简单过程控制系统--单回路控制系统的工程设计PPT资料.ppt

1、首首先先应应对对被被控控过过程程做做全全面面了了解解，对对工工艺过程、设备等做深入的分析；艺过程、设备等做深入的分析；然然后后应应用用自自动动控控制制原原理理与与技技术术，拟拟定定一一个个合合理理正正确确的的控控制制方方案案，选选择择合合适适的的检检测测变变送送器器、控控制制（调调节节）器器、执执行行器器，从从而而达达到到保保证证产产品品质质量量、提提高高产产品品产产量量、降降耗耗节能、保护环境和提高管理水平等目的。节能、保护环境和提高管理水平等目的。本本节节介介绍绍过过程程控控制制系系统统设设计计中中的的一一些些共共性性的原则。的原则。一、对过程控制系统设计的一般要求一、对过程控制系统设计的

2、一般要求 安安全全性性：最最重重要要也也是是最最基基本本的的要要求求。通通常常采采用用参参数数越越限限报报警警、事事故故报报警警、联联锁保护等措施加以保证。锁保护等措施加以保证。稳稳定定性性：绝绝对对稳稳定定、稳稳定定裕裕量量、良良好好的的动动态态响响应应特特性性（过过渡渡过过程程时时间间短短，稳稳态误差小等态误差小等）。经经济济性性：提提高高产产品品质质量量、产产量量的的同同时时，降降耗耗节节能能，提提高高经经济济效效益益与与社社会会效效益。采用先进的控制手段，优化控制。益。在在工工程程上上，以以上上要要求求往往往往相相互互矛矛盾盾。因因此此在在设设计计时时，应应根根据据实实际际情情况况，分

3、分清清主主次次，以以保保证证满满足足最最重重要要的的质质量量、指指标标要求并留有余地。要求并留有余地。过程程控控制制系系统的的品品质由由组成成系系统的的结构构和和各各个个环节的的特特性性所所决决定定。因因此此对于于过程程控控制制系系统设计者者来来说除除了了掌掌握握自自动控控制制理理论、计算算机机、仪器器、仪表表知知识外外，还要要十十分分熟熟悉悉生生产过程程的的工工艺流流程程，从从控控制制的的角角度度理理解解它它的的静静态与与动态特特性性，并并能能针对不不同同被被控控过程程、不不同同的的生生产工工艺控制要求，控制要求，设计不同的控制系不同的控制系统。例：热交交换过程：程：过程特性复程特性复杂，时

4、延明延明显 液位液位过程：时间常数有大有小常数有大有小 燃燃烧过程：燃料不一（煤、油、气等）燃料不一（煤、油、气等）二、过程控制系统设计步骤二、过程控制系统设计步骤 过程控制系统的设计，从任务的提出过程控制系统的设计，从任务的提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过践，再从实践到理论设计的多次反复的过程，往往要多次用试探法和综合法并借助程，往往要多次用试探法和综合法并借助计算机来模拟仿真。计算机来模拟仿真。1建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型 只只有有掌掌握握了了（深深入入了了解解了了）过过程程的的数数学学模模型

5、型，才才能能深深入入分分析析过过程程的的特特性性和和选选择择正正确的控制方案。确的控制方案。2选择控制方案选择控制方案 根根据据设设计计任任务务和和技技术术指指标标要要求求，经经过过调调查查研研究究，综综合合考考虑虑安安全全性性、稳稳定定性性、经经济济性性和和技技求求实实施施的的可可行行性性、简简单单性性，进进行行反复比较，选择合理的控制方案。反复比较，选择合理的控制方案。过过程程方方案案初初步步确确定定后后，应应用用控控制制理理论论并并借借助助计计算算机机辅辅助助分分析析进进行行系系统统静静态态、动动态态持持性性分分析析计计算算，判判定定系系统统的的稳稳定定性性、过过渡渡过过程程等等特特性性

6、是是否否满满足足系系统统的的品品质质指指标要求。标要求。3.控制设备选型控制设备选型 根根据据控控制制方方案案和和过过程程特特性性、工工艺艺要要求求，选选择择合合适适的的测测量量、变变送送器器、控控制制器器（控制规律控制规律）、执行器、执行器（调节阀调节阀）等。等。4.实验实验（和仿真和仿真）有有些些在在系系统统设设计计过过程程中中难难以以考考虑虑的的因因素素，可可以以在在实实验验中中考考虑虑，同同时时通通过过实实验验可可以以检检验验系系统统设设计计的的正正确确性性，以以及及系系统的性能。统的性能。控制方案设计控制方案设计：系统设计的核心系统设计的核心。若控制。若控制方案设计不正确，则无论选用

7、何种先进的方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过程中细心，都不可能使系统在工业生产过程中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。发挥良好的作用，甚至系统不能运行。工程设计工程设计：包括仪表或计算机系统选型、：包括仪表或计算机系统选型、控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。统设计、信号及联锁保护系统设计等。工程安装和仪表调校工程安装和仪表调校调节器参数整定调节器参数整定三、过程系统设计的主要内容三、过程系统设计的主要内容四、系统设计中

