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过程控制系统3.ppt

过程控制系统3

sxgtc
2011-10-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《过程控制系统3ppt》,可适用于高等教育领域

过程控制系统过程控制系统第一章绪论第二章被控过程的数学模型第三章单回路控制系统设计第四章串级控制系统第五章前馈及复合控制系统第六章时间滞后控制系统第七章其它过程控制系统第八章过程控制中的计算机应用第三章单回路控制系统设计第三章单回路控制系统设计§概述、典型例子:见下图一、系统的基本结构单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单但应用较广过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此本章内容无疑是重点之一。液位变送器液位控制器执行器、系统方框图、系统方框图、特点、特点最简单、最基本应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小负载和干扰不大控制质量要求不很高的场合。二、过程控制系统设计的要求、安全性、稳定性、经济性三、过程控制系统的设计步骤、建立被控过程的数学模型、选择控制方案、选择控制设备型号规格、实验(与仿真)四、控制系统的工程考虑四、控制系统的工程考虑包括仪表(微机)选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。()、对象信息的获取和变送()、执行器的选择()、控制器的选择、工程安装、仪表调试、参数整定、工程设计、方案设计是整个控制工程设计中最重要的一步应注意:()、合理选择被控量(被控参数)和操纵量(控制参数)§被控参数和控制参数的选择§被控参数和控制参数的选择是控制系统方案设计的一个至关重要的问题。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件有很大的作用。若选择不当则不论组成什么样的控制系统选择多么先进的过程检测控制仪表都不能达到良好的控制效果。一、被控参数(即被控量)的选择选择的意义选择方法选择方法影响正常操作的因素很多但并非都需加以控制。只有根据工艺要求深入分析工艺过程才能选择出合适、可测的工艺参数。()选间接参数当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度控制间接实现化学反应的质量控制。)  ()选直接参数即能直接发映生产过程产品产量和质量以及安全运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制)选间接参数的原则选间接参数的原则必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数要有足够的灵敏度。二、控制参数(即控制量)的选择当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。一般希望控制通道克服扰动的能力要强动态响应应比扰动通道快。(一)、过程静态参数对控制质量的影响(一)、过程静态参数对控制质量的影响()基本形式:如图所示选择控制参数的一般原则如下:系统的简化方框图()突出干扰作用:框图如下图所示()突出干扰作用:框图如下图所示传递函数传递函数则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为:设传递函数分别为:稳态余差稳态余差由于系统本质是稳定的则在单位阶跃扰动下的余差为过程稳态特性对控制质量有很大影响这是选择操纵参数的一个重要依据。应使Kf越小越好以减弱扰动对控制参数的影响。讨论(二)干扰通道动态特性对控制质量的影响(二)干扰通道动态特性对控制质量的影响时间常数的影响系统的超调量随Tf的增大而减少控制质量得到提高。最佳控制过程中KcK应为一常数K大小可通过Kc来调节在控制系统设计时控制通道的K拟适当选大一些。滞后时间的影响滞后时间的影响Tf变大或个数增多均对干扰起到了一种滤波作用。干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反应在时间上平移了一段时间理论上无影响。