簡單過程控制系統(tǒng)--單回路控制系統(tǒng)的工程設(shè)計PPT課件

精選,1,第三章簡單過程控制系統(tǒng)-單回路控制系統(tǒng)的工程設(shè)計,過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計概述控制方案設(shè)計檢測、變送器選擇執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)選擇控制器(調(diào)節(jié)器)選擇過程計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計過程控制系統(tǒng)的投運和控制器參數(shù)整定單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計舉例,精選,2,單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡稱單回路系統(tǒng)，一般是指針對一個被控過程(調(diào)節(jié)對象)，采用一個測量變送器監(jiān)測被控過程，采用一個控制(調(diào)節(jié))器來保持一個被控參數(shù)恒定(或在很小范圍內(nèi)變化)，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)。,Single-Loopcontrolsystem,精選,3,特點：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投運，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或者對被控變量要求不高的場合，約占目前工業(yè)控制系統(tǒng)的80%以上。其分析、設(shè)計方法是其它各種復(fù)雜過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。,精選,4,第一節(jié)過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計概述,要分析、設(shè)計和應(yīng)用好一個過程控制系統(tǒng)：首先應(yīng)對被控過程做全面了解，對工藝過程、設(shè)備等做深入的分析；然后應(yīng)用自動控制原理與技術(shù)，擬定一個合理正確的控制方案，選擇合適的檢測變送器、控制(調(diào)節(jié))器、執(zhí)行器，從而達到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降耗節(jié)能、保護環(huán)境和提高管理水平等目的。本節(jié)介紹過程控制系統(tǒng)設(shè)計中的一些共性的原則。,精選,5,一、對過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求安全性：最重要也是最基本的要求。通常采用參數(shù)越限報警、事故報警、聯(lián)鎖保護等措施加以保證。穩(wěn)定性：絕對穩(wěn)定、穩(wěn)定裕量、良好的動態(tài)響應(yīng)特性(過渡過程時間短，穩(wěn)態(tài)誤差小等)。經(jīng)濟性：提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同時，降耗節(jié)能，提高經(jīng)濟效益與社會效益。采用先進的控制手段，優(yōu)化控制。在工程上，以上要求往往相互矛盾。因此在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際情況，分清主次，以保證滿足最重要的質(zhì)量、指標要求并留有余地。,精選,6,過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)由組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各個環(huán)節(jié)的特性所決定。因此對于過程控制系統(tǒng)設(shè)計者來說除了掌握自動控制理論、計算機、儀器、儀表知識外，還要十分熟悉生產(chǎn)過程的工藝流程，從控制的角度理解它的靜態(tài)與動態(tài)特性，并能針對不同被控過程、不同的生產(chǎn)工藝控制要求，設(shè)計不同的控制系統(tǒng)。,例：熱交換過程：過程特性復(fù)雜，時延明顯液位過程：時間常數(shù)有大有小燃燒過程：燃料不一（煤、油、氣等）,精選,7,二、過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟,過程控制系統(tǒng)的設(shè)計，從任務(wù)的提出到系統(tǒng)投入運行，是一個從理論設(shè)計到實踐，再從實踐到理論設(shè)計的多次反復(fù)的過程，往往要多次用試探法和綜合法并借助計算機來模擬仿真。1建立被控過程的數(shù)學(xué)模型只有掌握了(深入了解了)過程的數(shù)學(xué)模型，才能深入分析過程的特性和選擇正確的控制方案。2選擇控制方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)和技術(shù)指標要求，經(jīng)過調(diào)查研究，綜合考慮安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和技求實施的可行性、簡單性，進行反復(fù)比較，選擇合理的控制方案。,精選,8,過程方案初步確定后，應(yīng)用控制理論并借助計算機輔助分析進行系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)持性分析計算，判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、過渡過程等特性是否滿足系統(tǒng)的品質(zhì)指標要求。3.控制設(shè)備選型根據(jù)控制方案和過程特性、工藝要求，選擇合適的測量、變送器、控制器(控制規(guī)律)、執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)等。4.實驗(和仿真)有些在系統(tǒng)設(shè)計過程中難以考慮的因素，可以在實驗中考慮，同時通過實驗可以檢驗系統(tǒng)設(shè)計的正確性，以及系統(tǒng)的性能。,精選,9,控制方案設(shè)計：系統(tǒng)設(shè)計的核心。若控制方案設(shè)計不正確，則無論選用何種先進的過程控制儀表或計算機系統(tǒng)，其安裝如何細心，都不可能使系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作用，甚至系統(tǒng)不能運行。工程設(shè)計：包括儀表或計算機系統(tǒng)選型、控制室操作臺和儀表盤設(shè)計、供電供氣系統(tǒng)設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等。工程安裝和儀表調(diào)校調(diào)節(jié)器參數(shù)整定,三、過程系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容,精選,10,四、系統(tǒng)設(shè)計中的若干問題,1越限報警與聯(lián)鎖保護例：加熱爐熱油出口溫度的設(shè)定值為300，工藝要求其高、低限分別為305和295。例：加熱爐運行中出現(xiàn)嚴重故障必須緊急停止運行時，應(yīng)立即先停燃油泵，然后關(guān)掉燃油閥，經(jīng)過一定時間后，停止引風(fēng)機，最后再切斷熱油閥。2其它系統(tǒng)安全保護對策危險環(huán)境條件(如高溫、高壓、易燃、易爆、強腐蝕等)下，還必須采取相應(yīng)的安全保護對策，如采用系統(tǒng)可靠性設(shè)計，選用本質(zhì)安全防爆防腐、防爆結(jié)構(gòu)材料)的儀器儀表及裝置等。,精選,11,第二節(jié)控制方案設(shè)計,單回路系統(tǒng)(圖31)控制方案設(shè)計包括：合理選擇系統(tǒng)性能指標合理選擇被控參數(shù)Y(s)和控制參數(shù)Q(s)合理設(shè)計(選擇)控制(調(diào)節(jié))規(guī)律Wc(s)被控參數(shù)的測量與變送Wm(s)、執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)Wv(s)的選擇,精選,12,被控過程總是不時受到各種外來干擾的影響，即系統(tǒng)經(jīng)常處于動態(tài)過渡過程，因而評價一個過程控制系統(tǒng)的性能、質(zhì)量，主要看它在受到外來擾動作用或給定值發(fā)生變化后，能否迅速地、準確地且平穩(wěn)地(而不是劇烈振蕩地)回復(fù)(或趨近)到原(或新)給定值上。