8、的若干问题四、系统设计中的若干问题1越限报警与联锁保护越限报警与联锁保护 例例：加加热热炉炉热热油油出出口口温温度度的的设设定定值值为为300，工工艺艺要要求求其其高高、低低限限分分别别为为305和和295。例例：加加热热炉炉运运行行中中出出现现严严重重故故障障必必须须紧紧急急停停止止运运行行时时，应应立立即即先先停停燃燃油油泵泵，然然后后关关掉掉燃燃油油阀阀，经经过过一一定定时时间间后后，停停止止引引风机，最后再切断热油阀。风机，最后再切断热油阀。2其它系统安全保护对策其它系统安全保护对策 危危险险环环境境条条件件（如如高高温温、高高压压、易易燃燃、易易爆爆、强强腐腐蚀蚀等等）下下，还还必必

9、须须采采取取相相应应的的安安全全保保护护对对策策，如如采采用用系系统统可可靠靠性性设设计计，选选用用本本质质安安全全防防爆爆防防腐腐、防防爆爆结结构构材材料料）的仪器仪表及装置等。的仪器仪表及装置等。第二节第二节 控制方案设计控制方案设计 单回路系统单回路系统（图图31）控制方案设计包括：控制方案设计包括：合理选择系统合理选择系统性能指标性能指标合理选择合理选择被控参数被控参数Y（s）和控制参数和控制参数Q（s）合理设计合理设计（选择选择）控制控制（调节调节）规律规律Wc（s）被被控控参参数数的的测测量量与与变变送送Wm（s）、执执行行器器（调调节阀节阀）Wv（s）的选择的选择 被被控控过过程

10、程总总是是不不时时受受到到各各种种外外来来干干扰扰的的影影响响，即即系系统统经经常常处处于于动动态态过过渡渡过过程程，因因而而评评价价一一个个过过程程控控制制系系统统的的性性能能、质质量量，主主要要看看它它在在受受到到外外来来扰扰动动作作用用或或给给定定值值发发生生变变化化后后，能能否否迅迅速速地地、准准确确地地且且平平稳稳地地（而而不不是是剧剧烈烈振振荡荡地地）回回复复（或或趋趋近近）到到原原（或或新新）给定值上。给定值上。（一一）系统阶跃响应性能指标系统阶跃响应性能指标 1余差余差（静态偏差静态偏差）C （静态指标静态指标）指指系系统统过过渡渡过过程程终终了了时时，给给定定值值与与稳稳态态

11、值值之之差差。一一般般要要求求余余差差为为零零或或不不超超过过预预定值。定值。一、过程控制系统的性能指标一、过程控制系统的性能指标2衰减率衰减率：（动态指标动态指标）反映系统的稳定程度，应根据生产过反映系统的稳定程度，应根据生产过程的特点来确定适宜的程的特点来确定适宜的值，一般取值，一般取0.750.9。（衰减比。（衰减比4:110:1）3最大偏差最大偏差A（或超调量或超调量）定值系统的最大偏差是指被控参数第定值系统的最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值的差；随动系统通常一个波峰值与给定值的差；随动系统通常采用超调量指标，即采用超调量指标，即4过渡过程时间过渡过程时间ts 指系统从受扰动作

12、用时起，到被控参指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳态值数进入新的稳态值5%（2%）的范围内所的范围内所经历的时间。经历的时间。（快速性指标快速性指标）上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾。顾。（二二）偏差积分性能指标偏差积分性能指标 以目标函数形式表示，属于综合指标。以目标函数形式表示，属于综合指标。1.偏差绝对值积分偏差绝对值积分（IAE-Integral of Absolute Error）适用于衰减和无静差系统。适用于衰减和无静差系统。2.偏差绝对值与时间乘积的

13、积分偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE）3偏差平方值积分偏差平方值积分（ISE）4时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分（ITSE）不不同同的的积积分分性性能能指指标标对对动动态态过过渡渡过过程程的的要要求求侧侧重重点点不不同同。例例如如ISE着着重重于于抑抑制制过过渡渡过过程程中中的的大大误误差差，而而ITAE和和ITSE则则着着重重惩惩罚罚过过渡渡过过程程时时间间拖拖得得太太长长，被被广广泛泛应应用用于于最最优优化化分分析析和和设设计计中中，其其中中ITSE兼兼顾顾抑抑制过程中的大误差。制过程中的大误差。二、被控参数二、被控参数（被控变量、被控量被控变量、被控量）的选的选择择 对对于于一一

14、个个生生产产过过程程，影影响响操操作作的的因因素素很很多多，但但并并非非对对所所有有影影响响因因素素都都需需加加以以控控制制。而而必必须须根根据据工工艺艺要要求求，深深入入分分析析工工艺艺过过程程，找找出出对对产产品品的的产产量量和和质质量量、安安全全生生产产、经经济济运运行行、环环境境保保护护等等具具有有决决定定性性作作用用，能能较较好好反反映映工工艺艺生生产产状状态态变变化化的的参参数数（这这些些参参数数又又是是人人工工控控制制难难以以满满足足要要求求，或或操操作作十十分分紧紧张张、劳劳动动强强度度很很大大，客客观观上上要要求求进进行行自自动动控控制制的的参参数数）作为被控参数。作为被控参数。当当选选择择直直接接参参数数有有困困难难