传统控制原理及控制要求ppt课件.ppt

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1、传统控制原理及控制要求,（工艺人员）,本课程内容,1、过程控制系统的定义、任务和发展过程2、简单控制系统的回路分析3、石化装置常用控制规律4、执行器5、典型化工单元的控制规律,1、过程控制系统的定义、任务和发展过程,1.1 基本概念自动控制：无人参与 利用控制装置、生产机器、设备、生产过程使表征其工作状态的物理参数（状态变量PV）尽可能接近人们的期望值（设定值SV）的过程。过程控制：采用自动控制方式对生产过程的某一些物理参数进行控制过程控制系统：为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体。1.2 石油化工生产过程控制特点被控对象的多样性对象

2、存在滞后（多较大滞后，对控制不利）对象特性的非线性控制系统的复杂性1.3控制目的保障生产过程的平稳和安全，达到预期的产量和质量，尽可能减少原材料和能源消耗，把生产对环境的影响降低到最小程度。,1.4自动控制理论的发展与趋势40年代： 控制理论开始形成 20世纪，上半叶三大伟绩之一30年代第一代控制理论 主要特点：稳定性 微分方程解析第二代控制理论：二次大战：Nyquist(1932)稳定判据，Bode频域分析法和稳定判据，Evans根轨迹。重要成果是PID控制规律，目前还是主流，适用于线性定常、SISO对象50年代复杂控制系统发展 QDZ和DDZ成为主流60年代现代控制理论迅猛发展：状态空间、

3、最小值原理、动态规划等最优控制理论，在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统设计方法宣告了时域方法的完成。70年代逐步发展形成大系统理论。系统的分解与协调，多级递阶优化与控制。对其他复杂控制系统仍然束手无策。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统：基于知识的专家系统，人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制,1.5过程控制系统的发展趋势50年代:基地式控制阶段 特点：一般的机械与电子原件 局部、分散、局限于单回路60年代:单元组合仪表自动化阶段 自动控制系统按功能分成若干单元 电动和气动适当组合 标准统一信号联系20-60kpaDDZ-II 0-10mA,DDZ-III 4

4、-20mA(电阻损失，断线监视），控制策略PID控制和复杂控制系统（串级、均匀、比值、前馈和选择性控制）70年代:计算机控制的初级阶段 直接数字控制DDCDCS控制，在硬件上的分散化，数据显示、实施监督等功能集中化，有利于安全平稳生产 简单PID为主，复杂控制算法80年代以后：二级优化控制，在DCS的基础上实现先进控制和优化控制 计算机和网络技术的推动，DCS开放式系统，多层次计算机网络构成的掌控一体化系统CIPS Fildbus FCS CIMS TPS PKS*PLC,ESD,SIS基于继电保护和计算机技术，长于数字量运算,2、简单控制系统回路分析,重点：自动控制系统组成和分类自动控制系统

5、的性能要求常规控制系统的基本规律,2.1 控制系统的一般结构,2.1.1人工控制的过程：目标眼睛 大脑指令改变眼睛。平衡-结束自动控制过程：检测仪表和自动控制装置代替人工控制开环控制系统 闭环控制系统2.1.2反馈：正反馈：正反馈对放大器来说一般起坏的作用：使放大器的工作频带变窄、稳定性变差、噪声增大、产生自激只有在早期的再生式收音机中，能使收音机的灵敏度提高，有过应用。负反馈：工程应用非常广泛，目前常用的PID控制，以及一些带有自稳特性的过程都带有负反馈,控制器,执行器,被控对象,设定值,设定值,设定值,控制器,设定值,控制器,设定值,执行器,控制器,执行器,控制器,被控对象,执行器,设定值

6、,控制器,设定值,控制器,执行器,设定值,控制器,被控对象,执行器,设定值,控制器,设定值,控制器,设定值,控制器,设定值,执行器,控制器,设定值,执行器,控制器,设定值,被控对象,执行器,控制器,设定值,被控对象,执行器,控制器,设定值,设定值,控制器,设定值,控制器,设定值,执行器,控制器,设定值,执行器,控制器,设定值,被控对象,执行器,控制器,测量反馈,干扰,2.1.3自动控制系统组成,控制装置,执行器,被控对象,检测元件、变送器,设定值x(t),+,e(t),u(t),q(t),y(t),扰动f(t),测量值z(t),通用的自动控制系统原理方框图,被控对象：也称被控过程，是指被控制的