干扰通道的容量滞后会使干扰信号变得缓和一些对克服干扰有利。干扰作用位置的影响()分析:如以下两图。(三)控制通道动态特性对控制质量的影响(三)控制通道动态特性对控制质量的影响()T太大特点:使控制作用变弱控制质量变坏。措施:合理选择执行器位置采用前馈或复杂控制在系统设计时应使扰动作用点位置远离被控量。()结论时间常数的影响()T过小特点:控制作用增强但系统容易振荡。措施:选择快速监测、控制、执行器件设法降低控制通道的灵敏度改革工艺以使T增大。(四)选择控制参数的一般原则(*)(四)选择控制参数的一般原则(*)()纯滞后的影响较大,如图所示。应从工艺着手改善。()容量滞后c比较缓和引入微分作用可有效克服。滞后时间的影响控制通道的放大系数K要适当选大一些时间常数T要适当小一些纯滞后时间越小越好与T之比应小于扰动通道的放大系数Kf应尽可能小时间常数Tf要大扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)容量滞后愈大愈有利于控制。注意工艺操作的合理性、经济性。(五)实例讨论(五)实例讨论例:喷雾式乳粉干燥设备的控制。工艺流程:参见右图。控制要求:干燥后的产品含水量波动要小。被控参数选择:干燥器里的温度控制参数的选择(三种方案如图所示)讨论后知以风量作控制参数为最佳选择。仔细思考为什么?讨论后知以风量作控制参数为最佳选择。仔细思考为什么?例例储槽液位控制§执行器选择§执行器选择在自动控制系统中接受调节器的指令经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移去操纵调节机构即通过改变阀门的开度来改变被控对象进、出的能量或物料从而得到控制的目的。、概述作用组成类型类型、设计中应当考虑的问题、设计中应当考虑的问题、控制阀口径的选择在正常情况下阀门开度处于。口径选择过小当经受较大扰动时阀门可能运行到全开时的饱和非线性工作态使系统暂时失控选择过大阀门常处于小开度则流体对阀芯、阀座的冲蚀过大易产生振荡。、设计中应当考虑的问题、设计中应当考虑的问题、确定气开与气关气开式随输入气压的增高开度增加气关式则相反。在此选择上主要考虑失气时使生产处于安全态。中小型锅炉进水管阀:多选用气关式。一旦气源中断也不至于锅炉内水蒸干燃料管阀门:多用气开式。一旦气源中断切断燃料避免因燃料过多发生事故。由两部分组成执行机构和控制阀体。由两部分组成执行机构和控制阀体。一、气动薄膜控制阀的工作原理气动调节阀通常被描述为一阶惯性环节。常讨论如何用阀的非线性去补偿广义对象做其它环节的非线性。(一)、气动薄膜执行机构(一)、气动薄膜执行机构、组成:由膜片、推杆、弹簧等组成。、作用方式气开式气关式(二)、控制阀体、作用:是一个局部阻力可以变化的节流元件。、流量方程、流量方程当口径A和差压(PP)一定时流量Q仅随阻尼的变化而变化。改变阀门的开启程度可改变流通阻力而控制介质流量。、调节原理二、控制阀的流量特性二、控制阀的流量特性、概念理想(固有)流量特性假定阀前后差压不变。工作(实际)流量特性、类型通过控制阀流量变化而引起流量管道阻力变化从而阀上压力也变化(一)、理想流量特性取决于阀芯曲面的形状。(一)、理想流量特性取决于阀芯曲面的形状。、直线流量特性()、定义:控制阀的相对流量预相对开度成直线关系即()、特性方程、其他流量特性、其他流量特性()、特点:适于在较大开度下使用。(注:可控比R即指最大流量与最小流量的比值国产阀常取R=)对数特性:小流量时控制作用平缓大流量时控制作用灵敏有效克服了直流特性的不足。快开特性:适于要求快速开、闭的控制系统。抛物线特性:介于直线特性与对数特性之间弥补了直线特性小开度时控制性能差的缺点。快开特性直线特性抛物线特性对数特性(二)、工作流量特性(二)、工作流量特性()、阀上的差压:如图所示。、串联管道中的特性串联阻力R上的压降△P会随流量Q的平方成比例变化。当阀门开大后流量增加引起△P增加使阀前后压力△P减少流量特性发生崎变。()、流量特性()、流量特性()、并联的目的:冗余措施增大产量(流量)()、可调比:在下图中设Q调节阀流量Q旁路阀流量Q总管流量、并联管道的流量特性特性曲线畸变的规律:特性曲线总是向左上方畸变线性阀接近快开特性对数阀接近线性阀特性S值越小畸变越厉害控制阀全开时阀二端压差S=系统恒定的总压差可控比可控比控制阀全开时流量X=总管最大流量当X=时旁路关闭并联管道的工作流量特性就是调节阀的理想流量特性随着X的减小尽管调节阀本身流量特性无变化但管道的可调比大大下降使管系中的可控流量减小严重时会使并联管道中的调节阀失去控制作用。