传统控制原理及控制要求

传统控制原理及控制要求（工艺人员）本课程内容1、过程控制系统的定义、任务和发展过程2、简单控制系统的回路分析3、石化装置常用控制规律4、执行器5、典型化工单元的控制规律1、过程控制系统的定义、任务和发展过程1.1基本概念自动控制：无人参与利用控制装置、生产机器、设备、生产过程使表征其工作状态的物理参数（状态变量PV）尽可能接近人们的期望值（设定值SV）的过程。过程控制：采用自动控制方式对生产过程的某一些物理参数进行控制过程控制系统：为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体。1.2石油化工生产过程控制特点被控对象的多样性对象存在滞后（多较大滞后，对控制不利）对象特性的非线性控制系统的复杂性1.3控制目的保障生产过程的平稳和安全，达到预期的产量和质量，尽可能减少原材料和能源消耗，把生产对环境的影响降低到最小程度。1.4自动控制理论的发展与趋势40年代：控制理论开始形成20世纪，上半叶三大伟绩之一30年代第一代控制理论主要特点：稳定性微分方程解析第二代控制理论：二次大战：Nyquist(1932)稳定判据，Bode频域分析法和稳定判据，Evans根轨迹。重要成果是PID控制规律，目前还是主流，适用于线性定常、SISO对象50年代复杂控制系统发展QDZ和DDZ成为主流60年代现代控制理论迅猛发展：状态空间、最小值原理、动态规划等最优控制理论，在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统设计方法宣告了时域方法的完成。70年代逐步发展形成大系统理论。系统的分解与协调，多级递阶优化与控制。对其他复杂控制系统仍然束手无策。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统：基于知识的专家系统，人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制1.5过程控制系统的发展趋势50年代:基地式控制阶段特点：一般的机械与电子原件局部、分散、局限于单回路60年代:单元组合仪表自动化阶段自动控制系统按功能分成若干单元电动和气动适当组合标准统一信号联系20-60kpaDDZ-II0-10mA,DDZ-III4-20mA(电阻损失，断线监视），控制策略PID控制和复杂控制系统（串级、均匀、比值、前馈和选择性控制）70年代:计算机控制的初级阶段直接数字控制DDC—DCS控制，在硬件上的分散化，数据显示、实施监督等功能集中化，有利于安全平稳生产简单PID为主，复杂控制算法80年代以后：二级优化控制，在DCS的基础上实现先进控制和优化控制计算机和网络技术的推动，DCS开放式系统，多层次计算机网络构成的掌控一体化系统CIPSFildbusFCSCIMSTPSPKS*PLC,ESD,SIS基于继电保护和计算机技术，长于数字量运算2、简单控制系统回路分析重点：自动控制系统组成和分类自动控制系统的性能要求常规控制系统的基本规律2.1控制系统的一般结构2.1.1人工控制的过程：目标→眼睛→大脑→指令→改变→眼睛。。。→平衡-结束自动控制过程：检测仪表和自动控制装置代替人工控制开环控制系统闭环控制系统2.1.2反馈：正反馈：正反馈对放大器来说一般起坏的作用：使放大器的工作频带变窄、稳定性变差、噪声增大、产生自激……只有在早期的再生式收音机中，能使收音机的灵敏度提高，有过应用。