过程控制工程课设置的目的和任务

1绪论一、过程控制工程课设置的目的和任务Processcontrol（过程控制）课，是培养从事过程控制系统的方案设计，及其在工程上予以实施的能力。控制方案的形成有两个来源：一是来自控制原理的进展，讨论的核心问题是在保证系统稳定的基础上，如何提高系统的品质；而另一来源是为了满足工艺的特殊要求而开发出来的控制方案。本课的基础涉及到化工原理、控制原理和仪表计算机技术等学科知识。二、过程控制的发展简史1、硬件第一阶段：30-40年代，基地式仪表，就地控制第二阶段：40-50年代，电气动单元组合仪表，车间、工段或全厂集中控制第三阶段：60年代后，由于计算机的出现，全厂性、企管性控制2、过程控制手段40年代初：“黑箱子”时期50年代末：“灰箱子”时期，用反馈控制理论于生产过程50年代初、中：①对生产过程的模型的建立导致化工动态学的发展②用实验方法来探讨模型、系统辩识60年代：现代控制理论发展，我国75年后计算机控制较普遍，发展快三、过程控制设计1、从局部的设计到总体的设计，从单回路到多回路再到大系统2、从定值控制到浮动控制3、事故出现硬停车到软保护控制4、从离散控制（模拟仪表）到计算机控制四、学习方法及基本要求本课程上本专业的一门只要专业课，要求学生能综合运用所学的基础课、专业基础课及其他专业课知识，进一步掌握过程控制工程理论和实践知识，培养学生具有解决过程控制系统的分析、设计及投运的能力。本课程包括课堂教训、实验教学、课程设计、生产实习四个环节。学习本课程应注意自己的工程实际能力的培养。五、参考文献1、《化工过程控制工程》祝和运（浙江大学）化学工业出版社2、《过程控制系统及工程》翁维勤化学工业出版社3、《过程控制工程》庄兴稼华中理工大学出版社4、《过程控制系统》F.G.shinskeg方崇智译化工出版社5、《化工过程控制理论与工程》stephanopoluosG.关惕华译化学工业出版社六、学时安排课堂教学40学时；实验教学8学时。总计48学时2第1章简单控制系统简单控制系统是指单回路控制系统，是最基本、结构最简单的一种，具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流地位的今天，这类控制仍占控制70％以上。简单控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，同时也是复杂控制系统的基础。掌握了单回路系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。1．1简单控制系统结构组成及控制指标1.1.1简单控制系统结构组成简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）、测量变送装置、控制器和控制阀。有时为了分析问题方便起见，把控制阀、被控对象和测量变送装置和在一起，称为广义对象。如图1.1-1所示的水槽，控制要求是维持水槽液位L不变。为了控制液位，选择相应的变送器、控制器和控制阀，组成液位控制系统（即简单控制系统）。液位控制系统的工作过程：在平衡状态下)(0QQi，如果输入流量端存有干扰f，使输入总流量)(fQi增大，于是液位L上升，随着的L上升，控制器将感受到偏差（给定与测量的比较值），从而控制器输出将控制阀关小，使输入流量iQ减小，液位L将下降回到给定值，达到新的平衡。图1.1-1液位控制系统对于图1.1-1所示的液位控制系统可以画出它的方块图，如图1.1-2所示图1.1-2液位控制系统方框图从以上的液位控制系统工作过程可看出：在该系统中存在着一条从系统输出端引向输入端的反馈线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。控制作用是纠正偏差的，所以负反馈是简单控制系统的一个特点。简单控制系统根据其被控变量的不同，可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。虽然这些控制系统名称不同，但是它们都具有相同的方块图和结构组成。由于此类控制系统从组成方块图上看，由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象组成，并组成一个负反馈回路，因此简单控制系统也常称为单回路控制系统。1.1.2简单控制系统的控制指标对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该3平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方面提出各种单项控制指标，把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。1.控制系统过渡过程单项指标控制系统按其输入方式不同可分为随动系统与定值系统，随动系统与定值系统控制要求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系统同样必须稳定，但定值系统的衰减比可以低一些，随动系统的衰减比应该更高一些，随动系统的重点在于跟踪，要跟得稳、跟得快、跟得准；定值系统的关键在一个定字，要定得又稳又快又准。主要时域指标包括衰减比、超调量（最大偏差）、余差、调节时间和振荡频率。这些指标可从控制系统的过渡过程曲线上求取。图1.1-3单位阶跃响应曲线1）衰减比n在欠阻尼振荡中，两个相邻的同方向幅值之比称为衰减比，前一幅值作为分子，后一幅值作为分母。如图1.1-3中的BB。衰减比n是衡量稳定性的指标，n≤1:1振荡，不能容许。为保持足够的稳定性，定值系统的n=4:1为宜。对随动系统n=10:1为宜，或采用过阻尼（ξ≥1）B=0的形式。2）超调量与最大偏差A在随动系统中，是一个反映超调情况，也是衡量稳定程度的指标。设被控变量的最终稳定值为c，最大瞬态偏差为B，则超调量的表达公式为：%100ccB在定值控制系统中，最终稳态值是０或是很小的数值，仍用作为指标来衡量系统的超调不合适了，通常改用最大偏差A作为指标反映系统超调量的大小。