7、生产设备或装置检测变送单元：检测元件和变送器，测量被控变量，并按照标准信号输出控制器：调节器，就是u(t) 和e(t)之间某种预定的控制规律执行器：接受控制器送来的控制信号u(t)，直接改变操作变量q(t),2.1.4自动控制系统分类,1、定值控制系统:设定值保持不变的反馈控制系统，扰动是被控变量偏离设定值的主要因素，我们常用的就是此类控制系统。2、随动控制系统：也称跟踪控制系统，设定值不断变化，时间的未知函数，并且要求系统的输出随之变化。如雷达跟踪系统，内燃机空气随油料进料的控制等。3、程序控制系统：系统的设定值是根据过程的需要而按照某种预定规律变化，是一个已知的时间函数。自动控制的目的是使

8、被控量以一定的精度、按规定时间程序变化。主要用来实现对周期作业的工艺设备的控制。应用于间歇式反应器的温度控制、也冶金工业中退火炉、数控机床等。,2.1.5控制系统的稳态性能指标,过渡过程：稳定状态下的过程控制系统，当输入（扰动或设定值）发生变化后，被控变量（输出）发生变化的过程。平衡状态-平衡状态。静态特性：控制系统中被控变量不随时间变化的平衡状态，也称稳态。动态特性：在控制系统中，被控变量随时间变化的的不平衡状态称为系统的动态。输出随输入变化的关系称为环节的动态特性。动态与静态的关系：平衡和静态时暂时的，相对的，有条件的。不平衡和动态才是普遍的，绝对的，无条件的。扰动总是不断的产生，控制作用

9、也在不断地克服扰动对系统的影响。使系统状态恢复到设定值上。对控制指标的基本要求：控制系统对被控变量提出的控制要求基本相同，虽然在控制过程中包含动态和静态两个方面的要求，一般归纳为：（1）稳定性（2）快速性（3）精确性*稳快准往往是相互制约的，过分强调稳定，会导致反映迟缓，控制精度降低。过分强调系统响应的快速性，则会导致震荡加剧，甚至引起不稳定。,（1）稳定性：是保证系统正常工作的首要条件，是指系统受到外来作用后，其动态过程的震荡倾向和系统恢复平衡的能力。线性定常系统的稳定性是由系统的系统结构和参数决定的，与外界因素无关。（2）快速性：就是动态过程持续的长短，表明了系统输出对输入响应的快慢程度。

10、（3）精确性：理想情况下，当过渡结束后，被控变量的达到的稳定值应与设定值一致。但实际上由于系统结构、外来作用的形式等非线性因素的存在，被控变量的稳态值与设定值之间会有误差存在，称为稳态误差。它是衡量控制系统系统静态控制精度的主要标志，一般在技术指标中有具体要求。,1,1/4,e,t,几种过渡过程,震荡发散,等幅震荡,单调发散,震荡衰减,单调衰减,2.1.6 单项性能指标,衰减比n:过渡过程曲线上相邻同方向两个波峰的幅值之比。 n1 震荡衰减 超调量和最大偏差emax:反映系统在控制过程中被控变量偏离参比变量的程度，是衡量过程动态精确度（准确性）的动态指标。随动控制系统中 =B/y() 100%

11、，B为最大振幅。在定值控制系统中，最终稳态值很小或趋近于零，使用emax表示。恢复时间Ts：过渡过程时间，控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从过渡过程开始进入到稳态值附近5%或2%范围内并不再超出此范围所需要的时间。（震荡频率=2/T,在衰减比一定的情况下也可表示过快速性）余差e()：又称残余偏差或静差，最终稳态偏差，反映系统最终稳态精确性。过渡过程终了时，设定值与新稳态值之差。综合性能指标：又称为偏差的积分性能指标，常用于分析系统的动态响应性能。（APC常用来做约束条件）,2.2控制系统的数学模型,2.2.1传递函数 数学模型：描述系统（或环节）在动态过程中的输出变量与输入变量之间关系的数

