过程控制系统复习摘要文档格式.doc
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电动执行机构
直通阀(单座,双座)气闭式气动薄膜调节阀
三通阀气开式气动薄膜调节阀
角阀带阀门定位器的气动薄膜调节阀
蝶阀
常用字母符号:
字
母
第一位字母
后继字母
被测变量或初始变量
修饰词
功能
A
分析
报警
B
喷火焰
C
电导率
控制(调节)
D
密度或相对密度
差
E
电压或电势
检测元件
F
流量
比(分数)
G
长度
波动
H
手动
I
电流
指示
J
功率
扫描
N
O
节流孔
被控变量---液位L、温度T、流量F、压力P
功能--变送T、控制C、显示I、报警A
P
压力(或真空)
积分计算
试验点(接头)
Q
数量或件数
积分,积算
R
放射性
记录或打印
S
速度或频率
安全
开关或联锁
T
温度
传送
U
变量
多功能
V
粘度
阀(挡板)
W
变量或力
套管
K
时间或时间程序
自动-手动操作器
L
物位(液位)
指示灯
M
水分或湿度
Z
位置
驱动,执行或未分类的执行器
X
Y
继动器或计算器
实例–绘制带控制点流程图
热交换器自动控制系统流量自动控制系统
过渡过程是从系统从一个稳态运行到另一个稳态的动态过程。
过程控制系统的性能指标及要求:
阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等
A
0
t≥0
t<
0
阶跃信号:
数学表达式为:
当A=1时称为单位阶跃信号。
特点:
易产生、对系统输出影响大、便于分析和计算
控制性能指标:
衰减比n=B1/B2
期望控制效果:
衰减比在4:
1到10:
1之间衰减率在0.75到0.9之间
最大动态偏差A和超调量d
稳态误差
调节时间
振荡周期
例题:
某换热器的温度控制系统(设定值是30℃)在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。
试分别求出衰减比、最大偏差、稳态误差。
简单控制系统
过程动态特性(4种典型)
以阶跃响应分类,典型工业过程动态特性可分为那4类?
自衡非振荡过程、无自衡非振荡、过程衰减振荡过程、具有反向特性的过程
工艺对象的特性通常可用下述一阶或二阶非周期环节来近似描述(三个参数:
K、T、τ):
一阶环节:
非自衡对象:
过程动态模型:
是指表示过程的输出变量与输入变量间动态关系的数学描述。
过程的输入是控制作用u(t)或扰动作用d(t)
输出是被控变量y(t)
过程动态模型的建立:
机理分析法、实验测试法:
飞升曲线法(响应曲线法)
一阶惯性纯滞后环节对象
两点法
习题:
已知某换热器被控变量是出口温度θ,操纵变量是蒸汽流量Q。
在蒸汽流量作阶跃变化时,出口温度响应曲线如图所示。
该过程通常可以近似作为一阶滞后环节来处理。
试估算该控制通道的特性参数K、T、τ,写出该控制通道的动态方程。
简单控制系统设计
被控变量(PV)的选择应遵循那些原则?
1、最好选择直接参数,能直接反映工艺上最终控制需要的参数。
2、如缺少必要的检测手段或检测仪表性/价比难以满足要求时,可选间接参数。
但要求与直接参数单值对应、灵敏度高、可测可控。
3、考虑工艺上的合理性问题。
操纵变量(MV)的选择应遵循那些原则?
需要研究工艺情况及对象静动态特性,尤其对象的动态特性。
知道对象在什么情况下最容易控制
对象特性及其控制性能的关系
习题
图a为流量控制系统,主要克服阀前压力波动来稳定流量。
图b是储槽液位控制系统,主要克服流量变化的扰动,保持液位稳定。
指出两图中的各控制系统的被控变量、操纵变量、被控过程及主要扰动。
控制系统设计
控制阀气开、气闭作用选择
采用气开作用时,输入的气压信号越高,阀门的开度越大,而在失气时则全关。
采用气关作用时,输入的气压信号越高,阀门的开度越小,而在失气时则全开。
控制器正反作用选择
根据控制阀的气开、气关形式和对象的放大倍数决定控制器正、反作用方式,即使乘积为正。
当被控对象受扰动影响输出上升(下降)时,控制器为反作用时,输出减小(增加);
控制器为正作用时,输出增加(减小)。
如右图所示为蒸汽加热器,利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出,试问:
影响物料出口温度的主要因素有蒸汽流量和温度、物料流量和温度,如果要设计一个温度控制系统,你认为被控变量与操纵变量应选哪个?
