过渡过程及控制系统评价指标

在 工 艺 流 程 确 定 后 ， 工 艺 入 员 和 自 控 设 计 人 员 应 共 同 研究 确 定 控 制 方 案 。在 控 制 方 案 确 定 以 后 ， 根 据 工 艺 设 计 给 出 的 流 程 图 ， 按其 流 程 顺 序 标 注 出 相 应 的 测 量 点 、 控 制 点 、 控 制 系 统 及自 动 信 号 与 联 锁 保 护 系 统 等 ， 便 成 了 工 艺 管 道 及 控 制 流程 图 。工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 自 动 控 制 系 统 常 用 图 形 符 号测 量 点 通 用 表 示 方 法热 电 偶热 电 阻节 流 元 件取 压 点例 如 :流 量 检 测 采 用 孔 板 时 , 检 测 点 图 中 脱 乙 烷 塔 的 进料 管 线 上 的 符 号 表 示 。 连 接 线通 用 的 仪 表 信 号 线 均 以 细 实 线 表 示 。 连 接 线 表 示 交 叉 及相 接 时 有 一 定 形 式 要 求 。 仪 表 的 图 形 符 号 是 一 个 细 实 线 圆 圈 , 直 径 约 10mm, 对于 不 同 的 仪 表 安 装 位 置 的 图 形 符 号 如 表 所 示 。 仪 表 (包 括 检 测 、 显 示 、 控 制 )的 图 形 符 号 控 制 流 程 图 符 号 意 义 :检 测 仪 表 、 显 示 仪 表 、 控 制 器序号 安 装 位 置 图 形 符 号 备 注 序 号 安 装 位 置 图 形 符 号 备注1 就 地 安 装仪 表 4 集 中 仪 表 盘后 安 装 仪 表嵌 在 管道 中2 集 中 仪 表盘 面 安 装仪 表 5 就 地 仪 表 盘后 安 装 仪 表3 就 地 仪 表盘 面 安 装仪 表 控 制 流 程 图 符 号 意 义变 送 器气 动 薄 膜 执 行 机 构电 磁 执 行 机 构电 动 执 行 机 构直 通 阀 控 制 流 程 图 字 母 意 义字母 第 一 位 字 母 后 继 字 母 字母 第 一 位 字 母 后 继 字 母被 测 变 量 修 饰 词 功 能 被 测 变 量 修 饰 词 功 能A 分 析 报 警 P 压 力C 电 导 率 控 制 Q 数 量 积 分 累 积D 密 度 差 R 放 射 性 记 录E 电 压 S 速 度 安 全 开 关 F 流 量 比 T 温 度 传 送I 电 流 指 示 V 粘 度 阀K 时 间 W 力L 物 位 低 指 示 灯 YM 水 分 或 湿 度 Z 位 置 执 行 机 构 就 地 安 装集 中 盘 面 安 装 PIC(207)LIC(210)FR(212 )TRC(210 )PI(206 )LICA(H L) (201 ) 1.4 自 动 调 节 系 统 的 分 类按 被 调 参 数 分 类 ：流 量 调 节 温 度 调 节 压 力 调 节物 位 调 节 按 被 调 参 数 的 变 化 规 律 分 类 ： 定 值 调 节 系 统随 动 调 节 系 统 程 序 控 制 系 统按 预 定 时 间 顺 序 控 制 参 数 。 按 调 节 规 律 分 类 ：比 例 调 节 比 例 微 分 调 节 比 例 积 分 调 节 比 例 微 分 积 分 调 节按 信 号 种 类 分 类 ：气 动 调 节 系 统电 动 调 节 系 统 按 输 出 信 号 对 操 作 变 量 的 影 响 划 分 进料出料TCTT凝液蒸汽开 环 控 制 系 统 闭 环 控 制 系 统 按 系 统 复 杂 程 度 分 类进料出料TCTT凝液蒸汽单 回 路 控 制 系 统简 单 控 制 系 统复 杂 控 制 系 统 按 系 统 克 服 干 扰 的 方 法 划 分反 馈 控 制 系 统前 馈 控 制 系 统反 馈 前 馈 控 制 系 统 1.4 过 度 过 程 和 系 统 品 质 指 标1. 