1,第一节 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。,3,2,3,二、过程控制系统设计步骤,1、建立被控过程的数学模型,2、控制设计方案,3、控制设备选型,4、实验（和仿真）,3,3,三、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,4,3,四、系统设计中的若干问题,1、越限报警与联锁保护,越限报警： 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。,5,3,第二节 控制方案设计,一、过程控制系统的性能指标,过程控制系统在运行中有两种状态： 稳态和动态,控制方案设计的依据： 系统阶跃响应性能指标、偏差积分性能指标,6,3,1、系统阶跃响应性能指标,y(0)：设定值； y()：稳定值； y(B1)：第一波峰值； y(B2)：第二波峰值,7,3,1、余差C：y(0)y() 指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差,常用的主要性能指标如下：,2、衰减率： 是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标,8,3,3、最大偏差A： 指被控参数第一个波的峰值与给定值的差 Ay(B1)y(0)B1+c,4、过渡时间t ：指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳定值5%的范围内所经历的时间，是衡量控制快速性的指标。要求时间越短越好。,9,3,2、偏差积分性能指标,偏差积分性能指标是目标函数形式表示,注：e(t)测量值设定值。 不同的积分性能指标对动态过程的要求侧重点不同： IAE针对存在正、负偏差的过程。 ITAE、ITSE用于控制过程的过渡时间。 ISE抑制过程的大误差。,10,3,二、被控参数的选择,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：,11,3,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,12,3,三、控制参数的选择,正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题,根据过程特征对控制质量的影响，选择控制参数时应对过程的静态和动态特性进行分析：,1、过程静态特性的分析,结论1： 过程的静态特性对控制质量有很大的影响； 确定控制通道（即选择控制参数）时应使K0Kf，当这一要求不能满足时，可通过调节KC的值来补偿，最终使K0KCKf。,13,3,2、过程动态特性的分析,1） 扰动通道动态特性对控制质量的影响,结论2： 扰动通道的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对控制参数的影响愈小，控制质量愈好； 干扰通道存在的纯时延f对控制质量没有影响； 扰动作用点离被控参数愈远，对其影响愈小。,2）控制通道动态特性对控制系统的影响,结论3： 控制通道时间常数T0的大小反映控制作用的强弱，愈大，控制作用愈弱，被控制参数变化缓慢，控制不能及时，故T0应小一点； 控制通道的纯时延0使被控制参数的最大偏差增大，控制通道的容量时延c 造成控制不及时，但影响比0 要小； 当过程存在多个时间常数，应彼此错开。,14,3,3、根据过程特性选择控制参数的一般原则：,15,3,第三节 检测、变送器选择,1、尽可能选择测量误差小的测量元件 2、尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备 3、正确采用微分超前补偿 4、合理选择测量点位置并正确安装：尽可能减小参数测量滞后与传送滞后 5、对测量信号作必要的处理,16,3,5、对测量信号作必要的处理,1、测量信号校正 2、测量信号噪声的抑制 3、对测量信号进行线性化处理,17,3,第四节 执行器（调节阀）选择,1、选择合适的调节工作区间 2、选择合适的流量特征 调节阀流量特性的选择：先确定工作流量然后根据流量特性曲线的畸变程度，确定理想流量特性 3、选择合适的调节阀开、关形式,18,3,选择合适的调节阀开、关形式主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要,1、考虑事故状态时人身、工艺设备的安全 2、考虑事故状态下减少经济损失、保证产品质量 3、考虑介质的性质,19,1,第五节 控制器（调节器）选择,1、选择控制器的控制规律 1）根据0 / T0比值来选择调节器的控制规律 0/T00.2： P或PI； 0.20/T01.0：PI或PID; 0/T01.0： 单回路控制系统不能满足需要。 2）根据过程特性来选择控制器的控制规律, 比例控制规律P 特点：能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但是有余差 适用场合：控制通道滞后较小，负荷变化不大，控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合,20,3, 比例积分控制规律PI 特点：积分能消除余差 适用场合：控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合, 比例微分控制规律PD 特点：具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入比例微分控制规律PD对于改善系统的动态性能指标，有显著效果。 适用场合：控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合,比例积分微分控制规律PID 特点：PID控制规律是一种较理想的控制规律，在比例基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又提高系统的稳定性。 适用场合：控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合,21,3,2、确定控制器的正、反作用方式,控制器有正作用和反作用两种方式，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。