(一)系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能指標1余差(靜態(tài)偏差)C(靜態(tài)指標)指系統(tǒng)過渡過程終了時，給定值與穩(wěn)態(tài)值之差。一般要求余差為零或不超過預(yù)定值。,一、過程控制系統(tǒng)的性能指標,精選,13,精選,14,2衰減率：(動態(tài)指標)反映系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點來確定適宜的值，一般取0.750.9。（衰減比4:110:1）3最大偏差A(yù)(或超調(diào)量)定值系統(tǒng)的最大偏差是指被控參數(shù)第一個波峰值與給定值的差；隨動系統(tǒng)通常采用超調(diào)量指標，即4過渡過程時間ts指系統(tǒng)從受擾動作用時起，到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值5%(2%)的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。(快速性指標),精選,15,上述有的性能指標之間是相互矛盾的，應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧。(二)偏差積分性能指標以目標函數(shù)形式表示，屬于綜合指標。1.偏差絕對值積分(IAE-IntegralofAbsoluteError)適用于衰減和無靜差系統(tǒng)。2.偏差絕對值與時間乘積的積分(ITAE),精選,16,3偏差平方值積分(ISE)4時間乘偏差平方積分(ITSE)不同的積分性能指標對動態(tài)過渡過程的要求側(cè)重點不同。例如ISE著重于抑制過渡過程中的大誤差，而ITAE和ITSE則著重懲罰過渡過程時間拖得太長，被廣泛應(yīng)用于最優(yōu)化分析和設(shè)計中，其中ITSE兼顧抑制過程中的大誤差。,精選,17,二、被控參數(shù)(被控變量、被控量)的選擇,對于一個生產(chǎn)過程，影響操作的因素很多，但并非對所有影響因素都需加以控制。而必須根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過程，找出對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行、環(huán)境保護等具有決定性作用，能較好反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)變化的參數(shù)(這些參數(shù)又是人工控制難以滿足要求，或操作十分緊張、勞動強度很大，客觀上要求進行自動控制的參數(shù))作為被控參數(shù)。,精選,18,當選擇直接參數(shù)有困難時(如直接參數(shù)檢測很困難或根本無法進行檢測)，可以選擇間接參數(shù)(能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系，易于測量)。例如，精餾塔：塔頂餾出物(或塔底殘液)的濃度應(yīng)選作被控參數(shù)，因為它最直接地反映產(chǎn)品的質(zhì)量。但目前對成分的測量尚有一定的困難，于是一般采用塔頂(或塔底)溫度代替濃度作為被控參數(shù)。,精選,19,注意：間接參數(shù)必須與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系，而且要有足夠的靈敏度，同時還應(yīng)考慮到工藝的合理性等。直接參數(shù)或間接參數(shù)的選擇并不是唯一的(更不是隨意的)，要通過對過程特性的深入分析，才能作出正確的選擇。,精選,20,歸納：選取被控參數(shù)的一般原則1)選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。2)當不能用直接參數(shù)時，應(yīng)選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為被控參數(shù)。3)必須具有足夠高的靈敏度。4)必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。,精選,21,三、控制參數(shù)(控制變量)的選擇,在有的生產(chǎn)過程中，控制參數(shù)的選擇是很明顯的(唯一確定的)，如鍋爐水位控制系統(tǒng)，控制參數(shù)只能選給水量。但是在有的生產(chǎn)過程中，可能有幾個控制參數(shù)可供選擇，這就要通過分析比較不同的控制通道和不同的擾動通道對控制質(zhì)量的影響而作出合理的選擇。所以正確選擇控制參數(shù)，就是正確選擇控制通道的問題。討論選擇控制參數(shù)的一般原則，可從過程特性對控制質(zhì)量的影響入手。,精選,22,()過程靜態(tài)特性的分析設(shè)單回路控制系統(tǒng)如圖34a。Wc(s)為控制(調(diào)節(jié))器與執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù)；Wo(s)為控制通道的傳遞函數(shù)；Wf(s)為擾動通道的傳遞函數(shù)。并設(shè),精選,23,被控量Y(s)對擾動F(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為單位階躍擾動作用下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值可用終值定理求得,可見，擾動通道靜態(tài)放大系數(shù)Kf愈大，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也愈大?？刂仆ǖ赖撵o態(tài)放大系數(shù)Ko愈大，表示控制作用愈靈敏，克服擾動的能力愈強，控制效果愈顯著。因此，確定控制參數(shù)時，應(yīng)使Ko大于Kf。當這一要求不能滿足時，可通過調(diào)節(jié)Kc來補償，使KcKo遠大于Kf。,精選,24,(二)過程動態(tài)特性的分析1.擾動通道動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響(1)擾動通道時間常數(shù)Tf的影響圖34所示單回路控制系統(tǒng):，設(shè)系統(tǒng)特征方程式中增加了一個極點（-1/Tf）。,精選,25,如圖35。隨著時間常數(shù)Tf的增大，極點a將向jw軸靠近，從而過渡過程時間加長（作用較平緩）。由于過渡過程乘了一個1/Tf(見式(3-11)，使整個過渡過程的幅值減小Tf倍，從而使其超調(diào)量隨著Tf的增大而減小。,因為Wf(s)為慣性環(huán)節(jié)，它對擾動F(s)起著濾波作用，抑制擾動對被控參數(shù)的影響。所以擾動通道的時間常數(shù)Tf愈大，容積愈多，則擾動對被控參數(shù)的影響也愈小，控制質(zhì)量也愈好。,精選,26,(2)擾動通道時延(純滯后)f的影響如圖36，當擾動通道有純滯后時，系統(tǒng)對擾動的閉環(huán)傳遞函數(shù)為根據(jù)拉氏變換的平移定理，可得到圖3-4與圖3-6系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下，被控量的時間響應(yīng)y(t)與y(t)間的關(guān)系為y(t)y(t-),精選,27,可見，干擾通道存在純時間滯后時，理論上不影響控制質(zhì)量，僅使被控參數(shù)對干擾的響應(yīng)在時間上比無滯后存在時推遲了f值。(3)擾動作用點位置擾動引入系統(tǒng)的位置不同，對被控參數(shù)的影響也不同(圖37)。設(shè)三只水箱均為一階慣性環(huán)節(jié)，它對擾動f起著濾波作用，所以當擾動引入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)愈近時，則對其影響愈大；相反，當擾動離被控參數(shù)愈遠(如f1要通過3個串聯(lián)的一階慣性環(huán)節(jié))時，則對其影響愈小。