画出相应的系统方框图。
如果物料在温度过低时会凝结,据此情况应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用?
控制器参数整定
P作用对系统性能的影响?
(比例度变化的影响)
原比例控制系统增加积分(I)作用后,对系统质量有什么影响?
原比例控制系统增加微分(D)作用后,对系统质量有什么影响?
常用的控制器参数整定方法有哪几种?
试凑法(经验法)
临界比例法
衰减曲线法
响应曲线法
比例度对控制过程的影响
比例度的选择原则:
若对象的滞后较小,时间常数较大以及放大倍数较小,那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度,从而使过渡过程曲线的形状较好。
反之,为保证系统的稳定性,就要选择大的比例度来保证稳定。
上图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。
由图中曲线3可以看出,TI过大时积分作用不明显,余差消除地也慢,从图中曲线1、2可以看出,TI较小时易于消除余差,但系统的振荡加剧。
相比之下,曲线2就比较理想。
微分时间对过渡过程的影响
PD控制优点:
能提高系统的响应速度,同时改善过程的动态品质,抑制过渡过程的最大动态偏差,有助于提高系统的稳定性。
PD控制不足之处:
一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制,而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。
其次,当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启,容易造成系统振荡。
PD控制一般总是以比例动作为主,微分动作为辅。
PID参数对控制性能的影响
控制器增益Kp
增大比例系数Kp一般将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差,但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。
积分时间Ti
增大积分时间Ti有利于减小超调,减小振荡,使系统的稳定性增加,但是系统静差消除时间变长。
微分时间Td
增大微分时间Td有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱。
某物料加热后与添加料混合,工艺要求混合时物料温度θo稳定,工艺采用改变换热器蒸汽流量Qs来稳定罐内温度θo。
影响θo的因素有:
阀前蒸汽压力Ps,冷物料流量Qi和温度θi,环境温度θc等。
1)画出温度控制系统的方块图;
2)指出该控制系统的被控变量、操作变量、被控过程及扰动;
3)若蒸汽阀前压力Ps突然变大时,简述该系统的控制过程。
据此说明简单的温度控制系统控制是否及时有效,如果不及时应采用何种措施。
4)如果冷物料的流量突然增大,简述该系统的控制过程。
已知某夹套反应器温度控制系统如右所示,反应大量放热。
要求控制温度为50℃,在供气中断时保证冷却。
1)选择控制阀调节阀的气开、气关特性。
2)确定控制阀正、反作用。
3)画出控制系统方框图。
4)确定控制器的正反作用。
5)如果由于扰动,冷却水流量突然增大,分析温度控制系统如何克服扰动。
复杂控制系统:
串级控制系统
前馈控制系统
特殊控制系统:
比值控制系统
均匀控制系统
选择性控制系统
分程控制系统
串级控制系统基本组成
串级控制的特点(与简单控制系统相比)
副变量的选择(结合典型设备)
串级控制系统主、副控制器的控制规律选择
串级控制系统主、副控制器正、反作用
动态特性分析:
串级控制系统如何消除扰动
过热蒸汽温度控制
管式加热炉温度控制
主要扰动:
原料油的流量和入口温度的变化f1;
燃料油压力和喷油用的过热蒸汽的波动f2;
燃烧供风和大气温度的变化f3等。
串级调节系统方块图:
概念:
主环、副环、主调节器、副调节器、中间变量。
核心:
主调节器输出作为副调节器给定值,副调节器用于调节阀。
串级控制系统的特点?
