过程装备控制技术及应用.ppt

过程装备控制技术及应用孙旭光 1控制系统的基本概念 1 1概述 1 1 1生产过程自动化系统所包含的内容 各种信号传感器及检测仪表 如 温度 压力 流量 液位等的检测 显示等 为保安全设置的信号报警和联锁保护装置等 如风电连锁等 3 自动操纵系统 一些按时间周期 顺序动作等程序性进行的开关量控制 如缸动作 4 自动控制系统 利用控制仪表和装置 完成对所控量的自动调节 如生产上的温度 压力等控制 1 自动检测系统 2 信号连锁系统 1 1 2过程装备控制的任务和要求 任务 对过程装备运行参数 温度 压力 流量 液位 成分和物性等进行控制 要求 主要是满足对生产过程安全性 经济性和稳定性的要求 安全性 确保生产过程中人身和设备的安全 通常采用越线报警 事故报警 连锁保护 计算机在线故障预测和诊断等 经济性 低成本高效率的生产要求 减少原材料 能源等的消耗 稳定性 消除外部及内部的干扰 保证生产长期稳定运行 过程装备控制技术是包含控制理论 工艺知识 计算机技术和仪表等结合构成的一门综合性应用科学 它在现代过程装备生产过程中具有重要的作用 1 2控制系统的组成 1 2 1过程装备的控制 人工与自动锅炉水位控制过程及比较 蒸汽 汽包 玻管液位计 加热室 手动给水阀 给水 蒸汽 汽包 液位调节器 加热室 自动给水阀 执行器 给水 LC 图人工锅炉给水控制 图自动锅炉给水控制 锅炉给水要求 避免水包过水位和干锅 人工给水控制 人工观察液位并人工手动调节给水位 自动给水控制 由液位计 调节器及执行器自动完成液位的检测和控制过程 工人劳动强度大 需要操作者经验强 控制精度低 无须人力 响应快 控制精度高 控制系统组成 a被控对象 本例中的锅炉 b测量变送元件 各类传感及信号变送元件 c调节器 控制器 比较器 控制算法 d执行器 执行元件 气或电等的执行元件 1 3控制系统的方框图 调节器 执行器 被控对象 测量元件及变送器 f干扰变量 y被控变量 ys设定值 ym 偏差e 控制信号u 操纵变量m 图1 2简单控制系统方框图 方框图说明 a 被控变量y需要控制的工艺参数 如 温度 压力 液位等等 b 设定值ys被控变量的期望值 工艺上要求的期望参数值 c 测量值ym检测元件测量得到的被控变量实际测量值 d 操纵变量m执行器输出的中间控制量 如锅炉给水位控制的给水流量 e 干扰变量f引起被控变量偏离期望值的客观因素 f 偏差信号e给定值ys与测量值ym之差e ys ym由比较器形成 g 控制信号u调节器将比较器后的偏差按一定控制规律运算得到的控制量 方框图中每一个方框称为一个 环节 它由对应的输入输出信号所连接 箭头线条表示控制系统信号传递的方向 对整个系统而言给定值和干扰信号为给输入信号 被控变量为输出信号 图中的圆圈为加法器或比较器 用于输出偏差信号 1 4控制系统的分类 1 1 4按给定值的特点 定值控制系统给定值恒定不变 过程控制常见 随动控制系统给定值为随机变化信号 系统强调快速和准确 程序控制系统给定值为程序给定的系统 1 4 2按系统输出信号对操纵变量的影响 闭环反馈控制如前面的锅炉给水位的闭环反馈自动控制系统 开环控制如前面介绍的锅炉给水人工控制系统 1 4 3按系统的复杂程度划分 简单控制系统只有一个反馈回路的单回路控制系统 复杂控制系统具有两个以上回路的复杂控制系统见图1 3夹套式反应器温度控制系统 1 4 4按系统克服干扰的方法划分 反馈控制系统具有反馈通道的控制系统如图1 5 前馈控制系统事先补偿或者消除干扰影响的控制方法见图1 6 前馈 反馈控制系统前馈加反馈的控制方法 期望获得好的控制效果 前馈没有完全消除的干扰由反馈来补充完成 见图1 7 1 5控制系统的过渡过程及其性能指标 1 5 1控制系统的动态过渡过程 图1 8干扰信号 斜坡 阶跃 本书 Sin聘响 干扰信号 本书只研究在阶跃干扰下控制系统过渡过程 y t 阶跃干扰作用下系统动态过渡过程 y t y t y t a 发散振荡 b 等幅振荡 y t y t C 衰减振荡 d 单调过程 图1 9过渡过程的几种基本形式 1 5 2控制系统的性能指标 1 阶跃响应下的控制系统指标 y t t 最大偏差A 或超调量 第一个波峰与给定值之差 衰减比n相邻两个波峰之比B1 B2 n 1等幅振荡 n1衰减振荡 n wq单调过程 一般要求n 4 1 10 1 具体看侧重那面 回复时间ts扰动开始至恢复到正负5 范围内的时间 该反映过渡时间指标 余差e wq 过渡结束后新的稳态值与设定值之差 余差反映控制精度 小控制精度高 振荡周期T第一个波峰与第二个同向波峰间的时间间隔 其倒数为振荡频率 该指标反映过渡时间长短 2 偏差积分性能指标 定义见书1 21 7 平方误差积分指标 IAE 偏差面积积分 量值反映不出距离偏差距离给定值的远近 时间乘平方误差积分指标 ISE 对大偏差敏感 绝对误差积分指标 ITSE 兼有ISE及ITAE特点 调整控制器可以获得理想结果 时间乘绝对误差积分指标ITAE对初始偏差不敏感 对后期非常敏感 ts A B1 B2 图1 10定值系统过渡过程曲线 作业题 第1章第6题 第7题 第8题