经典过程控制技术.ppt

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3经典过程控制技术信息学院二一七年十月现代过程控制基础12本章内容：

本章内容：

l单回路控制系统单回路控制系统的组成与设计PID参数的整定l串级控制系统l前馈控制系统l大时滞过程控制系统3.1单回路控制系统在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。

在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。

研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。

33.1.1单回路控制系统组成结构单回路控制系统方框图变送器控制器控制阀控制对象+-给定测量干扰被控量偏差Gc（s）Gm（s）Gv（s）Go（s）Gf（s）+-+R（S）E（S）U（S）Q（S）Y（S）F（S）X（S）4R（S）：

给定值X（S）：

测量值E（S）：

偏差U（S）：

控制信号Q（S）：

操纵变量Y（S）：

被控变量F（S）：

扰动信号5n各环节的增益有正、负之别各环节的增益有正、负之别：

控制器：

正作用时（系统测量值增加时输出也增加）增益为“负”反作用时（系统测量值增加时输出减小）增益为“正”控制阀：

气开阀增益为“正”，气闭阀增益为“负”变送器：

一般为“正”控制对象：

根据操纵变量Q（S）的变化引起被控变量Y（S）的变化来确定Q（S）Y（S）增益为“正”,反之为“负”3.1.1单回路控制系统组成结构整个系统必须是一个负反馈系统，因此自整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R（S）至至X（S）的各个环节增益的乘积必的各个环节增益的乘积必须是正值。

须是正值。

Gc（s）Gm（s）Gv（s）Go（s）Gf（s）+-+R（S）E（S）U（S）Q（S）Y（S）F（S）X（S）63.1.1单回路控制系统组成结构控制阀开、闭形式：

控制阀开、闭形式：

气关气开控制阀流量特性：

控制阀流量特性：

控制阀控制阀3.1.2控制方案设计7喷雾式干燥设备控制系统设计喷雾式干燥设备控制系统设计牛奶类乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺流程图被控变量被控变量和操作变量操作变量选择谁？

控制阀控制阀如何选择？

如何进行控制控制？

测量变送装置测量变送装置如何选择？

乳液由高位槽输出，流经过滤器进入干燥器顶部，从喷嘴喷出。

冷空气由鼓风机引入并分成两路，一路送至换热器（用蒸汽加热）后与另一路混合，经风管进入干燥器。

热空气蒸发雾态乳液中的水分，成为奶粉，并随湿空气一起送出进行分离。

干燥后产品的水分含量不能波动太大！

干燥后产品的水分含量不能波动太大！

3.1.2控制方案设计8前提：

充分了解具体的生产工艺过程和控制要求正确选择被控变量被控变量和操作变量操作变量正确选择控制阀控制阀的开闭型式及其流量特性正确选择控制器控制器的类型及其正反作用正确选择测量变送测量变送装置深入研究其特性对系统控制质量的影响情况的重要性基本原则基本原则:

安全性、稳定性、经济性安全性、稳定性、经济性一、被控参数的选择一、被控参数的选择93.1.2控制方案设计被控参数的选择1、直接指标控制、直接指标控制选择易于测量，且能直接反映生产过程中质量、产量、安全性的物理量。

对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，一般就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。

2、间接、间接指标控制指标控制对于选择质量指标作为被控变量，若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标间接的指标、作为被控变量。