(与简单控制器相比)
如何选择串级控制系统的主、副控制器的控制规律?
副参数选择的原则是什么?
如何确定串级控制系统中主、副控制器的正、反作用?
它们与控制阀的开闭形式有什么关系?
Q1.串级控制系统都有哪些优点?
如何才能发挥串级控制的作用?
串级控制系统特点:
(1)能迅速克服进入副回路扰动的影响
(2)改善过程的动态特性,提高系统的工作频率
(3)对负荷变化的适应性较强
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键,归结于副参数的选择。
Q2.如何选择串级控制系统的主、副控制器的控制规律?
主回路是一个定值系统,主控制器起着定值控制作用。
保持主变量的稳定是首要任务,主控制器必须有积分作用,因此采用PI或PID。
副回路是一个随动系统,它的给定值随主控制器输出的变化而变化,为了能快速跟踪,副控制器一般不用积分作用,微分作用也不需要,采用比例作用(P)。
Q3.副参数选择的原则是什么?
(1)主副变量间应有一定的内在联系
(2)系统的主要干扰应包围在副回路中
(3)在可能的情况下,应使副环包围更多的次要干扰
(4)副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配,防止共振的发生。
即主副时间常数不能太接近
(5)当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时,在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。
Q4.如何确定串级控制系统中主、副控制器的正、反作用?
(1)首先根据控制阀的气开、气关形式和副对象的放大倍数决定副控制器正、反作用方式,即使乘积为正。
(2)将副回路当作一个正环节,对主回路进行考虑,使乘积为正。
副控制器的正、反作用与控制阀的开闭形式有关系(Kv)。
因为控制阀已包含在副回路中,副控制器的正反作用确定后,副回路视为一正环节,因此它们不影响主控制器的正、反作用。
如下图所示加热器串级控制系统:
画出该控制系统的方框图,并说明主被控变量、副被控变量分别是什么?
试确定控制阀的气开、气关形式?
确定主、副控制器的正、反作用?
为保证精馏塔提馏段重组分产品质量,拟采用以再沸器热蒸汽流量为副变量、提馏段灵敏板温度为主变量的串级控制方案,工艺要求在供气中断时切断热源,试:
1)确定控制阀气开、气关特性。
2)确定控制阀的正反作用。
3)画出控制系统方块图。
4)简单说明流量副回路的主要作用。
5)确定主控制器的正反作用。
6)确定副控制器的正反作用。
7)由于扰动的影响,使蒸汽流量突然增大,简述串级控制系统如何克服该扰动。
8)由于扰动的影响,使提馏段的温度突然升高,简述串级控制系统如何克服该扰动。
下图为加热炉温度与流量串级控制系统,、分别为流量和温度控制器。
要求:
画出其方框图;
确定调节阀的气开、气关形式;
分析干扰来自燃料油量变化时系统的工作过程。
前馈控制系统特点(与反馈控制系统相比)
前馈控制与反馈控制比较
前馈控制
反馈控制
扰动可测,但不要求被控量可测
被控量直接可测
超前调节,可实现系统输出的不变性(但存在可实现问题)
按偏差控制,存在偏差才能调节,(滞后调节)
开环调节,无稳定性问题
闭环调节,存在稳定性问题
系统仅能感受有限个可测扰动
系统可感受所有影响输出的扰动
对于干扰与控制通道的动态模型,要求已知而且准确
对通道模型要求弱,大多数情况无需各道模型
对时变与非线性对象的适应性弱
对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强
前馈控制的特点
1、是一种开环控制;
2、控制的根据是扰动;
3、前馈调节器的控制律由过程特性决定;
4、多用来抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响;
5、控制及时,理论上可实现对干扰的完全控制;
6、实现的经济性差。
一个前馈调节器只能对一个扰动进行补偿。
前馈控制系统原理
前馈控制(描述):
在被控量还未受到影响之前,控制器就产生了控制作用,在理论上可以彻底消除误差,实现对扰动的完全补偿。
前馈控制系统的方框图:
被控量对于扰动的输出:
前馈控制&
反馈控制
如下图所示的加热炉出口温度简单控制系统:
(1)在进料流量或燃料成分扰动下,设计合理的控制系统,画出方框图,并确定控制器正、反作用;
(2)在燃料油压力干扰下,设计合理的控制系统。
下图为某加热炉控制系统,原料油出口温度为被控变量。
1)这是什么控制系统?