,确定调节器正、反作用次序一般为：首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开、关形式，然后按被控过程特性，确定其正、反作用，最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作用。,22,第六节 过程计算机控制系统的设计,1、单机控制系统：由微型计算机或单片机系统组成，结构简单、价格低廉，适用小规模的装置 2、两级计算机控制系统：有监控机、通信系统和若干个下机位组成。 3、分布式控制系统：采用控制分散和管理集中相结合的原则，可对大规模的生产过程进行高可靠性的控制和有效的管理 4、计算机集成过程控制系统：是一种以全局最优为目标，包含了从原材料采购到到产品销售在内的整个决策过程、管理过程和生产过程相结合的计算机系统,3,过程计算机控制系统按规模、系统结构的不同，分为四类：,23,3,直接数字控制系统：在计算机控制系统中包含了最本质最核心亦是最底层部分-过程控制，这一控制功能称为直接数字控制简称DDC,24,3,一、过程计算机控制系统的组成与特点,1、计算机控制的一般概念,过程计算机控制系统：就是采用计算机来实现的过程工业控制（含管理）系统。,25,3,2、过程计算机控制系统的组成,26,3,过程计算机系统的硬件： 是指计算机本身及其外围设备，包括如下：,a）计算机主机：中央处理器、时钟电路、内存储器构成；主要作用是进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制指令，指挥全系统有条不絮的协调工作,b）操作台：是人机对话的联系纽带，由各种控制开关、数字键、功能键、指示灯声讯器、数字显示器或CRT显示器组成。人可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作指令，计算机向操作人员显示系统运行状况,27,3,c）通用外围设备：有打印机、记录仪、图形显示器、软盘、硬盘及外存储器。其功能主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。,b）I/O接口与I/O通道：是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O接口有并行接口、串行接口,28,3,2) 过程计算机系统的软件,a）系统软件：是由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机,b）应用软件：用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序,软件：是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和。,软件分为系统软件和应用软件,29,3,3、过程计算机控制系统的特点,1) 是由模拟和数字部件的混合系统。 2) 由于计算机控制系统包含连续信号外，还包含数字信号，从而使计算机控制系统和连续控制系统在本质上有许多不同。 3) 在计算机控制系统中，控制规律是用软件来实现 4) 在计算机控制系统中，一个控制器可采用分时控制的方式同时控制多个回路。 5) 可实现分级计算机控制、分布控制等，从而实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度提高。,30,3,二、数字控制器的模拟化设计,模拟化设计的基本步骤：根据系统已有的连续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后按照一定的对应关系将模拟调节器离散化，得到等价的数字控制器，从而确定计算机的控制算法。,模拟化设计方法：,1、离散化方法,1）差分变换法：差分近似分后向差分和前向差分，离散法只采用后向差分法,a) 一阶后向差分 b) 二阶后向差分,31,3,1)、位置型PID算式,32,3,2)、增量型PID算式,33,3,34,3,3、数字PID控制算法的改进,1）积分项的改进：积分作用是消除残差，为了提高控制性能，有如下改进措施：,a) 积分分离,b) 抗积分饱和：执行机构已到极限位置仍然不能消除偏差时，由于积分作用，PID差分方程式所得的运算结果将继续增大或减小，称为积分饱和；,35,3,c) 消除积分不灵敏区,为消除积分不灵敏区，通常采用一下措施,1）增加D/A转换位数，加长运算字长,c) 带积分不灵敏区,36,3,2、微分项的改进,1) 偏差平均,2) 测量值微分：微分项中不考虑给定值微分，只对测量值进行微分,4、数字PID控制器的工程实现,37,3,1）给定值处理： 包括给定值选择与给定值变化率限制等 2）被控量处理： 包括数字滤波、数据处理以及高、低限报警 3）偏差处理： 包括数据处理、输入补偿与上限报警 4）控制量处理： 包括输出补偿、输出保持与安全输出限制等 5）自动、手动切换,38,1）采样周期应远小于对象的扰动周期 采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样 值无法反映瞬变过程 2）考虑执行器的响应速度 3）对象所要求的调节品质 4）性能价格比 5）计算机所承担的工作量,3,5、采样周期的选取,选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素,39,3,三、过程计算机控制系统设计方法,过程计算机控制系统的设计基本原则：,1、可靠性高 2、实时性强 3、通用性好 4、操作性好 5、经济效益高,40,1、选用标准功能模块：特点是系统配置灵活、扩充方便、维修简单、缩短了硬件设计周期，缺点是商品软件较少，需用户自行开发 2、选用通用的控制计算机：特点不仅配有系统软件、而且配有丰富的应用软件，用户可以灵活地进行控制系统的组态，接触了用户编应用程序的负担，缺点是价格较高 3、设计专用计算机：特点是系统针对性强，灵活方便；缺点是设计周期长、设计者需要具备较深的计算机硬件知识,3,计算机的选择方案如下：,41,第七节 过程控制系统的投运和控制器参数整定,一、控制系统投运,1、检测系统投入运行 2、调节阀手动遥控 3、控制器投运（手动自动）,3,过程控制系统的组成部分投运程序如下：,42,控制器参数整定：通过调整这些参数使控制器特性与被控过程特性配合好