12、学表达式。广泛用于控制系统的设计、分析和新型控制系统的开发和研究。 建立方法:理论分析法 实验测试法 有多种表示形式：时域分析常用的是微分方程式、传递函数和系统方框图等。 在过程控制中，可以用微分方程来表示系统各环节的动态特性，但是微分方程在运算过程中复杂，所以习惯于用传递函数和系统方框图来表示系统各环节的动态特性。 线性定常系统：微分方程的系数不是时间变量的函数。 传递函数：在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换式与输入量的拉普拉斯变换式之比。,传递函数是经拉氏变换导出的，拉氏变换是一种线性积分运算，因此传递函数的概念只适用于线性定常系统。传递函数是在零初始条件下定义的，因而不能反

13、映非零初始条件下系统的运动过程，是有很大的局限性。传递函数仅取决于系统的结构和参数，而与系统的输入量扰动量等外部因素无关。他表示系统的固有特性，是一种在复数域描述系统的数学模型传递函数只表明一个特定的输入、输出关系，同一系统，取不同变量作为输出，以设定值或不同位置的扰动为输入，传递函数将各不相同。由微分方程变化而来，和微分方程存在一一对应的关系，是唯一的。,控制器是控制系统的心脏，其作用是将变送信号的测量值与设定值相比较产生偏差信号，并按一定的运算规律产生输出信号，送往执行器。控制规律：来源于人工操作规律，是在模仿、总结人工操作经验的基础上发展起来的，是输出信号与输入信号随时间变化的规律。,控

14、制器的输入信号是经比较后的设定值和测量值的偏差信号。输出信号是经过控制规律运算的控制信号。在研究控制器的控制规律时，一般将控制器从控制系统中断开，即只在系统开环时单独研究控制器本身的特性。在控制器输入端加入一个阶跃信号，相当于突然出现某一个偏差，然后分析分析系统输出在这种激励下的随时间的变化规律。实际表征控制器的动态特性。,控制器,执行器,控制通道,扰动通道,被控对象,反馈变送器,e(t),Sv,-Pv,Mv,2.2.2 双位式控制,双位式控制是位式控制的最简单形式，理想的双位式控制的输出和输入的关系是：,u,e,umax,umin,umax,u,umin,umax,e,实际双位式控制特性,理

15、想双位式控制特性,V,J,L0,理想双位式控制容易产生动荡，开关频繁动作，容易产生故障，设备寿命低。优点：结构简单 易于实现 成本低缺点：控制精度低 易对下游产生冲击流量,2.2.3比例环节,积分作用对系统的影响不仅取决于偏差的大小，还和偏差存在的时间有关。比例增益KC是输出变化量u(t)与输入变化量 e(t)之比，其值可调，在e(t)不变的情况下， KC越大，比例控制作用越强。,减小,减小,t,Y(t),Y(0),扰动作用,设定作用,比力度：工业上习惯用比力度来表示比例作用的强弱，它是控制器输入信号的变化相对值与输出的变化相对值之比的百分数。定义式为：,比力度要使输出全范围变化，输入必须改变

16、全量程的百分之几，单元组合仪表中，u=x比例度与比例增益Kc成反比， 越小，则 Kc 越大，比例控制作用越强，越大，Kc越小，比例作用就越弱。比例度对控制过程的影响：（1）余差 （2）对系统稳定性的影响 （3）对系统过渡过程的影响 （4）对系统最大偏差的影响工业过程中比例度的大致取值范围：压力控制系统：30%70% 流量控制系统：20%100%液位控制系统：20%80% 温度控制系统：20%60%比例作用通常适用于扰动幅度较小，负荷变化不大，过程时滞较小，控制要求不高的场合。,2.2.3积分环节,积分的重要作用就是能够消除余差，输出在偏差钢出现时较小，然后逐渐增大，所以作用比较缓慢，总是滞后于

17、偏差的存在，不能及时有效地克服扰动的影响，致使被控变量的动态偏差增大，控制过程拖长，时滞使系统难以稳定。,e(t),t,t,y(t),在工业生产中积分控制规律极少单独使用。,2.2.4微分环节,控制器的微分控制规律指其输出信号的变化量u与偏差信号的变化速度成正比。,e(t),t,Y(t),理想特性,实际特性,TD反映微分作用的强弱。它反映偏差变化的强弱，只在偏差出现的那一刻起作用，而与偏差是否存在无关，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，有超前控制之称。当偏差不变的时候，理想输出为0，但是现场往往不是这样，实际特性曲线如图所示。在实际运用中，微分控制极少单独使用。思考：在实际的PI

