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1、过程控制系统简介,凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理变量进行的自动控制通称为过程控制。(另有电力拖动控制方向),过程控制的概念,1-1典型单回路控制系统,一、系统组成,过程控制的组成及术语,1、控制原理(如下图),以液体储槽的水位控制为例进行说明。,液位变送器,液位控制器,执行器,2、系统方块图,3、主要组成部分,(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。(2)、检测变送单元：即仪表设备(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。(5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。,1、被控对象
2、(简称对象或过程)：前已述及。2、被控变量：按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称,二、常用术语,：凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。)4、操纵变量：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。6、给定值：即被控变量的设定值。7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。8、控制器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。控制器输出亦称控制作用。,3、干扰:,其为被控变量。如温
3、度、压力、流量、液位、成分等。,有常规控制系统、计算机控制系统。,一、一般分类,1、按工艺变量分类：,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。,2、按系统的任务分类：,有比例控制、均匀控制、前馈控制等。,3、按自动化装置的不同分类：,过程控制系统的分类,5、按是否形成闭合回路分类：,是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。,二、按设定值形式分类,4、按控制器的动作分类：,有,1、定值控制系统,P,PI,PID,位式,开环,闭环,、,。,2、随动控制系统,其
4、给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。,是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。,3、程序控制系统,串级控制系统,概述,单回路控制系统：结构简单，但难于适应工艺变量间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。,复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务,串级控制系统：对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。,一.串级控制系统的组成,
5、以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例。(1)、采用直接控制方案：如图4-1所示。优点：所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。缺点：对燃油流量变化等干扰控制不及时，总滞后较大。(2)、采用间接控制方案：如图4-2所示。优点：能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰。缺点：燃料油控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量和温度、炉膛压力变化等方面的干扰。,1、问题的提出,加热,温度测量,返回,加热,流量测量,返回,(1)、结构图：将图4-1、图4-2方案综合起来，即得串级控制系统如图4-4所示。,2、系统组成,加热,流量测量,温度测量,(2)、方框图：如图4-3所示。,(3)、特
6、征：两台控制器串联在一起，控制一个调节阀。,(4)、另一实例,(5)、常见名词术语:,主、副变量，主、副控制器，主、副对象，主、副变送器，主、副回路等，如图4-5.,串级控制系统的特点,一、时间常数,串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，放大系数增大，从而显著提高控制质量。将整个副回路看成一个副对象，则简化图如图4-5所示（或下张两图）。,由P181分析，可得式(4-3)T02T02意味着控制通道的缩短。,由于等效副回路时间常数的缩短，系统的工作频率提高了（可使振荡周期缩短）。通过对串级和单回路控制系统特征方程的分析(P1812)，可知:串单。,二、工作频率,三、抗干扰能力,设干扰从阀前进
7、入。进一步等效,图4-6。,分析可得式:,K1*K2越大，抗干扰能力越强。进一步分析可知单回路比串级抗干扰能力差。,四、有一定的自适应能力,单回路控制系统只有一个控制器，设定值一般不变，难以适应负荷非线性的变化。串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强。由式(5-22)(P172)可知，K02变化对等效K02影响很小，亦可说明副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。,1998。9。21,前馈控制系统,基本概念,直接按扰动而不是按偏差进行控制。干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。这种前馈控制系统对干扰的克服要比反馈控制系
8、统及时得多。,系统框图,举例,(1)、检测：前馈控制测干扰；反馈控制测被控量。(2)、效果：克服干扰，前馈控制及时，理论上可实现完全补偿；反馈控制不及时。(3)、经济性：克服干扰，前馈控制只能一对一，不如反馈控制经济。(4)、稳定性：前馈为开环，不存在此问题；反馈则不同，稳定性与控制精度是矛盾的。,前馈与反馈的比较,1998。9。21,复合控制系统,前馈控制是有局限性的：对补偿结果无法检测；难以对每个干扰均设计一套前馈控制置；一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量。复合控制的好处：既发挥了前馈校正及时的优点，又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。,亦称为前馈-反馈控制系
9、统。,举例,系统框图,3、特点,实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。（令Y(s)/F(s)=0即可。）不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性。,4、前馈-反馈控制的优点,只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯前馈控制系统。降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。比纯反馈控制具有控制精度高、响应速度快的特点。因而是前馈控制中广泛应用的控制系统。,1998。9。21,前馈串级控制系统,方法的提出：为了保证前馈控制的精度，常希望控制阀灵敏、线性等；采用串级控制系统可满足以上要求。,系统框图,举例,1998。9。21,比值控制系统,1、概述 在现代工业生产过程中
10、，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。,2、比值控制的含义,凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。,3、变量及关系,主动量-起主导作用而又不可控的物料流量；从动量-跟随主动量而变化的物料流量；比例系数:K=Q1/Q2,4、应用实例:,1998。9。21,均匀控制系统,1、概述 在连续生产过程中，一个装置或设备往往与前后的装置或设备紧密地联想着，前一装置或设备的出料
11、量是后一装置或设备的进料量，而后一装置或设备的出料量又输送给其他的装置或设备。例如石油裂解气分离工艺，前后共串联了八个塔。,是指两个工艺变量在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协调的系统。,2、均匀控制的含义,3.举例,4、均匀控制的特点,表征前后供求矛盾的两个变量都是变化的，变化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。,前塔的液位变化不能超过规定的上、下限。后塔的进料量也不能超过最大和最小处理量。,非均匀控制,多阀：一只控制器的输出信号去带动两个或两个以上的控制阀工作。分程：每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的某段内工作。,控制阀同向动作：见下张图7-18。控制阀异向动作：见下张图7-19。,如有A、B两个控制阀；控制器输出信号压力为0.020.1MPa。当控制信号0.06MPa时，A阀动至极限，B阀才动,如下图7-18a)。,一、分程控制的概念,1、特点,2、实现,3、分类,分程控制系统,1、用于节能控制（上图）,二、分程控制方案的应用,3、保证生产过程的安全与稳定（下图）,2、扩大控制阀的可调范围,4、满足不同工况的控制要求,
