自动化仪表与过程控制 第三章 单回路控制系统的工程设计 3-1 过程控制系统工程设计概述 3-2 过程控制系统硬件选择 3-3 调节器的选型及PID参数整定 3-4 单回路控制系统仿真 *1西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 一、对过程控制系统设计的一般要求 1、安全性 整个生产过程中，确保人员设备的安全 2、稳定性 指系统在一定外界干扰下，在系统参数、工艺 条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。 3、经济性 指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提 高经济效益与社会效益。 Date2西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 二、过程控制系统设计步骤 1、根据工艺要求和控制目标确定系统变量； （1）被控参数 （2）控制参数：控制（或操作）变量和扰动变量 2、建立被控过程的数学模型； 3、选择控制方案； （1）控制结构 （2）控制算法 4、选择系统所需控制设备的型号规格； 5、控制器的设计； 6、实验（与仿真） Date3西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 1、直接参数方法：能直接反映生产过程中产品 产量和质量又易于测量的参数 2、间接参数方法：当选择直接参数有困难那时 ，可以选择能间接反映产品质量和质量又与 直接参数有单值对应关系、易于测量的参数 作为被控参数 被控参数选择的方法： Date4西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 选择被控参数的一般原则： 1、选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环 境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数 2、当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与 直接参数有单值函数关系的间接参数 3、必须具有足够高的灵敏度 4、必须考虑工艺过程的合理性和所有仪表的性能 Date5西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 控制参数的选择 当生产过程中有多个因素能影响被控参数变化时 ，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，然后正确地选择可控性良好的变量作为控 制参数。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。所以，在设计控制回路时， 要深入研究过程的控制通道和扰动通道。下面就从研 究过程特性对控制质量的影响入手，讨论选择控制参 数的一般原则。 Date6西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 1、过程静态特性对控制质量的影响 过程静态特性对控制质量的影响是指过程的静态放大 系数对控制质量的影响。现以如图所示的单回路控制系统 为例。 W（s） Wf（s） W0（s） + + + - X（s） F（s） Y（s） 单回路控制系统框图 Date7西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 （31） 图中，W（S）为调节器传递函数，W0（S）为过程控 制通道传递函数，Wf（S）为过程扰动通道传递函数。 Date8西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 对于定值控制系统的闭环传递函数为： （32） 由于系统本质是稳定的，在单位阶跃扰动作用下， 系统余差可应用终值定理求得： Date9西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 （33） 由式（33）可见，过程静态特性对控制质量有很 大的影响，这是选择控制参数的一个重要依据。扰动通 道的静态放大系数Kf愈大，系统的余差也愈大。 Date10西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 为了提高控制精度，在选择控制参数时，应使Kf愈 小愈好，以减弱扰动对被控制参数的影响。控制通道的 放大系数K0愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效 果愈好。但是，由于最佳的控制过程， K0与Kc的乘积 应为一常数。而调节器的Kc是可调节的，K0的大小可通 过改变 Kc来补偿，以满足K0与Kc乘积为一常数的要求 。所以，在系统设计时，选择控制通道的K0适当大一些 。 Date11西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 2、过程动态特性对控制质量的影响 过程的动态特性包括扰动通道和控制通道两个部分 的动态特性。 （1）扰动通道动态特性的影响 时间常数的影响、滞后时间的影响和扰动作用点位 置的影响。 （2）控制通道动态特性的影响 可控性指示：为了比较不同过程的可控性，通常采用相 同模式的调节器，并分别将调节器参数整定到最佳，然 后在相同扰动作用下，比较它们的工作性能。 另外还有时间常数的影响和滞后时间的影响。 Date12西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 h 蒸汽Qs 给水Qw 给水控制对象结构 零水位 例：锅炉给水系统的分析 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 Date13西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 在锅炉运行中，汽包水位为重要的控制参数。水位过高， 影响汽水分离的效果；而水位过低则会破坏汽水循环，严重时 将导致锅炉爆管。同时高效能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而 汽包的体积相对来说较小，大容量的锅炉给水不及时，数十秒 钟内就可能达到危险水位。因此，将汽包水位作为被控变量。 锅炉给水自动控制的任务，就是控制给水流量（输入变量 ），使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围。 