()、流量特性()、流量特性选择原则是广义对象具有线性特性即总放大系数为常数。选择方法可分为理论计算法和经验法两大类。由对象特性选工作特性推理想特性查厂家手册。三、控制阀作用方式的选择三、控制阀作用方式的选择选气开还是气关式由生产工艺的要求决定。、从生产的安全出发、从保证产品质量考虑、从降低原料和动力的损耗考虑、从介质特点考(一)、气开气关方式的选择执行机构与阀体部件的配用有表可查。先选气开、气关方式再选执行机构。(二)、执行机构正、反作用方式的选择§控制器的选型§控制器的选型积分控制作用能消除余差但降低了系统的稳定性。TI愈小稳定性愈差。信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。根据对象特性和控制质量要求选择控制器的控制作用确定控制器的类型。随着控制器放大系数Kc的增大控制系统的稳定性降低。(与自控理论的分析一致。)随着Kc的增大余差将减少但不能消除。二、积分控制作用对控制质量的影响一、比例控制作用对控制质量的影响三、微分控制作用对控制质量的影响三、微分控制作用对控制质量的影响()、特点:抗干扰能力强过渡过程时间短但有余差。()、适用:控制通道滞后较小负荷变化不大允许被控量在一定范围内变化的系统。引入微分控制作用后控制质量将全面提高。微分作用太强会引起控制阀时而全开、时而全关。四、控制器的选型应由对象的特性和工艺要求确定、P控制器的选择、PI控制器的选择、PI控制器的选择()、特点:对克服对象的容量滞后有显著的效果。()、适用:负荷变化大容量滞后大控制质量要求很高的系统。()、特点:过渡过程结束时无余差但系统的稳定性降低。()、适用:滞后较小负荷变化不大被控量不允许有余差的控制系统。负荷变化大纯滞后大采用PID达不到要求时采用。、复杂控制系统、PID控制器的选择五、控制器正、反作用的选择五、控制器正、反作用的选择原则:使整个单回路构成负反馈系统乘积为负。、控制阀:气开式为“+”气关式为“”、控制器:正作用为“+”反作用为“”、被控对象:物料或能量增加时被控参数随之增加为“+”随之减少为“”、变送器:一般为“+”控制器正、反作用选择的判别式:(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“”§控制器的参数整定§控制器的参数整定如果控制方案已经确定则过程各通道的静态和动态特性就已确定系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。控制器的参数整定就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。所谓最佳过渡过程就是在某种质量指标下系统达到最佳调整状态。:递减比为最佳参数整定的常用依据。参数整定的方法:、概述()、理论整定法:()、理论整定法::对数频率特性法、根轨迹法等。()、工程整定法:经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。对于单元组合仪表比例度的概念:对于比例作用大小工业控制器常用δ表示其义为:)流量系统是典型的快过程且往往具有噪声。对此类过程宜用PI且比例度要大积分时间可小。)液位系统对只需要实现平均液位的地方宜用纯比例比例度要大。)温度系统由于常具有测量变送滞后和热传递滞后所以过程缓慢。比例度范围宜设置为。一般积分时间常数较大微分时间约是积分时间的四分之一。一、现场经验凑试法、常用的参数经验范围:如表所示、整定步骤、整定步骤()、在纯比例作用下(TI=、TD=)在比例度按表的取值下将系统投入运行若曲线振荡频繁则加大比例度若超调量大且趋于非周期则减少求得满意的:过渡过程曲线。()、引入积分作用(此时应将上述加大倍)将积分时间TI由大到小进行整定若曲线波动较大则应增大TI若曲线偏离给定值后长时间回不来则需减少TI以求得较好的过渡过程曲线。()、若需引入微分作用()、若需引入微分作用、本质:在闭环的情况下进行。先将控制器的积分和微分作用全除去按Kc由小到大变化的规律对应于某一Kc做小幅度的设定值阶跃干扰以获得临界情况下的等幅振荡。这种整定方法是以获得:衰减并且有合适的超调量(或最大偏差)为目标。