,精選,28,圖3-7擾動引入系統(tǒng)的位置對被控參數(shù)的影響,精選,29,2控制通道動態(tài)特性對控制系統(tǒng)的影響設(shè)控制系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)為Kmax，臨界振蕩頻率為c。Kmax與c以及Kmaxc一定程度上代表了被控過程的控制性能(Kmax越大，可選放大系數(shù)K越大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越小；c越大，可選系統(tǒng)工作頻率越大，過渡過程越快)，并為研究控制通道動態(tài)特性(即時間常數(shù)和時延)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響提供了方便。,精選,30,由表3-l可知，控制通道中時間常數(shù)大、階數(shù)高、有純滯后環(huán)節(jié)都將使過程的Kmax與c值變小，從而使控制性能變差?？梢姂?yīng)選擇時間常數(shù)較小、純滯后小的通道作為控制通道。,精選,31,(1)時間常數(shù)T0的影響控制通道時間常數(shù)T0的大小反映了控制作用的強弱，反映了控制器的校正作用克服擾動對被控參數(shù)影響的快慢。若T0太大，則控制作用太弱，被控參數(shù)變化緩慢，控制不及時，系統(tǒng)過渡過程時間長，控制質(zhì)量下降。若T0太小，雖然控制作用強，控制及時，克服擾動影響快，過渡過程時間短，但易引起系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，亦不能保證控制質(zhì)量。所以在系統(tǒng)設(shè)計時，要求控制通道時間常數(shù)T0適當小一點，使其校正及時，又能獲得較好的控制質(zhì)量。,精選,32,(2)時間滯后的影響控制通道的時間滯后包括純滯后o和容量滯后c兩種。它們對控制質(zhì)量的影響不利，尤其是o影響最壞。無純滯后時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：有純滯后時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：,精選,33,由于存在o，將使相角滯后增加o弧度(圖39)。由圖可知，當o0時，隨KcKo的增大，有可能包圍(-1，j0)點。當o值愈大時，這種可能將愈大。可見，純滯后o的存在將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,當控制通道存在純滯后時，控制器的校正作用將要滯后一個時間o，從而使超調(diào)量增加，使被控參數(shù)的最大偏差增大，引起系統(tǒng)動態(tài)指標下降。,精選,34,控制通道的容量滯后c同樣會造成控制作用不及時，使控制質(zhì)量下降。但是c的影響比純滯后o對系統(tǒng)的影響緩和。另外，若引入微分作用，對于克服c對控制質(zhì)量的影響有顯著的效果。(3)時間常數(shù)分配的影響如某系統(tǒng)(圖3l)開環(huán)傳遞函數(shù)：其中T110s，T2=5s，T32s。若每次改變其中一個或兩個時間常數(shù)，可求得一組Kmax，c和Kmaxc值，如表32所示。,精選,35,精選,36,由表32可知，減小過程中最大的時間常數(shù)T1，反而引起控制質(zhì)量下降；相反增大最大時間常數(shù)T1，雖c略有下降，但Kmax增長，有助于提高控制指標；而減小T2或T3都能提高控制性能指標，若同時減小T2、T3，則提高性能指標的效果更好。因此，在選擇控制通道以及選擇調(diào)節(jié)閥、測量變送器和設(shè)計控制(調(diào)節(jié))器時，使開環(huán)傳遞函數(shù)中(包括控制器、調(diào)節(jié)閥、被控過程以及測量變送器)的幾個時間常數(shù)數(shù)值錯開，減小中間的時間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最大偏差等，改善控制質(zhì)量。,精選,37,在實際生產(chǎn)過程中，若過程本身存在多個時間常數(shù)，則最大的時間常數(shù)往往涉及生產(chǎn)設(shè)備的核心，不能輕易改動，但減小第二、三個時間常數(shù)較易實現(xiàn)。(三)根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則1)控制通道的放大系數(shù)Ko要適當大一些；時間常數(shù)To要適當小一些；純滯后o愈小愈好，在有純滯后o的情況下，o和To之比應(yīng)小一些(小于1)，若其比值過大，則不利于控制。,精選,38,2)擾動通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡可能?。粫r間常數(shù)Tf要大；擾動引入系統(tǒng)的位置(指框圖中的位置)要靠近調(diào)節(jié)閥。3)當過程本身存在多個時間常數(shù)，在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其它時間常數(shù)大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。這一原則同樣適用于控制(調(diào)節(jié))器、調(diào)節(jié)閥和測量變送器時間常數(shù)的選擇，控制器、調(diào)節(jié)閥和測量變送器(均為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中的環(huán)節(jié))的時間常數(shù)應(yīng)遠小于被控過程中最大的時間常數(shù)。,精選,39,第三節(jié)檢測、變送器選擇,對被控參數(shù)迅速、準確地測量(準確地反映實際變化情況)是實現(xiàn)高性能控制的重要前提。檢測與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮來決定。,精選,40,1盡可能選擇測量誤差小的測量元件設(shè)控制器與執(zhí)行機構(gòu)，過程測量變送器，則當Kc很大時，,精選,41,當Kc很大時，可見，對單回路定值控制系統(tǒng)這樣的定值閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，當控制器放大倍數(shù)Kc較大(或含有積分因子)時，其穩(wěn)態(tài)誤差(設(shè)擾動不變)取決于反饋通道誤差即測量誤差的大小。當存在測量誤差，即當KmKm0+Km(Km0為測量元件的標稱放大系數(shù))時，被控參數(shù)與給定值間不再只有固定的對應(yīng)關(guān)系(差一個系數(shù))，而將隨測量誤差Km的值而變動。高質(zhì)量的控制離不開高質(zhì)量的測量。,精選,42,2.盡可能選擇快速響應(yīng)的測量元件與變送設(shè)備,檢測與變送器都有一定的時間常數(shù)，造成所謂的測量滯后與信號傳送滯后。如熱電偶溫度檢測需要建立熱平衡，因而響應(yīng)較慢產(chǎn)生測量滯后；又如氣動組合儀表中，現(xiàn)場測量元件與控制室調(diào)節(jié)器間的信號通過管道傳輸則產(chǎn)生傳送滯后。為克服其不良影響，在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)盡可能選用快速測量元件并盡量減小信號傳送時間(如縮短氣動傳輸管道)，一般選其時間常數(shù)為控制通道時間常數(shù)的l10以下為宜。,精選,43,3.正確采用微分超前補償,當系統(tǒng)中存在較大的測量滯后(如溫度與蒸汽壓力測量，存在相當大的容量滯后)，為了獲得真實的參數(shù)值，可在變送器輸出端串一微分環(huán)節(jié)(圖311)：,輸出與輸入間的關(guān)系為若能使TD=Tm，則P(s)=KmT(s)，輸出與輸入呈簡單的正比關(guān)系，消除了測量滯后產(chǎn)生的動態(tài)誤差。,精選,44,但微分超前控制的使用要慎重，因為（1）要使TD=Tm極為困難。（2）微分作用將放大測量、變送回路中的高頻噪聲干擾，使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。（3）微分作用對于純滯后是無能為力的。,精選,45,4合理選擇測量點位置并正確安裝,測量點位置的選擇，主要著眼于盡可能減小參數(shù)測量滯后與傳送滯后，同時也要考慮安裝方便。