cBA3）余差c余差)(E是系统的最终稳态偏差。因为cRCRE)()(，在定值情况下，0R，因此cE)(，余差c是反映控制精度的一个稳态指标。4）回复时间st和振荡频率T过渡过程要绝对地达到新的稳态，需要无限长的时间，然而要进入稳态值附近±5%或4±2%以内区域，并保持在该一区域之内，需要的时间是有限的，这一时间称为回复时间st。回复时间是反映控制快速性的一个指标。在同样的振荡频率下，衰减比越大，则回复时间越短。同样在同样的衰减比下，振荡频率越高，则回复时间越短。因此，振荡频率在一定程度上也可作为衡量控制快速性的指标。图1.1-4随动系统过渡过程曲线图1.1-5定植系统过渡过程曲线[例1.1-1]某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、超调量、余差、衰减比和震荡周期），并问该调节系统是否满足工艺要求。解：最大偏差：A=230-200=30℃余差：c=205-200=5℃衰减比：15205210205230/BBn震荡周期：T=20-5=15min例1.1-1题图过渡时间（调节时间）：min22st。再：工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统A=30℃，不满足工艺要求。2.控制系统过渡过程综合性指标综合性指标往往采用积分鉴定的形式一般来说，过渡过程中的动态偏差越大，或是回复的越慢，则J值将越大，表明控制品质越差。但不宜直接用动态偏差e作为),(tef函数。0),(dttefJ是)(te及t的一个泛函值。通常采用以下形式：1)平方误差积分准则ISE(IntegralofSquaredErrorcriterion)etef),(,min)(02dtteJ2)绝对误差积分准则IAE(IntegralofAbsolutevalueofErrorcriterion)etef),(,min)(0dtteJ3)时间乘绝对误差积分准则ITAE(IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofErrorcriterion)5tetef),(,min)(0dttetJ对于存在余差的系统，e不会最终趋于零，有)(e存在，上面三种形式的积分鉴定值J都将成为无穷大，无从进行比较。此时可用)()()()(ctcete作为误差项代入。一般地说，ITAE为最小值的系统往往衰减比很大，ISE为最小值的系统回复时间很短，但过渡过程的振荡比较剧烈。如下图所示：图1.1-6应用不同偏差积分性能指标下的闭环响应在工作中，具体选何种指标，应根据控制系统性能及工艺要求而定。1．2典型受控过程本节主要介绍几种常见简单环节特性，然后列出由它们组成的一些实际过程。1．2．1纯滞后过程纯滞后：指在输入量变化后，看不到系统对其响应的这段时间。当物质或能量沿着一条特定的路径传输时，就会出现纯滞后。路径的长度和运动速度是决定纯滞后大小的两个因素。因此纯滞后也称为传输滞后。纯滞后一般不单独出现，同时不存在纯滞后的生产过程也很少。任何对控制系统设计有关的技术都会涉及纯滞后问题。图1-7所示一个传送纯滞后例子：图1.2-1纯滞后过程示意图传递函数：sesGVL/，L指距离，V指速度频率特性：jwejwG纯滞后环节幅频特性对系统无影响，相频特性对系统的影响大且随频率增加纯滞后影响。1.2.2单容过程容积：指储存物质或能量的地方，其作用就象流入量和流出量之间缓冲器。61.无自衡图1-11无自衡单容过程基本方程：①输入流量—输出流量=单位时间容积的累积量变化②液位差/流阻=流出流量推导传递函数：0QQdtdVi∵)()(液面截面积hAV∴iQdtdVA0Q拉氏变换式)()()(sQsQsAsHoi∵)(0tQ为常量其增量为0，即0Q=0，则0)(0sQ，则AssQsHsGi1)()()(，其中A为积分时间常数。写成一般形式：TssG1，T为积分时间常数，频率特性：jTjTjG11)(特点：无自衡过程在没有自动控制系统情况下，不允许长时间没人看管，应设置自动控制系统。2．有自衡传递函数的推导：∵h与0Q的静态特性为非线性关系haQ0,a为比例系数（与手动阀开度有关）假定调节系统为定值控制（线性化）：图1.2-2有自衡单容过程hhaQ002（0h为设定值，R为液阻）则iQQdtdV0，ahV，设Rha120hRQdhdVAihRQdhdvA入7取拉氏变换)()(sRHQssAHi1)()()(ARsRsQsHsGi写成一般形式：1TsksG（一阶惯性环节），kR（放大系数）；TAR（时间常数）其频率特性：jeTksG2)(1)(tgTarg，具有低通滤波器的作用。1．2．3多容过程1.没有相互影响的双容过程（如图1-12所示）图12-3没有相互影响双容过程传递函数的推导：111222111212sRARsRAsQsHsQsQsQsHii（相当于两个二阶环节串联）A1、A2表示储槽的横截面积，R1、R2表示储槽的液阻。令111TRA，222TRA，kR2，则1)()1)(1(21221221sTTsTTRsTsTksQsHsGii两个极点11T、21T、负实极点、非震荡自衡过程。2.具有相互影响的双容过程图1.2-4有相互影响双容过程1)()(212122121121sRATTsTTRRsRTsQsHi81)(212122122sRATTsTTRsQsHi结论：①液位1H对输入流量iQ的响应不再是一阶过程，而是二阶过程。②2H对流量iQ的响应s项多了21RA项，可理解为相互影响因子。讨论：以上传递函数的二个极点21212212121212,124)()(TTTTRATTRATTP1）当21221114)(TTRATT，则2,1P为两个不同的实根，表明两个相互影响的容积可等效为两个不相互影响的容积。不过是时间常数需校正，过程总是呈过阻尼状态（1）