将TD按经验值或按TD=(~)TI设置并由小到大加入若曲线超调量大而衰减慢则需增大TD若曲线振荡厉害则应减小TD观察曲线再适当调节和TI反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。二、稳定边界法(临界比例度法)()、将逐渐减小()、将逐渐减小得到图所示等幅振荡过程记下临界比例度K和临界振荡周期TK值。()、根据K和TK值采用表中的经验公式计算、TI、TD的值。、整定步骤()、在纯比例作用下投入(TI=,TD=),比例度适当平稳操作一段时间把系统投入自动运行。()、按“先P后I最后D”的操作程序将控制器整定参数调整到计算值上。观察其运行曲线若不够满意再做进一步调整。带有普遍意义的几条规律:带有普遍意义的几条规律:)纯比例时Kc=Kcmax这意味着的幅稳定裕度是与:衰减相基本对应。)比例积分控制器的Kc值要比纯比例时小是由于附加积分作用会使系统稳定性变差为维持原有稳定性必须将Kc值降低的缘故)由于微分的相位超前能改善系统稳定性所以Kc值可以提高。表中PID时的Kc值是纯比例时的倍。)积分时间约是微分时间的四倍。解:应用表经验公式可得解:应用表经验公式可得()比例控制器=K=×=()比例积分控制器=K=×=TI=TK==min()比例积分微分控制器=K==TI=TK==minTD=TI==min用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=,临界振荡周期TK=min当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时求其最佳整定参数值。例三、阻尼振荡法(衰减曲线法)三、阻尼振荡法(衰减曲线法)()、实现:衰减比先把参数置成纯比例作用(TI=,TD=)使系统投入运行再把从大逐渐调小直到出现右图所示的:衰减过程曲线此时的:衰减比例度为S:衰减振荡周期为TS。运行效果如下图。、特点:是在总结稳定边界法的基础上经过反复实验提出来的。、整定步骤:对于要求系统过渡过程达到:衰减的步骤如下。返回()、计算参数()、计算参数()、进一步调整按“先P后I最后D”的操作程序将求得的参数设置在控制器上再观察运行曲线若不太理想可做适当调整。根据S和TS使用表计算出控制器的各个整定参数值。例例解应用表中的经验公式可得()、比例控制器=S=()、比例积分控制器=S==TI=TS==min()、比例积分微分控制器=S==TI=TS==minTD=TS==min某温度控制系统采用:衰减曲线法整定控制器参数得S=TS=分当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时试求其整定参数值。四、响应曲线法(动态特性参数法)四、响应曲线法(动态特性参数法)、整定步骤()、用”实验法建模“中所介绍的方法获取对象的响应曲线如下图所示。、特点:依据广义对象的时间特性来整定参数的方法精度更高。()、求取广义对象的放大系数Ko()、求取广义对象的放大系数Ko()、根据对象的K、T、按下表所给公式求出:衰减过程控制器的参数、TI和TD。式中Δy被控参数测量值的变化量ΔX控制器输出的变化量ymaxymin测量仪表的刻度范围XmaxXmin控制器输出变化范围。例例在某一蒸汽加热器的控制系统中当电动单元组合控制器的输出从mA改变到mA时温度记录仪的指针从℃升到℃从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为℃并测出O=min,TO=min。如采用PI和PID控制规律试确定出整定参数。解:解:本例中X==mAXmaxXmin==mAy==℃ymaxymin==℃所以因此在PI控制器时:因此在PI控制器时:==TI==min在PID控制器时:==TI==minTD==min解毕。思考题思考题、试说明单回路控制系统的构成、主要特点及其应用场合。并说明系统设计的主要内容。、过程控制系统方案设计应包含哪些主要内容?、选择被控参数时应遵循哪些基本原则?、在选择控制参数时为什么取过程控制通道的静态放大系数K应适当大一些而时间常数T应适当小一些?、在设计过程控制系统时怎样选择调节器的控制规律?怎样确定调节器的正、反作用方式和调节阀气开、气关形式?、试简述响应曲线法的基本原理。

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