,(1)測量信號校正在檢測某些過程參數(shù)時，測量值往往要受到其它一些參數(shù)的影響，例如發(fā)電廠過熱蒸汽流量測量，通常用標準節(jié)流元件。在設(shè)計參數(shù)下運行時，這種節(jié)流裝置的測量精度較高，當參數(shù)偏離給定值時，測量誤差較大，其主要原因是蒸汽密度受壓力和溫度的影響較大。為此，必須對其測量信號進行壓力和溫度校正(補償)。,5.對測量信號作必要的處理,精選,46,(2)測量信號噪聲(擾動)的抑制在測量某些參數(shù)時，由于其物理或化學(xué)特點，常常產(chǎn)生具有隨機波動特性的過程噪聲。若測量變送器的阻尼較小，其噪聲會疊加于測量信號之中影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，所以應(yīng)考慮對其加以抑制。例如測量流量時，常伴有噪聲，故常常引入阻尼器來加以抑制。有些測量元件本身具有一定的阻尼作用，測量信號的噪聲基本上被抑制，如用熱電偶或熱電阻測溫時，由于其本身的慣性作用，測量信號無噪聲。,精選,47,(3)對測量信號進行線性化處理在檢測某些過程參數(shù)時，測量信號與被測參數(shù)之間成某種非線性關(guān)系。這種非線性特性，一般由測量元件所致。通常線性化措施在儀表內(nèi)考慮或測量信號送入計算機后通過數(shù)字運算來線性化。如熱電偶測溫時，熱電動勢與溫度是非線性的，當配用DDZIII型溫度變送器時，其輸出的測量信號就已線性化了，即變送器的輸出電流與溫度成線性關(guān)系。因此是否要進行線性化處理，具體問題要作具體分析。,精選,48,第四節(jié)執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)選擇,在過程控制中，執(zhí)行器(亦稱執(zhí)行機構(gòu))大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體的流量與流速，其特性好壞對控制質(zhì)量的影響很大。實踐證明，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控制質(zhì)量。所以，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點、被控介質(zhì)的情況(尤其關(guān)注高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶、強腐蝕、高粘度等介質(zhì))和安全運行的需要，并從系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮，選用合適的執(zhí)行器。,精選,49,在過程控制中，使用最多的是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器，較少采用液動執(zhí)行器。（表3-3）,精選,50,1選擇合適的調(diào)節(jié)工作區(qū)間調(diào)節(jié)閥的Dg、dg必須很好選擇，在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開度處于1585之間。若調(diào)節(jié)閥口徑選得過小，當系統(tǒng)受到較大擾動時，調(diào)節(jié)閥可能運行在全開或接近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時失控；若調(diào)節(jié)閥口徑選得過大，系統(tǒng)運行中閥門會經(jīng)常處于小開度的工作狀態(tài)，不但調(diào)節(jié)不靈敏，而且易造成流體對閥芯、閥座的嚴重沖蝕，在不平衡力作用下產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，甚至引起調(diào)節(jié)閥失靈。,精選,51,2選擇合適的流量特性首先根據(jù)過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，然后根據(jù)流量特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性。在具體選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性時，根據(jù)被控過程特性來選擇調(diào)節(jié)閥的工作流量特性，若過程特性為線性時，可選用線性流量特性的調(diào)節(jié)閥；若過程特性為非線性，應(yīng)選用對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥。,精選,52,當阻力比S確定后，可從工作流量特性出發(fā)，決定理想流量特性。當S10.6時，理想流量特性與工作流量特性幾乎相同；當S0.30.6時，調(diào)節(jié)閥流量特性無論是線性的或?qū)?shù)的，均應(yīng)選擇對數(shù)的理想流量特性；當S0.3時，一般已不宜用于自動控制。,精選,53,3選擇合適的調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式主要是考慮在不同工藝條件下安全生產(chǎn)的需要。選用氣動調(diào)節(jié)閥應(yīng)考慮以下情況：1)考慮事故狀態(tài)時人身、工藝設(shè)備的安全。當過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障(如氣源中斷、控制器損壞或調(diào)節(jié)閥壞了)時，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。例：鍋爐供水調(diào)節(jié)閥進加熱爐的燃料氣(油)的調(diào)節(jié)閥,精選,54,2)考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。例：精餾塔進料調(diào)節(jié)閥精餾塔回流量調(diào)節(jié)閥3)考慮介質(zhì)的性質(zhì)。例：裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置的流量調(diào)節(jié)閥,精選,55,第四節(jié)控制器(調(diào)節(jié)器)的選擇,在過程控制中，控制器常稱為調(diào)節(jié)器(控制常稱為調(diào)節(jié))?？刂破鞯倪x型與控制規(guī)律的確定是系統(tǒng)設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)?？刂破鞯倪x型主要根據(jù)被控過程的特性、工藝對控制品質(zhì)的要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計(包括經(jīng)濟性)來綜合考慮。本節(jié)討論控制器選擇中的共性問題。,精選,56,1選擇控制器的控制規(guī)律(1)根據(jù)0T0比值來選擇：當已知過程數(shù)學(xué)模型0T01.0時，單回路反饋控制系統(tǒng)已不能滿足控制要求，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用其他控制方式。,精選,57,(2)根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律：若過程的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜或無法準確建模時，可根據(jù)何種控制規(guī)律適用于何種過程特性與工藝要求來選擇。1)比例(P)：P控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但有余差。適用于控制通道滯后較小，負荷變化不大，控制要求不高，時間常數(shù)不太大，擾動幅度較小，被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。如儲槽液位控制、壓縮機儲氣罐的壓力控制、塔釜液位控制和不太重要的蒸汽壓力控制等。,精選,58,2)比例積分(PI)：工程上應(yīng)用最廣泛。積分能消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。如某些流量、液位要求無余差的控制系統(tǒng)。