18、D控制中，微分作用的输出值究竟是怎样表现出来的呢？在存有噪声的系统中有何表现？,2.2.5组合式PI、PID控制比例积分控制规律是比例作用和微分作用的叠加。,PI控制规律在化工生产经常使用，在比例作用中加入微分信号，能够保证消除偏差的快速性，积分作用消除余差，但系统的稳定性降低。若要保持系统原有的衰减比，必须加大控制器的比例度。因此，若果余差不是系统控制的主要指标，可以仅使用比例控制。由于PI控制器兼有比例和积分控制的优点，有比例度和积分时间两个参数可以选择，因此使用范围较宽，多数系统可以采用。只有在过程的容量滞后大，时间常数大，或负荷变化较剧烈时，由于积分作用迟缓，系统的控制指标不能满足工艺

19、要求，才考虑加入微分作用。思考：为何加入积分作用，消除偏差会比纯比例控制慢？工业过程常用回路的积分时间为：压力控制系统：0.33min 流量控制系统： 0.11min 液位控制系统： 310min 温度控制系统： 不需要积分,2.PD控制,PD控制极少应用于系统控制中，仅有理论讨论的价值。,3、PID调节器,在阶跃偏差的作用下，比例和微分作用使输出先跳到最大值，然后逐渐下降，比例和微分共同作用下又开始上升，比例全过程作用，微分前期作用，积分后期作用消除余差。,PID控制规律时工业过程生产中最常用的控制规律，是历史最久，应用最广、适应性最强的控制规律，在常规过程控制系统中所占比例约85%-90%

20、。在计算机技术高度发展的今天，仍是主要控制算法。 PID控制器集中了三种控制作用，综合里各种控制作用的优点，既能快速进行控制，又可以消除偏差，根据变化量实现超前动作，具有良好的控制性能。但这并不意味着它在任何情况下都是最合适的，必须根据具体的过程特性和工艺要求选择最合适的控制规律。 工业过程常用的控制规律：（1）液位：一般要求不高，选用P或PI控制规律。（2）流量：时间常数小，测量信息中夹杂有噪音，用PI或加入反微分控制规律（KD1）。（3）压力：液体介质的时间常数小，气体介质的时间常数中等，选用P或PI控制规律。（4）温度和成分分析：容量滞后较大，易用PID控制规律。微分时间TD对系统控制质

21、量的影响：在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，可提高系统的控制质量。微分过强或测量系统中有显著的噪声，则会产生过调，引起系统震荡，不宜采用。,2.2.2增量式算法,典型PID的微分方程是：,在上面单独分析控制环节的性能时，大家应注意到每个环节的输出后面均带有原输出u(0)。思考：如何在计算机程序中实现积分和微分运算？在模拟电路中实现积分运算较简单。而在计算机程序中，经过数据采样，得到的数据是离散化的数据，每采样周期一个。作为积分需要累积所有过程中的数据，若是如此，运行中需要不断增加数据，对存储空间的要求也很大。,常用有位置式和增量式，位置式需要累积执行机构的位置U(k)和e

22、(k),不易实现。,积分饱和,控制器的输出为0-100%，有上下限值。若在某工况下，控制器工作在此值附近，若出现一较大偏差，u(t)=控制器输出+u(0),此时，会有超出极限值的输出出现。在某些特殊情况下（开车投用、千年虫）等情况下，也会出现u(0)短缺的情况。（实际应用中，计算机所使用的不是这个值，有数个历史参数，包含香农采样定理、数据的离散化、增量算法等内容）。必须采取防积分饱和措施。PI-P控制规律：当控制器输出在某一范围内时，选用比例积分控制作用，消除余差。而在边缘附近时，采用比例作用，防止出现积分饱和。积分时间TI选用范围：压力控制系统：0.33min 流量控制系统： 0.11min

23、 液位控制系统： 310min 温度控制系统： 不需要积分,3、石化装置常用复杂控制规律,串级控制系统前馈控制系统比值控制系统均匀控制系统分程控制系统选择性控制,3.1 选择性控制,这是加热炉出口温度选择控制方案。TI202A、B为两个不同部位的测温点，经SWT202I切换开关根据不同的工艺要求进行选择。再经PID模块运算后，根据不同的工况分别由切换开关SWT202A、B、C选择控制不同的三路调节阀。三路调节阀TV202A、B、C分别为燃料油，燃料气和渣油。最终达到控制温度的目的。 其控制流程图（见图二十）： 实际使用中需注意：SWT202I为开关模块即SWICH块，而SWT202A、B、C分

