现代过程控制基础_东北大学.

1过程控制系统综述信息学院·杨为民二○一一年九月现代过程控制基础1.1过程控制系统的基本概念(1)通过采用检测、控制仪表、控制装置等自动化技术工具，对生产过程进行自动检测、监督和控制，以达到实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境等目的。•生产过程自动化，一般是指石油，化工，冶金，炼焦、造纸、建材、陶瓷以及热力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。•过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。1.1过程控制系统的基本概念(2)EK电源开关进料出料液位控制闭环控制开环控制炉温控制阀举例1.1过程控制系统的基本概念(3)开环控制与反馈控制的比较开环优点:结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。1.1过程控制系统的基本概念(4)1.1.1过程控制系统的组成一.组成与术语组成:1.测量元件2.比较元件3.控制元件4.执行元件5.被控对象术语:参考输入主反馈偏差控制量扰动输出控制器被控对象测量变送执行器ryeuvz+d1.1.2过程控制系统的类别•定值控制系统参考输入不变化，控制的目的是克服扰动。•随动控制系统参考输入随时间变化，控制的目的是使输出跟随参考输入的变化。•程序控制系统参考输入按事先给定的规律变化。1.1.3过程控制系统的特点(1)(一)被控对象的多样性：工业生产各不相同，生产过程本身大多比较复杂，生产规模也可能差异很大，这就使对被控对象的认识带来困难，不同生产过程要求控制的参数各异，且被控参数一般不止一个，这些参数的变化规律不同，引起参数变化的因素也不止一个，并且往往互相影响，要正确描绘这样复杂多样的对象特性还不完全可能，至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些复杂多样的对象特性，还只能采用简化的方法来近似处理。虽然理论上有适应不同情况的控制方法，由于对象特性辨识的困难，要设计出适应不同对象的控制系统至今仍非易事。1.1.3过程控制系统的特点(2)(二)对象存在滞后由于热工生产过程大多在比较庞大的设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，内部介质的流动与热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此当流入或流出对象的物质或能量发生变化时，由于存在容量一惯性和阻力，被控参数不可能立即反映出来，滞后的大小决定于生产设备的结构与规模，并同研究它的流入量与流出量的特性有关。显然，生产设备的规模愈大，物质传递的距离愈长，热量传递的阻力愈大，造成的滞后就愈大。一般说来，热工过程大都是具有较大滞后的对象，对自动控制十分不利。1.1.3过程控制系统的特点(3)(三)对象特性非线性对象特性往往是随负荷而变的，即当负荷不伺时，其动态特性有明显的差别。如果只以较理想的线性对象的动态特性作为控制系统的设计依据，难以达到控制目的。1.1.3过程控制系统的特点(4)(四)控制系统比较复杂由于生产安全上的考虑，生产设备的设计制造都力求使各种参数稳定，不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。热工对象往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化后，对象本身能使被控量遂渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有无自动趋向平衡的能力的对象，被控量会一直变化而不能稳定下来．这种对象就具有积分特性。1.1.3过程控制系统的特点(5)由于对象的特性不同，其输入与输出量可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制器的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定，这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性正如上述那样复杂且难于充分认识，要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能．目前已设计出各种各样的控制系统如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统。以及前馈控制；计算机控制系统等，都是通过必要的理论计算，采用现场调整的方法，才能达到过程控制的目的。1.1.4过程控制系统的品质指标(1)c-衰减震荡过程d-非周期过程a-发散震荡过程b-等幅震荡过程几种不同的过渡过程abcd递减比：21BBn动态偏差：B1调整时间：TC静态偏差C积分性能指标：0020)()]([)(dttetITAEdtteISEdtteIAE1.1.4过程控制系统的品质指标(2)1.2单回路控制系统调节器被控对象检测元件、变送器－reuqyzf调节阀r：给定值e：偏差u：控制量q：操纵量y：输出f：扰动z：测量值1.2.1单回路控制系统结构1.2.2单回路控制系统特点•结构简单、投资少、易于整定和投运；•可满足一般生产过程的工艺要求；•占控制回路的85%以上，应用广泛；•适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。1.2.3被控参数的选择•选择起决定性作用、并且可以测量的直接参数；•可以选用间接参数作为被控参数，但它必须与直接参数有单值一一对应关系；•对控制作用的反应具有足够的灵敏度；•应考虑到工艺生产的合理性；•仪表的供应情况。1.2.4被控参数选择的一般原则•代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态的重要变量；•应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；•应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标；•应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；•应是独立可控的；•应考虑工艺的合理性与经济性。