3)比例微分(PD)：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分控制規(guī)律(微分時間設(shè)置得當)對于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有顯著的效果。適用于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，如溫度或成分控制。但對于純滯后較大、測量信號有噪聲或周期性擾動的系統(tǒng)，則不宜采用微分控制。,精選,59,4)比例積分微分(PlD)：是一種較理想的控制規(guī)律，可消除余差，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如某些溫度控制、成分控制等?？刂埔?guī)律要根據(jù)過程特性和工藝要求來選取，決不是說PID控制規(guī)律具有較好的控制性能就不分場合地選用，否則會給其它工作增加復(fù)雜性，并帶來參數(shù)整定的困難。當采用PID控制器還達不到工藝要求的控制品質(zhì)時，則需要考慮其它的控制方案(第四章)。,精選,60,2.確定控制(調(diào)節(jié))器的正、反作用方式正作用方式-調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差(指測量值大于設(shè)定值)的增加而增加，即調(diào)節(jié)器的輸出隨測量值的增大而增大。反作用方式-調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而減小，即調(diào)節(jié)器的輸出隨測量值的增大而減小。調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定原則：應(yīng)根據(jù)被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式來選擇，以使系統(tǒng)成為一個負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。即如果被控變量偏高，控制作用應(yīng)使之降低；相反，如果被控變量偏低，控制作用應(yīng)使之升高。,精選,61,被控過程的特性，分為正、反兩種：正作用特性：當被控過程的輸入(通過調(diào)節(jié)閥的物料或能量)增加(或減小)時，其輸出(被控參數(shù))亦增加(或減小)。反作用特性：反之為反作用特性。調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式,精選,62,組成過程控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)極性規(guī)定：氣開式調(diào)節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數(shù)Kv取正；氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數(shù)Kv取負；正作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)Ko取正；反作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)Ko取負。正作用調(diào)節(jié)器：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù)Kc取負；反作用調(diào)節(jié)器：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)Kc取正；,精選,63,過程控制系統(tǒng)要能正常工作，則該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性(可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示)相乘必須為正。測量變送器的靜態(tài)放大系數(shù)Km通常為正極性，故只需調(diào)節(jié)器Kc、調(diào)節(jié)閥Kv和過程Ko的極性相乘必須為正即可。KcKvKo0,精選,64,確定調(diào)節(jié)器正、反作用的次序過程：首先根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)形式；然后按被控過程特性，確定其正、反作用特性；最后根據(jù)上述組成該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則來確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。例：貯槽液位控制（P173）,精選,65,第六節(jié)過程計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計,以微處理器、單片微處理器為核心的工業(yè)控制計算機與數(shù)字調(diào)節(jié)器過程計算機控制設(shè)備已成為過程控制領(lǐng)域中不可缺少的強有力的工具，正在逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，并且自身還在不斷發(fā)展，用新的功能更強大或價格更便宜的新過程計算機控制設(shè)備來裝備現(xiàn)代過程工業(yè)。,精選,66,過程計算機控制系統(tǒng)按規(guī)模、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，大致可分為四類：(1)單機控制系統(tǒng)：一般由微機或單片機系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，適用于小規(guī)模的裝置，如工業(yè)鍋爐、玻璃窯爐、換熱器等的控制。(2)兩級計算機控制系統(tǒng)：由監(jiān)控機(上位機)、通信系統(tǒng)和若干個下位機(工業(yè)控制計算機，簡稱工控機)組成。不同裝置配有各自單獨的工業(yè)控制機，監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程，適合于幾個至幾十個生產(chǎn)設(shè)備連接在一起的中規(guī)模的生產(chǎn)過程，如聚合釜、精餾塔、發(fā)酵罐等。,精選,67,(3)分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystems，DCS)，又稱集散控制系統(tǒng)，采用控制分散和管理集中相結(jié)合的原則，可對大規(guī)模的生產(chǎn)過程(涉及幾百上千個參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和控制)進行高可靠性的控制和有效的管理。其研究開發(fā)與應(yīng)用已基本成熟（第九章）。(4)計算機集成過程控制系統(tǒng)(ComputerIntegratedProcessSystem，CIPS)：一種以全局最優(yōu)為目標，包含了從原材料采購到產(chǎn)品銷售在內(nèi)的整個決策過程、管理過程和生產(chǎn)過程相結(jié)合的計算機系統(tǒng)，是一種全新的過程控制系統(tǒng)。目的還處于研發(fā)階段。,精選,68,不同結(jié)構(gòu)的計算機控制系統(tǒng)雖然簡、繁相差很大，但都包含了最本質(zhì)最核心亦是最低層部分-過程控制，完成最基本的控制任務(wù)。這一控制功能常稱之為直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl，簡稱DDC)，其含意是直接面向生產(chǎn)過程，采用數(shù)字計算機，對被控參數(shù)進行控制。,精選,69,直接數(shù)字控制系統(tǒng)或子系統(tǒng)(簡稱DDC系統(tǒng))是過程計算機控制系統(tǒng)中的基本部分，由被控對象(過程或裝置)、檢測變送器、執(zhí)行器和工業(yè)控制機等四部分組成(圖313)。,精選,70,DDC系統(tǒng)本質(zhì)上可看作是一臺工控機取代一臺或多臺常規(guī)調(diào)節(jié)儀表而構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，因而DDC系統(tǒng)的設(shè)計是過程計算機控制系統(tǒng)設(shè)計中的最基本內(nèi)容。