该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系，并具有一定的变化灵敏度。

二、控制变量（或称操纵变量）的选择二、控制变量（或称操纵变量）的选择10

（1）具有）具有可控性、可操作性和经济性可控性、可操作性和经济性。

一般选择物料流或能量流。

一般选择物料流或能量流。

（2）综合考虑控制通道和干扰通道对控制质量的影响。

）综合考虑控制通道和干扰通道对控制质量的影响。

3.1.2控制方案设计控制变量的选择考虑考虑11：

控制通道的放大系数要大一些，扰动通道放大系数尽量小。

：

控制通道的放大系数要大一些，扰动通道放大系数尽量小。

11被控量Y（s）对F（s）的闭环控制传递为：

3.1.2控制方案设计控制变量的选择根据终值定理，在阶跃干扰引起的系统余差为控制通道的放大系数控制通道的放大系数K0要要大些大些，但K0过大易使系统不稳定。

干扰通道放大系数干扰通道放大系数Kf越小越小越好越好。

12考虑考虑22：

注意控制通道：

注意控制通道动态特性对控制系统的影响动态特性对控制系统的影响。

1.控制通道时间常数的影响：

控制通道时间常数的影响：

控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了调节器的校正作用克服扰动对被控量影响的快慢：

时间常数越大，控制器对被控量的作用越弱，控制越不及时；时间常数过小，调节过于灵敏，调节阀频繁开大关小，容易引起振荡。

所以在系统设计时，要求控制通道时间常数适当小一点控制通道时间常数适当小一点，使其校正及时，又能获得较好的控制影响。

3.1.2控制方案设计控制变量的选择13考虑考虑22：

注意控制通道：

注意控制通道动态特性对控制系统的影响动态特性对控制系统的影响。

2.多容广义对象时间常数匹配的影响多容广义对象时间常数匹配的影响:

广义被控过程中的几个时间常广义被控过程中的几个时间常数数尽可能错开，尽可能错开，可提高系统的工作频率，减小过渡时间和最大偏差。

参数参数T1T2T3KmaxoKmaxo原始数据105212.60.415.2减小T15529.80.494.8减小T2102.5213.50.547.3减小T3102.5119.80.5711.2加大T1205219.20.377.1减小T2T3102.5119.30.7414.23.1.2控制方案设计控制变量的选择14考虑考虑33：

注意扰动通道：

注意扰动通道动态特性对控制系统的影响动态特性对控制系统的影响。

1.扰动通道时间常数的影响扰动通道时间常数的影响:

时间常数时间常数尽可能大一些。

尽可能大一些。

被控量对扰动的闭环传递函数为设扰动通道为一个单容过程，其传递函数为，则有过渡过程的幅值减小Tf倍，从而使其超调量减小。

扰动通道的时间常数越大，则扰动对被控量的影响也越小，控制质量也越好。

3.1.2控制方案设计控制变量的选择15考虑考虑33：

注意扰动通道：

注意扰动通道动态特性对控制系统的影响动态特性对控制系统的影响。

2.扰动作用点位置的影响扰动作用点位置的影响:

扰动引入系统的位置尽可能远离被控量扰动引入系统的位置尽可能远离被控量。

设三个水箱均为一阶惯性环节，它对扰动f起着滤波作用，所以扰动引入系统的位置离被控量越近，则对其影响越大；相反，扰动离被控量越远（如f1要通过三个串联的一阶惯性环节）时，则对其影响越小。

3.1.2控制方案设计控制变量的选择163.1.2控制方案设计控制变量的选择17喷雾式干燥设备控制系统设计喷雾式干燥设备控制系统设计牛奶类乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺流程图被控变量被控变量和操作变量操作变量选择谁？

控制阀控制阀如何选择？

如何进行控制控制？

测量变送装置测量变送装置如何选择？

乳液由高位槽输出，流经过滤器进入干燥器顶部，从喷嘴喷出。

冷空气由鼓风机引入并分成两路，一路送至换热器（用蒸汽加热）后与另一路混合，经风管进入干燥器。

热空气蒸发乳液中的水分，成为奶粉，并随湿空气一起由底部送出进行分离。

干燥后产品的水分含量不能波动太大！

干燥后产品的水分含量不能波动太大！

3.1.2控制方案设计工程设计实例183.1.2控制方案设计工程设计实例1.1.被控量与控制量选择被控量与控制量选择1）被控量选择根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。

考虑到水分测量困难，故选用干燥温度为选用干燥温度为被控参数被控参数，它与水分一一对应，将温度控制在一定数值上。

2）控制量选择综合考虑控制系统稳态和动态品质，选择旁路空气量为选择旁路空气量为控制量控制量1922过程检测、控制设备的选用过程检测、控制设备的选用（11）测温元件及变送器）测温元件及变送器被控温度在600以下，选用Pt100热电阻温度计。