控 制 系 统 的 静 态在 自 动 化 领 域 中 ， 被 控 变 量 不 随 时 间 而 变 化 的 平 衡 状 态称 为 系 统 的 静 态 （ 相 对 稳 定 的 平 衡 状 态 ） 。系 统 的 各 个 组 成 环 节 如 变 送 器 、 控 制 器 、 控 制 阀 都 不 改变 其 原 先 的 状 态 , 它 们 的 输 出 信 号 也 都 处 于 相 对 静 止 状态 。 什 么 时 候 系 统 处 于 静 态 ？只 有 当 进 入 被 控 对 象 的 物 料 量 (或 能 量 )和 流 出 对 象 的物 料 量 (或 能 量 )， 系 统 才 处 于 静 态 。液 位 控 制 系 统 ：流 入 贮 槽 的 流 量 和 流 出 贮 槽 的 流 量 相 等换 热 器 温 度 控 制 系 统 ：进 入 换 热 器 的 热 量 和 由 换 热 器 出 去 的 热 量 相 等 平 稳 状 态 是 设 置 自 动 控 制 系 统 的 目 标 ， 可 以 静 态 来评 价 系 统 性 能 吗 ？ 2.控 制 系 统 的 动 态从 干 扰 发 生 开 始 ， 经 过 控 制 调 节 ， 直 到 系 统 重 新 建 立 平衡 ， 在 这 一 段 时 间 中 ， 在 干 扰 和 控 制 的 共 同 作 用 下 ， 被控 变 量 随 时 间 变 化 ， 整 个 系 统 的 各 个 环 节 和 信 号 都 处 于变 动 状 态 之 中 ， 所 以 这 种 状 态 叫 做 动 态 。系 统 的 动 态 特 点 ：干 扰 是 客 观 存 在 的 ， 是 不 可 避 免 的 ；时 时 刻 刻 都 有 干 扰 作 用 于 控 制 系 统 ；一 个 自 动 控 制 系 统 在 正 常 工 作 时 ， 总 是 动 态 过 程 中 。 如 何 以 动 态 来 评 价 控 制 系 统 呢 ？在 扰 动 或 给 定 值 变 化 的 情 况 下 ， 被 控 量 偏 离 给 定 值 ，在 控 制 调 节 作 用 下 ， 接 近 （ 回 复 到 ） 给 定 值 或 跟 随给 定 值 变 化 的 过 程 。注 意 ： 控 制 系 统 的 过 渡 过 程 是 干 扰 和 自 动 控 制 的 共同 作 用 形 成 的 。过 渡 过 程 时 间 t输入量0 t0 干 扰 形 式多 种 多 样 、 随 机阶 跃 干 扰 常 见 、 危 险 、 对 被 控 变 量 影 响 最 大 。负 荷 的 变 化 、 阀 门 的 突 然 变 化 。单 位 阶 跃 输 入 （ 干 扰 ） 特 点 ：形 式 简 单 、 容 易 实 现 ， 便 于 分 析 、 实 验 和 计 算 。 3. 过 渡 过 程 的 四 种 形 式发 散 振 荡 过 程不 稳 定 等 幅 振 荡 过 程不 稳 定 非 周 期 衰 减 。 变 化 慢 。长 时 间 偏 离 给 定 值稳 定 衰 减 振 荡 过 程稳 定 如 何 根 据 衰 减 振 荡 过 渡 过 程 来 评 价 控 制 系 统 ？1.系 统 受 到 单 位 阶 跃 输 入 作 用 后 的 响 应 曲 线 的 形 式 给 出 。2.偏 差 积 分 性 能 指 标 ， 希 望 输 出 与 系 统 实 际 输 出 之 间 误差 的 某 个 函 数 的 积 分 ， 这 些 值 达 到 最 小 值 的 系 统 是 某 种意 义 下 的 最 优 系 统 2. 控 制 系 统 的 品 质 指 标 （ 阶 跃 响 应 曲 线 形 式 表 示 ）最 大 偏 差 A；衰 减 比余 差 C；过 渡 时 间 t；振 荡 周 期 T。