,精選,71,一、過程計算機控制系統(tǒng)的組成與特點,(一)計算機控制的一般概念將模擬過程控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的過程計算機控制系統(tǒng)，如圖314。,精選,72,(二)過程計算機控制系統(tǒng)的組成(圖315),精選,73,(三)過程計算機控制系統(tǒng)的特點1)模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)：除檢測、變送裝置、執(zhí)行機構(gòu)等常用模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能的核心部件是數(shù)字計算機。2)需采用專門的理論來分析和設(shè)計：系統(tǒng)除了包含連續(xù)信號外，還包含數(shù)字信號。3)便于實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律：連續(xù)控制系統(tǒng)若要修改控制規(guī)律，一般須改變硬件結(jié)構(gòu)。而計算機控制系統(tǒng)只需修改軟件，一般不需改變硬件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有很大的靈活性和適應(yīng)性。,精選,74,4)多路分時控制：在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個控制器控制一個回路，而計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的運算處理能力，一個控制器(計算機)經(jīng)?？刹捎梅謺r控制的方式同時控制多個回路。5)管控一體化：采用計算機控制，可實現(xiàn)如分級計算機控制、分布式控制等，從而實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進一步提高。,精選,75,二、數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計,圖316為常見的過程計算機控制系統(tǒng)的原理圖。,精選,76,數(shù)字控制器的兩種設(shè)計方法：(1)模擬化設(shè)計方法(間接設(shè)計法):在一定條件下，把過程計算機控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論來進行動態(tài)分析和設(shè)計，再將設(shè)計結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字計算機。(2)離散化設(shè)計方法(直接設(shè)計法):把過程計算機控制系統(tǒng)經(jīng)過適當變換，變成純粹的離散系統(tǒng)，用z變換等工具進行分析設(shè)計，直接設(shè)計出控制算法。,精選,77,模擬化設(shè)計方法的基本思路：當系統(tǒng)的采樣頻率足夠高時，采樣系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，因而可忽略采樣開關(guān)和保持器，將整個系統(tǒng)看成是連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)。設(shè)計的基本步驟：根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型，按連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計模擬調(diào)節(jié)器，然后按照一定的對應(yīng)關(guān)系將模擬調(diào)節(jié)器離散化，得到等價的數(shù)字控制器，從而確定計算機的控制算法。設(shè)計的實質(zhì)：將模擬調(diào)節(jié)器離散化，用數(shù)字控制器取代模擬調(diào)節(jié)器。,精選,78,(一)離散化方法1差分變換法首先把原始的連續(xù)傳遞函數(shù)Wc(s)轉(zhuǎn)換成微分方程，再用差分方程近似該微分方程。常用的差分近似方法有后向差向和前向差分。為便于編程，離散化只采用后向差分法。(1)一階后向差分一階導(dǎo)數(shù)采用如下近似式(T為采樣周期),精選,79,(2)二階后向差分二階導(dǎo)數(shù)采用近似式例3-1求的差分方程。（略）,精選,80,2零階保持器法（階躍響應(yīng)不變法）P160圖3-17基本思想：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列與模擬調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)的采樣值相等，即或例32用零階保持器法求的差分方程。（略）,精選,81,(二)數(shù)字PID控制算法P1601.位置型PID算式：數(shù)字PID控制器的輸出u(k)和閥位對應(yīng)計算機實現(xiàn)位置型算式不夠方便，這是因為要累加偏差e(j)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編程。2增量型PID算式,精選,82,u(k)對應(yīng)于第k時刻閥位的增量，故稱此式為增量型PID算式。第k時刻的實際控制器輸出計算u(k)和u(k)要用到也僅需用到第(k-1)、(k-2)時刻的歷史數(shù)據(jù)e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)，這三個歷史數(shù)據(jù)需存于內(nèi)存儲器?？梢姡捎迷隽啃陀嬎闶降膬?yōu)點是：編程序簡單，占用存儲單元少，運算速度快。,精選,83,為了編程序方便，也可將式(331)整理成如下形式：,精選,84,(三)數(shù)字PID控制算法的改進用計算機實現(xiàn)PID控制，不僅能實現(xiàn)模擬PID控制規(guī)律，而且能進一步與計算機的邏輯判斷功能結(jié)合起來，對PID控制算法作改進，使PID控制更加靈活多樣完善。1積分項的改進(1)積分分離在一般的PID控制中當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動。特別對于溫度、成分等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象更為嚴重。為此，可采用積分分離措施。即當|e(k)|時，用PD控制；當|e(k)|時，用PID控制。,精選,85,(2)抗積分飽和由于長期存在偏差或偏差較大，計算出的控制量有可能溢出或小于零。所渭溢出就是計算機運算出的控制量u(k)超出DA所能表示的數(shù)值范圍。例如8位DA的數(shù)值范圍為00H至FFH。一般執(zhí)行機構(gòu)有兩個極限位置，如調(diào)節(jié)閥全開或全關(guān)。設(shè)u(k)為FFH時調(diào)節(jié)閥全開；u(k)為00H時調(diào)節(jié)閥全關(guān)。當執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置仍不能消除偏差時，由于積分作用，PID差分方程式所得的運算結(jié)果將繼續(xù)增大或減小，這就稱為積分飽和。作為防止積分飽和的辦法之，可對運算出的控制量u(k)進行限幅。以8位DA為例：當u(k)0時，則取u(k)=0；當u(k)FFH時，則取u(k)FFH。,精選,86,(3)消除積分不靈敏區(qū)PID數(shù)字控制器的增量型算式中積分作用的輸出由于計算機字長的限制，當運算結(jié)果小于字長所能表示數(shù)的精度，計算機就作為“零”將此數(shù)丟掉，從上式可知，當計算機的運算字長較短、采樣周期T也短、而積分時間TI又較長時，uI(k)容易出現(xiàn)小于字長的精度而丟數(shù)，此時也就無積分作用。這就稱為積分不靈敏區(qū)。,精選,87,常采用以下措施消除積分不靈敏區(qū)：1)增加DA轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長運算字長，可提高運算精度。2)當積分項uI(k)連續(xù)出現(xiàn)小于輸出精度的情況時，不要把它們作為“零”丟掉，而是把它們一次次累加起來，直到累加值Si大于時才輸出Si。