为提高检测精度，应用三线制接法。

（22）调节阀）调节阀根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气关形式。

根据过程特性与控制要求选用等百分比流量特性的调节阀。

（33）调节器）调节器根据生产工艺要求，选用带热电阻三线制输入的数字式调节器。

根据过程特性与工艺要求，可选用PI或PID控制规律。

基于负反馈原则，由于选用调节阀为气关式，故Kv为负；当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故K0为负；测量变送器的Km通常为正。

为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的Kc应为正，故选用反作用调节器。

3.1.2控制方案设计工程设计实例203.1.3PID参数的整定评价控制性能指标要根据生产过程对控制的要求来制定，可概括为评价控制性能指标要根据生产过程对控制的要求来制定，可概括为稳定性稳定性、准确性准确性和和快速性快速性，这三方面的要求在时域上体现为若干性能指标。

，这三方面的要求在时域上体现为若干性能指标。

下图是闭环控制系统在设定值扰动下的被控量阶跃响应，该曲线的形态可以下图是闭环控制系统在设定值扰动下的被控量阶跃响应，该曲线的形态可以用一系列指标描述，它们是衰减率、超调量、残余偏差、调节时间、振荡频率等。

用一系列指标描述，它们是衰减率、超调量、残余偏差、调节时间、振荡频率等。

衰减率超调量213.1.3PID参数的整定PIDPID控制一直是应用最为广泛的控制规律。

虽然近控制一直是应用最为广泛的控制规律。

虽然近3030年来随着计算机应用的年来随着计算机应用的普及，一批复杂的只有计算机才能完成的控制算法在过程控制系统中得以推广普及，一批复杂的只有计算机才能完成的控制算法在过程控制系统中得以推广应用，但应用，但PIDPID仍然是应用最广泛的控制算法。

仍然是应用最广泛的控制算法。

模拟PID控制算式：

数字PID控制算式（位置型）：

223.1.3PID参数的整定数字PID控制算式（增量型）：

式中比例增益，；积分增益，；微分增益，。

增量型PID仅仅是计算方法上的改进，并没有改变位置型PID的本质。

如果只输出式的增量，那么必须采用具有保持历史位置功能的执行机构。

比如用步进电动机作为执行机构时，应将变换成驱动脉冲，驱动步进电动机从历史位置正转或反转若干度。

比例度比例度（工程整定时常用）233.1.3PID参数的整定PIDPID参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，理论计算整定法理论计算整定法与与工程整定法工程整定法。

理论计算整定法理论计算整定法是在已知过程的数学模型基础上，依据控制理论，是在已知过程的数学模型基础上，依据控制理论，通过理论计算来求取通过理论计算来求取“最佳整定参数最佳整定参数”；工程整定法工程整定法是根据工程经验，直接在过程控制系统中进行的调节器是根据工程经验，直接在过程控制系统中进行的调节器参数整定方法。

参数整定方法。

由于理论计算整定法，如根轨迹法、频率特性法等在自动控制原理课由于理论计算整定法，如根轨迹法、频率特性法等在自动控制原理课程中已作了较深入的讨论，因此仅给出几种常用的工程整定方法。

程中已作了较深入的讨论，因此仅给出几种常用的工程整定方法。

243.1.3PID参数的整定临界比例度法（稳定边界法）临界比例度法（稳定边界法）纯比例作用，调整比例度，过渡过程曲线为纯比例作用，调整比例度，过渡过程曲线为等幅振荡曲线等幅振荡曲线。

衰减曲线法衰减曲线法纯比例作用，调整比例度，过渡过程曲线为衰减比纯比例作用，调整比例度，过渡过程曲线为衰减比44：

11。

经验试凑法经验试凑法先比例、后积分、再微分，使先比例、后积分、再微分，使过渡过程曲线为最佳。

过渡过程曲线为最佳。

响应曲线法响应曲线法由广义对象阶跃响应曲线，确定对象的由广义对象阶跃响应曲线，确定对象的，再由，再由整定公式计算整定公式计算临界比例度法（稳定边界法）临界比例度法（稳定边界法）整定步骤整定步骤253.1.3PID参数的整定l解：

解：

比例比例控制器控制器l=2=2KK=2=