1.2.5控制参数的选择•应是工艺上允许加以控制的可控变量；•应是对被控参数影响的诸因素中比较灵敏的变量，即：–控制通道的放大系数要大一些；–时间常数要小一些；–纯滞后时间要尽量小等。•应考虑工艺的合理性和生产的经济性。1.2.6过程静态特性对控制品质的影响•指过程的静态放大系数对控制质量的影响。–扰动通道的静态放大系统Kf大对控制不利；–控制通道的放大系数K0愈大，表示控制作用愈灵敏；–但K0太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降；–选择控制通道的K0适当大一些，可由Kc来补偿。1.2.7扰动通道对动态特性的影响•扰动通道的容积愈多、愈大，则扰动对被控参数的影响愈小，控制质量愈好；•扰动通道的纯滞后不影响系统的控制质量；•应使扰动作用点位置远离被控参数。1.2.8选择控制参数的一般原则•选择过程控制通道的放大系Ko要大一些；时间常数To要小一些；纯滞后时间τo愈小愈好；•过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；引入系统的位置要远离被控参数；•应尽量设法把广义过程的几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多；•注意工艺操作的合理性、经济性。1.2.9控制系统投运(1)•投运：在控制系统方案设计、仪表安装调校就绪后，或者经过停车检修之后，再将系统投入生产使用的过程。•操作人员在系统投运之前，必须对构成系统的各种仪器仪表、联接管线、供电、供气情况等进行全面检查和准备。1.2.9控制系统投运(2)控制系统投运的步骤：•投运步骤：–检测系统投入运行；–调节阀手动遥控；–调节器投运。•待回路工况稳定后，可投入自动：–把调节器PID参数值设置合适位置，当其偏差接近零时，即将调节器由手动切换到自动；–若还不够理想，则继续整定调节器参数，直到满意为止。1.2.10单回路控制系统设计方案举例(1)•磨矿工艺中，每个球磨系列由摆式给矿机下矿，经集矿皮带和给矿皮带送入球磨机；•以前由人工观察给矿量，靠调整下矿口或起停给矿机来控制矿量，给矿量波动往往较大，难以稳定。为稳定入磨矿量，需设计球磨给矿自动控制系统。1.2.10单回路控制系统设计方案举例(2)•单回路系统？或其它系统？•干扰量？•静态和动态指标要求？•仪表选型？控制器选型？•控制规律（算法）确定？1.2.10单回路控制系统设计方案举例(3)•被控参数：给矿量；•控制参数：(下矿口开度？给矿机频率？)•测量仪表：皮带秤（电子式？放射源式？）•测量仪表安装位置：（给矿皮带？）•执行器：开度控制器（推杆？变频器？)1.2.10单回路控制系统设计方案举例(4)•采用单回路控制系统；•在给矿皮带上安装电子皮带秤，根据皮带秤检测的矿量对给矿机进行变频调节；•控制器选用西门子S7-300PLC；•控制算法采用PI控制。1.2.10单回路控制系统设计方案举例(5)1.2.10单回路控制系统设计方案举例(6)•投运步骤：–电子皮带秤标定及投入使用；–手动调节变频器频率，观察调节灵敏度；–在稳定运行一段时间后打到自动；–记录运行数据，整定调节器参数，直至满意。1.2.11控制规律tdicdttdeTdeTteKtu0])()(1)([)()11()()()(sTsTKsEsUsWdiccKc：比例增益Ti：积分时间Td：微分时间1.2.12基本调节回路的诊断(1)•将控制器置于“手动”方式，人为改变控制器的输出信号（遥控），检测现场调节阀阀杆是否上下移动；•如果阀杆上下移动自如，检查相关流量/压力等测量信号是否随之变化。若变化很小，则检查测量信号是否正常，或者调节阀上游阀和下游阀是否全开，或者旁路阀是否关闭；•如果调节阀灵活，而且相关被控信号可随之变化。则可进入单回路PID控制器的参数整定.1.2.12基本调节回路的诊断(2)常见的现场执行机构调节阀上游阀下游阀旁路阀1.2.13PID参数的整定(1)控制器输出响应测试tt0u(k)y(k)y0y1u0u1T0T1（1）手动改变控制器的输出信号u(k)，观察被控变量y(k)的变化过程。（2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数。1.2.13PID参数的整定(2)对象特征参数的获得•Kp(稳态增益)：minmax01minmax01uuuuyyyyKp其中umax、umin与ymax、ymin为输入输出的量程上下限；若巳归一化，则umax－umin=1,ymax－ymin=1。•Ts(开环过渡过程时间)：01TTTs1.2.13PID参数的整定(3)PID参数的整定原则•PID参数初始值的选择：Kc=1/Kp；Ti=Ts/2；Td=0•将上述PID控制器投入“Auto”（自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢，而且无超调存在，则适当加大KC值，例如增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。1.3复杂控制系统具有两个以上的检测元件和变送器，或调节器，或执行器的控制系统1.3.1串级控制系统d1：一次扰动d2：二次扰动主调节器副调节器副对象主对象ry副变送器主变送器－－d1d2副回路主回路阀1.3.1.1串级控制系统的结构串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用。1.3.1.2串级控制系统的名词术语(1)•主被控参数——起主导作用的被控参数。•副被控参数——为稳定主参数而引入的中间辅助参数。•主被控过程——由主被控参数表征其特性的生产过程。其输入量为副被控参数，输出量为主被控参数。•副被控过程——由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参数。1.3.1.2串级控制系统的名词术语(2)•主调节器——按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。•副调节器——按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。•副回路——由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。•一次扰动——不包括在副回路内的扰动。•二次扰动——包括在副回路内的扰动。1.3.1.3串级控制系统主要特点•1.改善了被控过程的动态特性；•2.提高了系统的工作频率；•3.具有较强的抗扰动能力；•4.具有一定的自适应能力。