,精選,88,(4)帶積分不靈敏區(qū)與消除積分不靈敏區(qū)恰好相反，對那些不要求準確控制(容許在設(shè)定值的較大范圍內(nèi)變化)的過程，如液位控制，為了避免控制閥頻繁動作反而引起系統(tǒng)振蕩，可采取帶不靈敏區(qū)的算式，即,精選,89,2微分項的改進微分項是PID數(shù)字控制器響應(yīng)最敏感的一項，應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)誤差和噪聲，以消除不必要的擾動。(1)偏差平均(偏差濾波)平均項數(shù)m的選取、取決于被控制對象的特性。一般流量信號取10項，壓力信號取5項，溫度、成分等緩慢變化的信號取2項或不平均。(2)測量值微分(微分先行)當系統(tǒng)給定值發(fā)生階躍變化時，微分動作將導(dǎo)致控制輸出u(k)大幅度變化，不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定操作。由此在微分項中不考慮給定值微分，只對測量值(即被控參數(shù))進行微分。,精選,90,(四)數(shù)字PID控制器的工程實現(xiàn)從工程應(yīng)用角度采用計算機實現(xiàn)數(shù)字PID控制，僅僅完成上面介紹的數(shù)字PID運算(及其改進運算)是不夠的，還必須考慮其它工程實際問題。,精選,91,(1)給定值處理通常包括給定值選擇(內(nèi)給定還是外給定，外給定中又分來自上位計算機還是來自其它運算模塊)與給定值變化率限制(防止比例、微分飽和)等。(2)被控量處理(檢測量處理)通常包括數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理(包括非線性補償，以及高、低限報警等。(3)偏差處理通常包括數(shù)據(jù)處理、輸入補償(非線性補償或設(shè)置非線性特性如帶死區(qū)、帶飽和)與上限報警等。,精選,92,(4)控制量處理通常包括輸出補償(擴大PID功能，實現(xiàn)復(fù)雜控制)、輸出保持與安全輸出限制(包括輸出幅值限制、變化率限制、事故狀態(tài)輸出)等。(5)自動、手動切換正常運行時，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)，在調(diào)試階段或出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)處于手動狀態(tài)。要求盡量做到無平衡無擾動切換，即在進行手動到自動或自動到手動切換之前，無須由人工進行手動輸出控制信號與自動控制信號之間的對位平衡操作，保證切換時不對執(zhí)行機構(gòu)的現(xiàn)有位置產(chǎn)生擾動。,精選,93,(五)采樣周期的選取數(shù)字控制器采用模擬器設(shè)計方法的前提是采樣頻率足夠高，即采樣周期足夠短。但過短的采樣周期不僅使計算機的硬件開銷(AD、DA的轉(zhuǎn)換速度與CPU的運算速度)增加、而且由于執(zhí)行機構(gòu)(如氣動調(diào)節(jié)閥)的響應(yīng)速度較低，并不能提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此必須從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面綜合考慮采樣頻率的選取。,精選,94,選取采樣周期時，一般應(yīng)考慮下列幾個因素：1)采樣周期應(yīng)遠小于對象的擾動周期。2)采樣周期應(yīng)比對象的時間常數(shù)小得多，否則采樣值無法反映瞬變過程。3)考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度。如果執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢，那么過短的采樣周期將失去意義。4)對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在計算機速度允許的情況下，采樣周期短，調(diào)節(jié)品質(zhì)好。5)性價比。從控制性能來考慮，希望采樣周期短。但計算機運算速度以及A/D和D/A的轉(zhuǎn)換速度要相應(yīng)地提高，導(dǎo)致計算機的費用增加。6)計算機所承擔(dān)的工作量。如果控制的回路數(shù)多，計算量大，則采樣周期要加長，反之可以縮短。,精選,95,可見，采樣周期受各種因素的影響，有些是相互矛盾的，必須視具體情況和主要的要求作出折衷的選擇。在具體選擇采樣周期時，可參照表34所示的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，再通過現(xiàn)場試驗最后確定合適的采樣周期。,隨著計算機技術(shù)的進步及其成本的下降，一般可以選取較短的采樣周期，使數(shù)字控制系統(tǒng)更接近連續(xù)控制系統(tǒng)。,精選,96,三、過程計算機控制系統(tǒng)設(shè)計方法,過程計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)設(shè)計的主要不同之處就在于計算機系統(tǒng)的選擇(設(shè)計)與數(shù)字控制器的設(shè)計。過程計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則：(1)可靠性高首先需采用高性能的工控機，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍能正常運行。其次是要設(shè)計可靠的控制方案(類同于常規(guī)控制儀表的控制方案設(shè)計)，并具有各種安全保護措施，如報警、事故預(yù)測、事故處理、不間斷電源等。為預(yù)防計算機發(fā)生故障，往往還需設(shè)計后備裝置以防不測。對于一般的控制回路、選用手動操作器作為后備；對于重要的控制回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備；對于特殊的控制對象，則設(shè)計兩臺計算機，互為備用地執(zhí)行控制任務(wù)。,精選,97,(2)實時性強一臺過程控制計算機常常要控制幾個乃至幾十個回路，要求計算機不僅能在設(shè)計的控制周期內(nèi)完成全部的數(shù)據(jù)采集、運算和控制任務(wù)，還要能對事故、報警等隨機事件作出及時處理。(3)通用性好過程控制計算機的通用靈活體現(xiàn)在兩方面，一是硬件模板設(shè)計采用標準總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板；二是軟件模塊或控制算法采用標準模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需二次開發(fā)，只需靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。(4)操作性好操作性好表現(xiàn)在兩方面，一是使用方便，二是維修容易。(5)經(jīng)濟效益高表現(xiàn)在兩方面，一是系統(tǒng)的性能價格比，二是投入產(chǎn)出比，包括降耗節(jié)能，消除環(huán)境污染，改善勞動條件等因素。,精選,98,在控制方案確定之后，主要的任務(wù)是選擇合適的計算機(系統(tǒng))。計算機的選擇方案通常有以下幾種：(1)選用標準功能模塊為了適應(yīng)計算機應(yīng)用的通用性和靈活性，各計算機制造廠按照統(tǒng)一標準總線(如STD，PCI)生產(chǎn)出各種各樣的功能模板，設(shè)計人員按照需要選用功能模板構(gòu)成系統(tǒng)(圖319)。這種模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是系統(tǒng)配置靈活、擴充方便、維修簡單?？s短了硬件設(shè)計周期，缺點是商品軟件較少，需用戶自行開發(fā)。,精選,99,(2)選用通用的控制計算機計算機制造廠推出的工業(yè)控制計算機，不僅配有系統(tǒng)軟件，而且配有豐富的應(yīng)用軟件，用戶可以靈活地進行控制系統(tǒng)的組態(tài)，解除了用戶編應(yīng)用程序的負擔(dān)，缺點是價格較高。(3)設(shè)計專用計算機用戶根據(jù)自己的需要，設(shè)計專用的計算機或設(shè)計幾塊特殊的功能模板。優(yōu)點是系統(tǒng)針對性強，靈活方便，缺點是設(shè)計周期長，設(shè)計者需具備較深的計算機硬件知識。