负反馈：工程应用非常广泛，目前常用的PID控制，以及一些带有自稳特性的过程都带有负反馈控制器执行器被控对象设定值设定值设定值控制器设定值控制器设定值执行器控制器执行器控制器被控对象执行器设定值控制器设定值控制器执行器设定值控制器被控对象执行器设定值控制器设定值控制器设定值控制器设定值执行器控制器设定值执行器控制器设定值被控对象执行器控制器设定值被控对象执行器控制器设定值设定值控制器设定值控制器设定值执行器控制器设定值执行器控制器设定值被控对象执行器控制器测量反馈干扰2.1.3自动控制系统组成控制装置执行器被控对象检测元件、变送器设定值x(t)+—e(t)u(t)q(t)y(t)扰动f(t)测量值z(t)通用的自动控制系统原理方框图被控对象：也称被控过程，是指被控制的生产设备或装置检测变送单元：检测元件和变送器，测量被控变量，并按照标准信号输出控制器：调节器，就是u(t)和e(t)之间某种预定的控制规律执行器：接受控制器送来的控制信号u(t)，直接改变操作变量q(t)2.1.4自动控制系统分类1、定值控制系统:设定值保持不变的反馈控制系统，扰动是被控变量偏离设定值的主要因素，我们常用的就是此类控制系统。2、随动控制系统：也称跟踪控制系统，设定值不断变化，时间的未知函数，并且要求系统的输出随之变化。如雷达跟踪系统，内燃机空气随油料进料的控制等。3、程序控制系统：系统的设定值是根据过程的需要而按照某种预定规律变化，是一个已知的时间函数。自动控制的目的是使被控量以一定的精度、按规定时间程序变化。主要用来实现对周期作业的工艺设备的控制。应用于间歇式反应器的温度控制、也冶金工业中退火炉、数控机床等。2.1.5控制系统的稳态性能指标过渡过程：稳定状态下的过程控制系统，当输入（扰动或设定值）发生变化后，被控变量（输出）发生变化的过程。平衡状态---平衡状态。静态特性：控制系统中被控变量不随时间变化的平衡状态，也称稳态。动态特性：在控制系统中，被控变量随时间变化的的不平衡状态称为系统的动态。输出随输入变化的关系称为环节的动态特性。动态与静态的关系：平衡和静态时暂时的，相对的，有条件的。不平衡和动态才是普遍的，绝对的，无条件的。扰动总是不断的产生，控制作用也在不断地克服扰动对系统的影响。使系统状态恢复到设定值上。对控制指标的基本要求：控制系统对被控变量提出的控制要求基本相同，虽然在控制过程中包含动态和静态两个方面的要求，一般归纳为：（1）稳定性（2）快速性（3）精确性*稳快准往往是相互制约的，过分强调稳定，会导致反映迟缓，控制精度降低。过分强调系统响应的快速性，则会导致震荡加剧，甚至引起不稳定。（1）稳定性：是保证系统正常工作的首要条件，是指系统受到外来作用后，其动态过程的震荡倾向和系统恢复平衡的能力。线性定常系统的稳定性是由系统的系统结构和参数决定的，与外界因素无关。（2）快速性：就是动态过程持续的长短，表明了系统输出对输入响应的快慢程度。（3）精确性：理想情况下，当过渡结束后，被控变量的达到的稳定值应与设定值一致。但实际上由于系统结构、外来作用的形式等非线性因素的存在，被控变量的稳态值与设定值之间会有误差存在，称为稳态误差。它是衡量控制系统系统静态控制精度的主要标志，一般在技术指标中有具体要求。11/4et几种过渡过程震荡发散等幅震荡单调发散震荡衰减单调衰减2.1.6单项性能指标衰减比n:过渡过程曲线上相邻同方向两个波峰的幅值之比。n1发散震荡n=1等幅震荡n1震荡衰减超调量σ和最大偏差emax:反映系统在控制过程中被控变量偏离参比变量的程度，是衡量过程动态精确度（准确性）的动态指标。随动控制系统中σ=B/y(∞)×100%，B为最大振幅。在定值控制系统中，最终稳态值很小或趋近于零，使用emax表示。恢复时间Ts：过渡过程时间，控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从过渡过程开始进入到稳态值附近±5%或±2%范围内并不再超出此范围所需要的时间。（震荡频率ω=2π/T,在衰减比一定的情况下也可表示过快速性）余差e(∞)：又称残余偏差或静差，最终稳态偏差，反映系统最终稳态精确性。过渡过程终了时，设定值与新稳态值之差。综合性能指标：又称为偏差的积分性能指标，常用于分析系统的动态响应性能。（APC常用来做约束条件）2.2控制系统的数学模型2.2.1传递函数数学模型：描述系统（或环节）在动态过程中的输出变量与输入变量之间关系的数学表达式。广泛用于控制系统的设计、分析和新型控制系统的开发和研究。