机来模拟仿真。1．建立被控过程的数学模型只有掌握了(深入了解了)过程的数学模型，才能深入分析过程的特性和选择正确的控制方案。2．选择控制方案根据设计任务和技术指标要求，经过调查研究，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技求实施的可行性、简单性，进行反复比较，选择合理的控制方案。过程方案初步确定后，应用控制理论并借助计算机辅助分析进行系统静态、动态持性分析计算，判定系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足系统的品质指标要求。3.控制设备选型根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器(控制规律)、执行器(调节阀)等。4.实验(和仿真)有些在系统设计过程中难以考虑的因素，可以在实验中考虑，同时通过实验可以检验系统设计的正确性，以及系统的性能。•控制方案设计：系统设计的核心。若控制方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过程中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。•工程设计：包括仪表或计算机系统选型、控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。•工程安装和仪表调校•调节器参数整定三、过程系统设计的主要内容四、系统设计中的若干问题1．越限报警与联锁保护例：加热炉热油出口温度的设定值为300℃，工艺要求其高、低限分别为305℃和295℃。例：加热炉运行中出现严重故障必须紧急停止运行时，应立即先停燃油泵，然后关掉燃油阀，经过一定时间后，停止引风机，最后再切断热油阀。2．其它系统安全保护对策危险环境条件(如高温、高压、易燃、易爆、强腐蚀等)下，还必须采取相应的安全保护对策，如采用系统可靠性设计，选用本质安全防爆〔防腐、防爆结构材料)的仪器仪表及装置等。第二节控制方案设计单回路系统(图3—1)控制方案设计包括：•合理选择系统性能指标•合理选择被控参数Y(s)和控制参数Q(s)•合理设计(选择)控制(调节)规律Wc(s)•被控参数的测量与变送Wm(s)、执行器(调节阀)Wv(s)的选择被控过程总是不时受到各种外来干扰的影响，即系统经常处于动态过渡过程，因而评价一个过程控制系统的性能、质量，主要看它在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，能否迅速地、准确地且平稳地(而不是剧烈振荡地)回复(或趋近)到原(或新)给定值上。(一)系统阶跃响应性能指标1．余差(静态偏差)C(静态指标)指系统过渡过程终了时，给定值与稳态值之差。一般要求余差为零或不超过预定值。一、过程控制系统的性能指标2．衰减率Ψ：(动态指标)反映系统的稳定程度，应根据生产过程的特点来确定适宜的Ψ值，一般取0.75~0.9。（衰减比4:1~10:1）3．最大偏差A(或超调量σ)定值系统的最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值的差；随动系统通常采用超调量指标，即4．过渡过程时间ts指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳态值±5%(±2%)的范围内所经历的时间。(快速性指标)上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾。(二)偏差积分性能指标以目标函数形式表示，属于综合指标。1.偏差绝对值积分(IAE--IntegralofAbsoluteError)适用于衰减和无静差系统。2.偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)3．偏差平方值积分(ISE)4．时间乘偏差平方积分(ITSE)不同的积分性能指标对动态过渡过程的要求侧重点不同。例如ISE着重于抑制过渡过程中的大误差，而ITAE和ITSE则着重惩罚过渡过程时间拖得太长，被广泛应用于最优化分析和设计中，其中ITSE兼顾抑制过程中的大误差。二、被控参数(被控变量、被控量)的选择对于一个生产过程，影响操作的因素很多，但并非对所有影响因素都需加以控制。而必须根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用，能较好反映工艺生产状态变化的参数(这些参数又是人工控制难以满足要求，或操作十分紧张、劳动强度很大，客观上要求进行自动控制的参数)作为被控参数。当选择直接参数有困难时(如直接参数检测很困难或根本无法进行检测)，可以选择间接参数(能间接反映产品产量和质量，与直接参数有单值对应关系，易于测量)。例如，精馏塔：塔顶馏出物(或塔底残液)的浓度应选作被控参数，因为它最直接地反映产品的质量。但目前对成分的测量尚有一定的困难，于是一般采用塔顶(或塔底)温度代替浓度作为被控参数。注意：间接参数必须与直接参数有单值函数关系，而且要有足够的灵敏度，同时还应考虑到工艺的合理性等。直接参数或间接参数的选择并不是唯一的(更不是随意的)，要通过对过程特性的深入分析，才能作出正确的选择。•归纳：选取被控参数的一般原则1)选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。