,精選,100,在計算機(系統(tǒng))選擇中，要十分注意與選擇的檢測、變送器與執(zhí)行器的配合，尤其要注意計算機的輸入、輸出信號要統(tǒng)一采用標準的DC010mA或DC420mA。為了便于人機聯(lián)系，需要精心設(shè)計一個供現(xiàn)場操作人員使用的控制臺。注意，這個控制臺一般不能用計算機鍵盤簡單代替。,精選,101,第七節(jié)過程控制系統(tǒng)的投運和控制器參數(shù)整定,在過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計、設(shè)備選型、安裝調(diào)校就緒后，下一步要進行的就是系統(tǒng)的投運與調(diào)整、整定。若一切順利則系統(tǒng)可投入正常生產(chǎn)，若品質(zhì)指標達不到要求，則需按照“再次整定控制器參數(shù)修改控制規(guī)律檢查設(shè)備選型是否符合要求修改控制方案”的順序反復(fù)進行，直到找出原因與解決辦法使系統(tǒng)滿足生產(chǎn)要求。,精選,102,一、控制系統(tǒng)投運在新控制系統(tǒng)安裝就緒后，或者老系統(tǒng)經(jīng)過改造或經(jīng)過停車檢修之后，再將其逐步投入生產(chǎn)的過程就稱為系統(tǒng)的投運。為了保證過程控制系統(tǒng)順利投運，要求操作人員在系統(tǒng)投運之前，必須對構(gòu)成系統(tǒng)的各種儀表設(shè)備(控制器、調(diào)節(jié)閥、測量變送器等)、聯(lián)接管線、供電、供氣情況等進行全面檢查和調(diào)校。,精選,103,過程控制系統(tǒng)的各個組成部分投運的一般程序如下：(1)檢測系統(tǒng)投入運行：根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的實際情況，將溫度、壓力、流量、液位等檢測系統(tǒng)投入運行，觀察測量指示是否正確。(2)調(diào)節(jié)閥手動遙控：在手動遙控時應(yīng)事先了解調(diào)節(jié)閥在正常工況下的開度，然后手動遙控，使系統(tǒng)的被控參數(shù)在給定值附近穩(wěn)定下來，并使生產(chǎn)達到穩(wěn)定工況，為切換到自動控制作好準備。,精選,104,(3)控制器投運(手動自動)：完成以上兩步后，就滿足了工藝開車的需要。待工況穩(wěn)定后，即可將系統(tǒng)由手動操作切換到自動運行。為此，首先再檢查控制器的正、反作用開關(guān)等位置是否正確，然后把控制器PID參數(shù)值設(shè)置在合適位置，當被控參數(shù)與給定值一致(即當偏差為零)時，將控制器由手動切換到自動(無擾動切換)，實現(xiàn)自動控制。同時觀察被控參數(shù)的記錄曲線是否合乎工藝要求，若還不夠理想則調(diào)整PID參數(shù)，直到滿意為止。,精選,105,當系統(tǒng)正確投運、控制器參數(shù)經(jīng)過整定后，若其品質(zhì)指標一直達不到要求，或系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，需將系統(tǒng)由自動切換到手動，再行研究解決。,精選,106,二、控制器參數(shù)整定,過程控制采用的控制器(調(diào)節(jié)器)通常都有一個或多個需要調(diào)整的參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng)機構(gòu)(如旋鈕、開關(guān)等)或相應(yīng)設(shè)備(如計算機控制系統(tǒng)中的組態(tài)軟件、可編程控制器中的編程器)。通過調(diào)整這些參數(shù)使控制器特性與被控過程特性配合好，獲得滿意的系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的過程稱為控制器參數(shù)整定。,精選,107,控制器參數(shù)的整定方法：理論計算整定法：在已知過程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，通過理論計算來求取“最佳整定參數(shù)”。(如根軌跡法、頻率特性法等)在自動控制原理課程中己作了較深入的討論。工程整定法：根據(jù)工程經(jīng)驗，直接在過程控制系統(tǒng)中進行的控制器參數(shù)整定方法。在實際工程中被廣泛采用。,精選,108,因為無論是用解析法或?qū)嶒灉y定法求取的過程數(shù)學(xué)模型都只能近似反映過程的動態(tài)特性，所以理論計算所得到的整定參數(shù)值可靠性不夠高，在現(xiàn)場使用中還需進行反復(fù)調(diào)整。工程整定法雖未必能達到“最佳整定參數(shù)”，但由于其不需知道過程的完整數(shù)學(xué)模型，使用者只需具備理論計算所必須的控制理論知識，因而簡便、實用，易于被工程技術(shù)人員所接受并優(yōu)先采用。,精選,109,數(shù)字控制器的參數(shù)整定一般亦是首先按模擬PID控制參數(shù)整定的方法選擇數(shù)字PID參數(shù)，然后再作適當調(diào)整，并適當考慮采樣周期(采樣周期遠小于時間常數(shù))對整定參數(shù)的影響。本書僅介紹模擬控制器的參數(shù)整定方法。,精選,110,1動態(tài)特性參數(shù)法根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程(包括調(diào)節(jié)閥Wv(s)、被控對象Wo(s)和測量變送器Wm(s)階躍響應(yīng)特性進行近似計算的方法(圖320)。在調(diào)節(jié)閥Wv(s)的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器Wm(s)的輸出響應(yīng)曲線，根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)(、T、)，然后根據(jù)這些參數(shù)應(yīng)用相應(yīng)公式，計算出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。,精選,111,當廣義過程有自平衡能力時,其階躍響應(yīng)曲線如圖322所示。,精選,112,其近似傳遞函數(shù)可表示為(1)，n3(2)有明顯純滯后(包括/T0.2)時衰減率0.75時，可用表36中的整定計算公式。,精選,113,P79,精選,114,當廣義過程為無自平衡能力時，其階躍響應(yīng)曲線如圖321。其近似傳遞函數(shù)可表示為,過程響應(yīng)速度?？捎帽?5中的整定計算公式(衰減率0.75)。,精選,115,例33己知單回路控制系統(tǒng)的被控過程為Wo(s)=1/(Ts+1)3，現(xiàn)采用動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。測得滯后時間21s(秒)，時間常數(shù)T100s(秒)，自平衡率1，分別采用P、PI、PID調(diào)節(jié)器，試求0.75時調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。,精選,116,解：由于/T0.21，故應(yīng)用表36中0.2/T1.5時的公式計算。,精選,117,精選,118,2穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)目前應(yīng)用較廣。特點：直接在閉合的控制系統(tǒng)中進行整定。步驟：1)把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大()，微分時間Td置零，比例度置較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，然后將由大逐漸減小，得到圖323所示的臨界振蕩過程。此時的比例度叫做臨界比例度k，振蕩的兩個波峰之間的時間為臨界振蕩周期Tk。,精選,119,2)根據(jù)k和Tk，運用表37中的經(jīng)驗公式，計算出調(diào)節(jié)器參數(shù)、TI和Td。3)根據(jù)上述計算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過程，若曲線不符合要求，再適當調(diào)整整定參數(shù)值。,穩(wěn)定邊界法簡單方便，容易掌握和判斷。但是，若生產(chǎn)過程不允許反復(fù)振蕩，就不能應(yīng)用這種方法。,精選,120,精選,121,3阻尼振蕩法(衰減曲線法)4：