给水控制对象如图所示。影响水位h变化的两个主要扰动 是给水流量Qw和蒸汽流量Qs。 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 系统控制目标的确定 Date14西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 Qw h 给水控制对象的内扰特性 当给水压力波动时给水流 量亦相应变化，这就引起水位 变化，扰动变化方向与水位变 化方向是一致的。 当给水扰动刚加入时，由 于给水的过冷却的影响，水位 开始变化很慢，经过一段时间 之后，其速度才逐渐增加，最 后呈等速变化。 控制系统的扰动分析 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 Date15西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 h Qs 给水控制对象的外扰特性 蒸汽流量阶跃增加时， 使锅炉储藏的热能减少，汽 包内汽压下降，汽包内沸腾 突然加剧，水中汽泡迅速增 多，整个水位升高，形成虚 假水位现象。 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 Date16西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 简单的给水控制只引进水位信号组成单冲量系统， 但是该系统不能克服虚假水位对水位控制的不良影响， 这是因为蒸汽流量大幅度增加时，由于假水位上升，调 节器输出信号不但不去开大调节阀增加给水流量，以维 持物料平衡，反而去关小调节阀，减小给水量，等到假 水位消失后，水位将更加迅速下降，引起水位大幅度的 波动。 引进蒸汽流量这个前馈信号后，就能基本克服虚假 水位对控制的不良影响。 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 给水控制系统控制方案的确定 Date17西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 因为当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽 流量信号起着超前的作用，它可使水位还未出现变化时 ，提前使调节阀动作，减小水位波动，从而改善了控制 品质。这样，系统就成为双冲量控制系统。 但是，双冲量系统却不能克服给水压力变化对水位 的影响，因为当给水压力波动时，给水流量相应变化， 此时只有待水位发生变化后调节器才能起作用。为此， 再引入给水流量信号，组成了常用的三冲量给水控制系 统。即“前馈串级”控制系统。其中蒸汽流量信号就 是前馈信号。 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 Date18西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 常规模拟仪表组成的控制系统 多通道 调节器 -+ h Qs Qw 变送器 变送器 锅炉汽包液位三冲量给水 控制系统流程图 Date19西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 主 调 节 器 付 调 节 器 给 水 对 象 液 位 对 象 差压 变送器 液位给定 液位变送器 差压 变送器 -Ir +Ih +Is -Iw Qs 前馈信号 h 开方器 开方器 执 行 器 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 Date20西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 F E F E L T PID PID R/B loop2 loop1 UDC6300 锅炉汽包水位控制串级加前馈 由智能仪表构成的控制系统 Date21西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 三、过程系统设计的主要内容（四个方面） 1、方案设计 是系统设计的核心 2、工程设计 是在控制方案正确设计的基础上进行 3、工程安装 是保证系统正常运行的前提 4、仪表调校、调节器参数整定 是系统运行在最佳状态的重要保证 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 Date22西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 越限报警： 应根据工艺要求设置高、低限报警值 联锁保护： 当生产出现异常时，为保证设备、人身的安全 ，使各个设备按一定次序紧急停止运转。 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 四、系统设计中的其它问题 越限报警与联锁保护 Date23西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 系统的硬件选择包含：控制装置、测量仪表、传 感器、执行机构和报警、保护、连锁等部件。 Date24西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 一、控制装置的选择 简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于比 较复杂的系统需要用计算机控制。 目前用于过程控制的计算机控制设备多采用DCS（集 散控制系统）或PLC（可编程序控制器）。相比较而言， 模拟量控制回路较多、开关量较少的过程控制系统宜采 用DCS控制；模拟量控制回路较少，开关量较多的过程控 制系统宜采用PLC控制。 模拟量少于64个调节回路，而开关量大于256点时 ，以选用PLC为宜。 Date25西南科技大学信息工程学院 自动化仪表与过程控制 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 二、测量仪表和传感器的选择 1、测量变送中的几个主要问题 过程控制系统设计是围绕着如何抑制扰动来进行的。在系 统设计时，测量和变送是一个十分重要的问题。 在工程上， 信息的测量和变送必须迅速可靠地反映被控参数的实际变化情 况，为系统设计提供准确的控制依据。在具体分析测量变送环 节对控制质量的影响时，往往碰到测量、变送和信息传送中的 滞后问题，它包括测量滞后、纯滞后和信息传送滞后