2)当不能用直接参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的参数作为被控参数。3)必须具有足够高的灵敏度。4)必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。三、控制参数(控制变量)的选择在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显的(唯一确定的)，如锅炉水位控制系统，控制参数只能选给水量。但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数可供选择，这就要通过分析比较不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响而作出合理的选择。所以正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题。讨论选择控制参数的一般原则，可从过程特性对控制质量的影响入手。(—)过程静态特性的分析设单回路控制系统如图3—4a。Wc(s)为控制(调节)器与执行机构的传递函数；Wo(s)为控制通道的传递函数；Wf(s)为扰动通道的传递函数。并设被控量Y(s)对扰动F(s)的闭环传递函数为单位阶跃扰动作用下系统稳态值可用终值定理求得可见，扰动通道静态放大系数Kf愈大，则系统的稳态误差也愈大。控制通道的静态放大系数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，控制效果愈显著。因此，确定控制参数时，应使Ko大于Kf。当这一要求不能满足时，可通过调节Kc来补偿，使KcKo远大于Kf。(二)过程动态特性的分析1.扰动通道动态特性对控制质量的影响(1)扰动通道时间常数Tf的影响图3—4所示单回路控制系统:，设系统特征方程式中增加了一个极点（-1/Tf）。如图3—5。随着时间常数Tf的增大，极点a将向jw轴靠近，从而过渡过程时间加长（作用较平缓）。由于过渡过程乘了一个1/Tf(见式(3-11))，使整个过渡过程的幅值减小Tf倍，从而使其超调量随着Tf的增大而减小。因为Wf(s)为惯性环节，它对扰动F(s)起着滤波作用，抑制扰动对被控参数的影响。所以扰动通道的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好。(2)扰动通道时延(纯滞后)τf的影响如图3—6，当扰动通道有纯滞后时，系统对扰动的闭环传递函数为根据拉氏变换的平移定理，可得到图3-4与图3-6系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应y(t)与yτ(t)间的关系为yτ(t)＝y(t-τ)()()()1()()ffcoseWsYsFsWsWs可见，干扰通道存在纯时间滞后时，理论上不影响控制质量，仅使被控参数对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了τf值。(3)扰动作用点位置扰动引入系统的位置不同，对被控参数的影响也不同(图3—7)。设三只水箱均为一阶惯性环节，它对扰动f起着滤波作用，所以当扰动引入系统的位置离被控参数愈近时，则对其影响愈大；相反，当扰动离被控参数愈远(如f1要通过3个串联的一阶惯性环节)时，则对其影响愈小。图3-7扰动引入系统的位置对被控参数的影响2．控制通道动态特性对控制系统的影响设控制系统的临界放大系数为Kmax，临界振荡频率为ωc。Kmax与ωc以及Kmaxωc一定程度上代表了被控过程的控制性能(Kmax越大，可选放大系数K越大，系统稳态误差越小；ωc越大，可选系统工作频率ω越大，过渡过程越快)，并为研究控制通道动态特性(即时间常数和时延)对系统控制质量的影响提供了方便。由表3-l可知，控制通道中时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将使过程的Kmax与ωc值变小，从而使控制性能变差。可见应选择时间常数较小、纯滞后小的通道作为控制通道。(1)时间常数T0的影响控制通道时间常数T0的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。若T0太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降。若T0太小，虽然控制作用强，控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定性下降，亦不能保证控制质量。所以在系统设计时，要求控制通道时间常数T0适当小一点，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。(2)时间滞后的影响控制通道的时间滞后包括纯滞后τo和容量滞后τc两种。它们对控制质量的影响不利，尤其是τo影响最坏。无纯滞后时系统开环传递函数：有纯滞后时系统开环传递函数：'()1COKOKKWjwTSo-τse()()()1COKCOOKKWsWsWsTS由于存在τo，将使相角滞后增加ωτo弧度(图3—9)。由图可知，当τo≠0时，随KcKo的增大，有可能包围(-1，j0)点。当τo值愈大时，这种可能将愈大。可见，纯滞后τo的存在将降低系统的稳定性。'()kWjw当控制通道存在纯滞后时，控制器的校正作用将要滞后一个时间τo，从而使超调量增加，使被控参数的最大偏差增大，引起系统动态指标下降。控制通道的容量滞后τc同样会造成控制作用不及时，使控