建立方法:理论分析法实验测试法有多种表示形式：时域分析常用的是微分方程式、传递函数和系统方框图等。在过程控制中，可以用微分方程来表示系统各环节的动态特性，但是微分方程在运算过程中复杂，所以习惯于用传递函数和系统方框图来表示系统各环节的动态特性。线性定常系统：微分方程的系数不是时间变量的函数。传递函数：在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换式与输入量的拉普拉斯变换式之比。(())ytfxt()G(s)=()YsXs输出量的拉氏变换传递函数输入量的拉氏变换传递函数是经拉氏变换导出的，拉氏变换是一种线性积分运算，因此传递函数的概念只适用于线性定常系统。传递函数是在零初始条件下定义的，因而不能反映非零初始条件下系统的运动过程，是有很大的局限性。传递函数仅取决于系统的结构和参数，而与系统的输入量扰动量等外部因素无关。他表示系统的固有特性，是一种在复数域描述系统的数学模型传递函数只表明一个特定的输入、输出关系，同一系统，取不同变量作为输出，以设定值或不同位置的扰动为输入，传递函数将各不相同。由微分方程变化而来，和微分方程存在一一对应的关系，是唯一的。控制器是控制系统的心脏，其作用是将变送信号的测量值与设定值相比较产生偏差信号，并按一定的运算规律产生输出信号，送往执行器。控制规律：来源于人工操作规律，是在模仿、总结人工操作经验的基础上发展起来的，是输出信号与输入信号随时间变化的规律。控制器的输入信号是经比较后的设定值和测量值的偏差信号。输出信号是经过控制规律运算的控制信号。在研究控制器的控制规律时，一般将控制器从控制系统中断开，即只在系统开环时单独研究控制器本身的特性。在控制器输入端加入一个阶跃信号，相当于突然出现某一个偏差，然后分析分析系统输出在这种激励下的随时间的变化规律。实际表征控制器的动态特性。控制器执行器控制通道扰动通道被控对象反馈变送器e(t)Sv-PvMv2.2.2双位式控制双位式控制是位式控制的最简单形式，理想的双位式控制的输出和输入的关系是：maxmin,0(0){,0(0)ueeuuee或或ueumaxuminumaxuuminumaxe实际双位式控制特性理想双位式控制特性VJL0理想双位式控制容易产生动荡，开关频繁动作，容易产生故障，设备寿命低。优点：结构简单易于实现成本低缺点：控制精度低易对下游产生冲击流量2.2.3比例环节CCUsGskEs积分作用对系统的影响不仅取决于偏差的大小，还和偏差存在的时间有关。比例增益KC是输出变化量△u(t)与输入变化量△e(t)之比，其值可调，在e(t)不变的情况下，KC越大，比例控制作用越强。δ减小δ减小tY(t)Y(0)扰动作用设定作用比力度δ：工业上习惯用比力度来表示比例作用的强弱，它是控制器输入信号的变化相对值与输出的变化相对值之比的百分数。定义式为：maxminmaxmin100%euxxuu比力度δ要使输出全范围变化，输入必须改变全量程的百分之几，单元组合仪表中，△u=△x比例度δ与比例增益Kc成反比，δ越小，则Kc越大，比例控制作用越强，δ越大，Kc越小，比例作用就越弱。比例度对控制过程的影响：（1）余差（2）对系统稳定性的影响（3）对系统过渡过程的影响（4）对系统最大偏差的影响工业过程中比例度的大致取值范围：压力控制系统：30%～70%流量控制系统：20%～100%液位控制系统：20%～80%温度控制系统：20%～60%比例作用通常适用于扰动幅度较小，负荷变化不大，过程时滞较小，控制要求不高的场合。1100%ck2.2.3积分环节积分的重要作用就是能够消除余差，输出在偏差钢出现时较小，然后逐渐增大，所以作用比较缓慢，总是滞后于偏差的存在，不能及时有效地克服扰动的影响，致使被控变量的动态偏差增大，控制过程拖长，时滞使系统难以稳定。e(t)tty(t)00tIutKetdtu在工业生产中积分控制规律极少单独使用。2.2.4微分环节控制器的微分控制规律指其输出信号的变化量Δu与偏差信号的变化速度成正