过渡过程及控制系统评价指标.ppt

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 控制流程图符号意义 控制流程图字母意义 就地安装 集中盘面安装 PIC 207 LIC 210 FR 212 TRC 210 PI 206 LICA HL 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 开环控制系统 闭环控制系统 按系统复杂程度分类 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 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 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 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 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 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 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 30 C 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 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 IAE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 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