24、别为三个手/自动模块即AUTOMAN块。投用时SWT202I选X1为TI202A，选X2为TI202B，SWT202I正常操作方式应选CAS。 SWT202A、B、C操作方式置为A，表示TV202与PID联通。正常使用时只需PID与三个阀中的一个相联，没有参与PID控制的另两个阀，其SWT202置M方式。M方式下可以手动遥控。,3.2比值控制,该控制回路在FY10流程图上。FIC102为提升管反应器的进料，FIC104为汽提蒸汽。工艺要求FIC104与FIC102成比率控制。比值为0.05。,图中所示：FI104输出分两路，一路做为控制模块FIC104的测量值PV2，另一路X2经比率模块RAT

25、IOCTL滤波后变成X2FILT，送到计算模块CALCULATOR的P2端。计算模块的P1联接FI102的测量值PV1。 计算模块CALCULATOR主要用来做比值运算P1/P2，运算结果PV送比率模块RATIOCTL作为测量值，比率系数的设定值由比率模块RATIOCTL的SP设定。比率模块RATIOCTL的输出值作为控制模块FIC104的设定值SP2。 投用时，比率控制方式下：FIC102、RAT10CTL两个模块的控制方式为“自动”即A方式；FIC104控制方式为“串级”即CAS方式。 FIC102、104也可分别单独实现“自动”或“手动”方式。这时只需将RAT10CTL控制方式置为“手动

26、”， FIC102、104置为“自动”或“手动”即可。,3.3串级控制系统,分馏塔底液面控制系统，根据工艺要求设计成不同工况下不同控制方案的组合。方案如下： 液位控制主回路LICA203或LICA208，与副回路FIC204或FIC205或TIC206实现串级控制；或LICA203、LICA208与FV204、FV205、TV216分别实现单回路控制；或FIC204、205、TIC216分别与FV204、FV205、TV216实现单回路控制。 组态流程图如下（见图二十一）：说明： LI203、208分别为差变、浮球；LICA203、208 液位控制模块；SWL203选择开关模块，选X1时，开关

27、联通LI203，X2时连通LI208； SWF204、SWF215、SWT216为串级选择开关，SWL203的输出端与SWF204、215、SWT216的输入端X1相联，另一输入端X2浮空。 SWFO204、215、SWTO216为串级、单回路切换开关。这些开关模块的输入端X2分别联接副回路控制模块FIC204、215、TIC216的输出端，另一输入端X1分别联接开关模块SWF204、215、SWT216的输出端。 当SWF204选择X1，SWFO204选择X2时，FI204为串级付回路； 当SWF215选择X1，SWFO215选择X2时，FI215为串级付回路； 当SWT216选择X1，SW

28、TO216选择X2时，TI216为串级付回路； 当SWFO204、215、SWTO216选X1时，将串级付回路切除，此时为串级主回路单回路控制。 以上根据不同生产情况进行不同的控制方案组合，组合时需注意每个开关输入端的正确选择。组态时对不同方案下的切换进行了平衡处理，可以做到无扰动切换,3.4分程控制,塔302压力控制方案是稳定岗非常关键的一个控制方案。控制组态流程图如下：压力控制模块PIC302分别控制两个调节阀PV302A（热旁路补压阀）、PV302B（放空阀），PV302C（蝶阀）为手动遥控控制。 PV302A、B为风开阀，配分程定位器。A阀定位器输入信号。50100%,输出0100%；

29、，B阀定位器输入信号050%，输出0100%。 工艺要求PIC302输出信号50%时，A、B两阀都关，050%时B阀动作，由开关；50100%时，A阀动作，由关开。C阀手动控制。 A，B两个阀由PIC302实现分程控制。 RPV为常规PV算法模块，用来做减法运算， 即该块输出=50-输入。当输入050%变化时,输出=500%变化。LPV为逻辑块，主要用来做联接，将RPV转换的500%信号送到B阀。 A阀直接接受PIC302的50100%信号。 C阀由AUTO/MAN块直接遥控。 流程图画面上看不到RPV、LPV两个模块。操作时如需手动遥控A、B两阀，只需将PIC302模块置“手动”方式即可。,