控 制 系 统 的 动 态 特 性控 制 系 统 的 静 态 特 性 y tABC T误差范围化 学 反 应 器一 、 最 大 偏 差衰 减 振 荡 ： 第 一 个 波 峰 峰 值 与 给 定 值 的 差 。 A衰 减 振 荡 ： 偏 离 越 大 ， 偏 离 时 间 越 长 ， 离 开 规 定 的 工艺 指 标 越 远 ， 对 稳 定 正 常 生 产 和 质 量 保 证 不 利 。对 于 有 约 束 条 件 的 系 统 ， 最 大 偏 差 小 好 。干 扰 会 不 断 出 现 。 偏 差 可 能 重 叠 二 、 衰 减 比 (衰 减 快 慢 程 度 ) n )(:)( CBCA 1:ny tABC T误差范围前 后 相 邻 两 个 峰 值 的 比 。n稍 大 于 1：衰 减 程 度 很 小 ， 等 幅 振 荡 ， 不 易 稳 定 、 振 荡 过 于 频繁 、 不 够 安 全 ；n很 大 ：非 振 荡 过 程 ， 过 程 缓 慢 ； 不 希 望 。 4:1 10:1 衰 减 比 在 4:1到 10:1特 点过 渡 过 程 开 始 阶 段 的 变 化 速 度 比 较 快 ；第 二 个 峰 值 远 远 低 于 第 一 个 峰 值 。尤 其 在 反 应 比 较 缓 慢 的 情 况 下 ， 衰 减 振 荡 过 程 的 这一 特 点 尤 为 重 要 。“ 理 想 过 渡 过 程 两 个 波 ” ， 指 过 渡 过 程 振 荡 两 次 就能 稳 定 下 来 。 此 时 的 衰 减 比 约 相 当 于 4： 1 。 静 态 指 标 ： 余 差 e( )y tABC T误差范围余 差 就 是 过 渡 过 程 终 了 时 的 残 余 偏 差 C余 差 越 小 越 好 。一 般 贮 糟 的 液 位 ： 余 差 就 可 以 大 一 些化 学 反 应 器 的 温 度 ： 应 当 尽 量 消 除 余 差 有 差 调 节有 差 系 统 过 渡 时 间 (ts) y tABC T误差范围从 干 扰 作 用 发 生 的 时 刻 起 ， 直 到 系 统 重 新 建 立 新 的 平衡 时 止 ， 过 渡 过 程 所 经 历 的 时 间 。在 稳 态 值 的 上 下 规 定 一 个 小 的 范 围 稳 态 值 的 5%( 2%)过 渡 时 间 短 ：表 示 过 渡 过 程进 行 得 比 较 迅速 ；从 干 扰 开 始 作 用 时 起 ， 直 至 被 控 变 量 进 入 稳 态 值 的 5%( 2%)的 范 围 内 不 再 越 出 时 为 止 所 经 历 时 间 。 振 荡 周 期 、 上 升 时 间y tABC T误差范围过 渡 过 程 同 向 两 个 波 峰 之 间 的 时 间 间 隔 。一 般 希 望 振 荡 周 期 小 些 为 好 。指 干 扰 开 始 作 用 起 至 第 一 个 波 峰 时 所 需 要 的 时 间 。 过 渡 过 程 的 品 质 指 标 总 结最 大 偏 差 、 衰 减 比 、 余 差 、 过 渡 时 间 等 。优 先 予 以 保 证 ： 对 生 产 过 程 有 决 定 性 意 义 的 主要 品 质 指 标 。对 一 个 系 统 提 出 的 品 质 要 求 和 评 价 一 个 控 制 系统 的 质 量 ， 都 应 从 实 际 出 发 。 例 : 某 换 热 器 的 温 度 调 节 系 统 在 单 位 阶 跃 干 扰 作 用 下的 过 渡 过 程 曲 线 如 图 所 示 。 试 分 别 求 出 最 大 偏 差 、 余差 、 衰 减 比 、 振 荡 周 期 和 过 渡 时 间 (给 定 值 为 200 )。 