它对什么扰动的克服能力最强?
为什么?
2)当燃料流量突然增大时,简述控制系统的控制过程。
3)若要进一步提高控制质量,可对系统如何改进?
画出控制流程图并简述理由。
什么是比值控制系统?
什么是均匀控制系统?
均匀控制与一般液位控制在实施上有什么差异?
什么是选择性控制系统?
什么是分程控制系统?
比值控制系统:
根据生产工艺要求,控制两个或多个工艺参数变量按照一定的比例变化。
均匀调节系统:
前后设备在物料供求上互相均匀协调
选择性控制系统:
凡是在控制回路中引入了选择器的控制系统
分程控制系统:
一个调节器的输出控制两个或两个以上分程动作的调节阀,每个调节阀只在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作,这种过程控制系统称为分程控制系统。
溶液配制问题
问题:
当NaoH用量QB变化时,调整稀释水量QA以使稀释液NaoH的浓度为6~8%左右。
解决方案:
(1)出口浓度控制;
(2)入口流量的比值控制(流量比值?
)。
一般的比值控制问题
QA/QB=KAB(比值系数)而QB为主动流量,QA为可控量,要求设计一控制系统通过调节QA以实现上述比值控制目标。
均匀控制系统:
调节器I用来反映液位的变化,其输出作为给定值送进调节器II。
由流量测量、变送器、调节器II、调节阀和管道组成的闭环系统,其功能是使流量Q2既要跟随给定值变化,又要克服扰动的作用。
选择性控制系统
TC
液丙烯
气丙烯
裂解气
(b)
LT
TT
分程控制系统
分程控制系统:
A、B两阀的阀门定位器分别将0.02~0.06MPa和0.06~0.1MPa的控制信号转换成0.02~0.1MPa的控制信号。
控制要求:
反应开始前,需要用蒸汽加热以达到反应所需的温度;
当反应开始后,因放出大量反应热,需要用冷水进行冷却。
要求全过程自动控制反应器的温度?
分程控制系统的应用问题:
(1)选择两调节阀的气开气关属性;
(2)温度控制器的正反作用;
(3)协调两调节阀的动作;
(4)如何克服广义对象的非线性。
分程控制系统的应用
(1)选择两调节阀的气开气关属性:
从安全性角度出发,蒸汽阀气开,冷水阀气关。
(2)温度控制器正反作用:
温度控制器为反作用
(3)决定分程区间:
根据节能要求,当温度偏高时,先关小蒸汽再开大冷水。
由于温度控制器为反作用,温度增高,控制器输出信号下降。
即信号下降时先关小蒸汽、再开大冷水。
蒸汽阀的分程区间在高信号区(如0.06-0.1MPa)
冷水阀的分程区间在低信号区(如0.02-0.06MPa)
分程控制系统的应用:
工作过程:
(1)当温度偏低时,调节阀气动信号增大。
若冷水阀还未全关,则逐步关冷水阀;
否则,开大蒸汽阀;
(2)当温度偏高时,调节阀气动信号减少。
若蒸汽阀还未全关,则逐步关蒸汽阀;
否则,开大冷水阀;
典型设备控制系统设计:
工艺特性分析
被控对象、被控变量
影响被控变量的因素、控制变量(操纵变量)、扰动因素
简单控制系统设计和分析
控制阀气开、气闭形式
控制器正、反作用
控制器控制规律选择
扰动情况下,动态过程分析
复杂控制系统设计
分析简单控制系统可能不足
串级控制:
副变量的选择、特点、动态过程分析
前馈控制:
主要扰动选择、特点、动态过程分析
水罐
汽包