第 一 个 波 峰 值 230-205=25 ,第 二 个 波 峰 值 210-205=5 ,故 衰 减 比 应 为 ： 25:5=5:1 A=230 200 =30C=205-200=5最 大 偏 差 :余 差 ： T=20-5=15(min)振 荡 周 期 为 同 向 两 波 峰 之 间 时 间 间 隔 ， 故 周 期 在 新 稳 态 值 205 两 侧 以 宽 度 为 4 画 一 区 域 ， 只 要 被 控 变 量进 入 这 一 区 域 且 不 再 越 出 ， 从 图 上 可 以 看 出 ， 过 渡 时 间 为 22min 。 2%限 制 范 围 为205 （ 2 %） = 4 偏 差 积 分 性 能 指 标最 优 性 能 指 标 ： 系 统 动 态 性 能 的 综 合 性 能 指 标误 差 函 数 ： e(t)=r(t)-y(t)r(t) 系 统 希 望 输 出y(t) 系 统 实 际 输 出系 统 有 余 差 时 e(t)= y( )-y(t) min)(0 2 dttteJ min)(0 dtteJ min)( 0 dttetJ min)(0 2 dtteJ平 方 误 差 积 分 指 标 （ ISE ）时 间 乘 平 方 误 差 积 分 指 标（ ITSE）绝 对 误 差 积 分 指 标 （ IAE ）时 间 乘 绝 对 误 差 积 分 指 标（ ITAE） min)(0 dtteJ min)(0 2 dtteJIAE或 ISE为 指 标 时 ， 要 求 J最 小 ， 假 若 偏 差 较 大 ， 则ISE就 会 更 大 。 因 此 假 若 要 求 用 ISE作 为 系 统 的 评 价 指标 ， 要 求 其 最 小 化 ， 根 据 ISE来 系 统 设 计 和 调 控 制 参 数 ，则 系 统 控 制 的 结 果 必 定 是 ： 偏 差 较 小 。 整 个 过 程 不 会出 现 大 的 偏 差 。 否 则 J会 很 大 。IAE： 设 定 值 附 近 的 偏 差 面 积 与 远 离 设 定 值 的 偏 差 面积 权 值 相 同 。ISE ： 偏 差 越 大 ， 权 值 越 大 。 时 间 乘 绝 对 误 差 积 分 指 标 （ ITAE）min)(0 dttetJ对 初 始 偏 差 不 敏 感 ， 对 后 期 偏 差 非 常 敏 感 。过 渡 过 程 初 始 偏 差 较 大 ， 但 随 着 时 间 推 移 ， 偏 差 很 快降 低 。阶 跃 响 应 曲 线 会 出 现 较 大 的 最 大 偏 差 或 超 调 量 ， 但 过渡 时 间 很 短 。 影 晌 控 制 系 统 过 渡 过 程 品 质 的 主 要 因 素前 者 并 不 是 泛 指 整 个 工 艺 流 程 ， 而 是 指 与 该 自 动 控 制 系统 有 关 的 部 分 。一 个 自 动 控 制 系 统 可 以 概 括 成 两 大 部 分 ， 即 工 艺 过 程 部分 ( 被 控 对 象 ) 和 自 动 化 装 置 部 分 。 影 晌 控 制 系 统 过 渡 过 程 品 质 的 主 要 因 素对 象 性 质 的 主 要 因 素 有 ：换 热 器 的 负 荷 大 小 ， 换 热 器 的 形 式 、 结 构 、 尺 寸 、 材 质等 。 换 热 器 内 的 换 热 情 况 、 散 热 情 况 及 结 垢 程 度 等 。在 控 制 系 统 运 行 过 程 中 ， 自 动 化 装 置 的 性 能 一 旦 发 生 变化 , 如 阀 门 失 灵 、 测 量 失 真 ， 也 要 影 响 控 制 质 量 。自 动 化 装 置 应 按 对 象 性 质 加 以 选 择 和 调 整 ， 两 者 要 很好 地 配 合 。 自 动 化 装 置 的 选 择 和 调 整 不 当 ， 会 直 接 影响 控 制 质 量 。