1、1,2,第3篇 过程控制系统,第6章 简单控制系统 第7章 复杂控制系统 第8章 先进控制系统,“化工仪表自动化”,3,第6章 简单控制系统 须解决的几个问题：,操纵变量,4,第6章 简单控制系统什么是简单控制系统？ 简单控制系统，又称为单回路反馈控制系统，是指由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成的单回路闭环负反馈控制系统。,5,例：,6,例：,7,从上述例子可以看出：简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行工作的，组成自动化装置各环节的设备数量均为一个，它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。 简单控制系统特点：具有结构简单、工作可靠、所需自动化工具少、投资成本低、便于
2、操作和维护等优点，是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。,8,操纵变量,如何构成负反馈？,问题一： 被控变量的选择问题,9,被控变量的选择可以遵循下面几个原则： 1、能直接反映生产过程产量和质量的工艺参数作为被 控变量。,10,被控变量的选择可以遵循下面几个原则：,2、当不能用直接参数作为被控变量时，选择与直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控变量。,例：苯、甲苯二元精馏控制系统,11,例：苯、甲苯二元精馏系统示意图,苯,甲苯,12,在二元精馏系统中，塔顶易挥发物组分的浓度XD，塔顶温度TD和压力P三者之间有一定关系。当压力恒定时，组分 XD和温度TD之间存在单值对应关系。当温度TD 恒
3、定时，组分XD和压力P之间也存在单值对应关系。 塔压固定有利于生产，所以：选择塔板温度作为间接被控变量。,13,被控变量的选择可以遵循下面几个原则：,3、选择间接参数作为被控变量时，应该具有足够大灵 敏度，以便能反映直接指标参数的变化。、注意控制系统间的关联问题，选择的被控变量应该是独立可调的。 解决办法：解耦控制系统,14,操纵变量,如何构成负反馈？,问题二：操纵变量的选择问题,15,选择操纵变量的原则：1操纵变量必须是可控的。,16,选择操纵变量的原则：2操纵变量的选择应充分考虑工艺的合理性和生产的经济性。3操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。（要求调节通道：放大系数K较大，
4、时间常数T较小，纯滞后时间越小越好）,操纵变量,干扰变量,17,操纵变量,如何构成负反馈？,问题三：测量仪表如何选择？,18,一、测量变送问题对控制质量的影响 关键问题：测量变送中的纯滞后问题 测量纯滞后是指：被控变量受干扰后，测量环节不能立即检测，而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。造成测量纯滞后的原因有：（1）测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏变化区； （2）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在理想的测量点； （3）成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后； （4）测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后； （5）测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。,19,二、克服测量变送问题的
5、措施 1选择快速测量元件,某化工厂有一反应器，如图 6-8 所示。工艺要求反应温度在给定值的3以内，产品质量符合要求。 用时间常数 100 秒传感器测温，反应温度在2之内，产品总不合格，说明实际温度波动已超出工艺范围。,改用时间常数为 5 秒热电偶测温，反应温度波动仍在2之内，但产品质量符合要求。,20,2 选好检测点位置 检测点应选对被控变量变化感受最为灵敏且最有代表性的位置。3 正确使用微分单元 若测量滞后大，可串接微分单元。,4 正确选择、安装和使用测量装置正确选择、安装和使用可将测量环节的误差减小到最低限度，有利于提高控制精度和质量。,21,操纵变量,问题四：执行器如何选择？,22,一
6、、 阀流量特性的选择,23,执行器：为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧坏，选用气开式。,二、执行器开、闭形式的选择 气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具体的生产工艺来决定。,例：如图所示加热炉，为保证加热炉的安全，防止加热炉加热管烧坏,24,从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择气关式。 若考虑锅炉后续透平设备的安全，防止蒸汽带液，应选气开式。,例：,透平设备,25,执行器：当在气动阀供气中断时，防止储罐物料全部流走，采用:,练习题：,气开式,26,执行器选择几条原则: 1、首先要考虑生产的安全。 2、有利于保证产品的质量。 3、有利于降
7、低原料成本和节能。选择时还需注意两点： 1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。 2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的选择结果。,27,操纵变量,问题五：控制器PID如何选择？,28,一、控制规律的选择 1 比例控制规律(P) 具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。u是输出变化量，e是输入变化量, Kc为比例放大系数。比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大，控制要求不高，被控变量允许在一定范围内有余差的场合。,29,2 比例积分控制规律(PI)具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器。,式中Ti为积分时间。比例积分
8、控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。,30,3 比例积分微分控制规律（PID）具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为 PID 控制器，又称三作用控制器。,式中Td 为微分时间。,适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。,31,操纵变量,问题六：如何构成负反馈控制系统？,32,控制器正反作用的选择,判别准则：系统中各环节规定符号的乘积为负，则该系统为负反馈系统。满足判别式： （控制器）（执行器）（被控对象）（变送器）=（）,33,一、各环节正负的定义： 执行器：阀门开度随控制器输出信号的增加而
9、增大（气开式）为“+”，开度随控制器输出信号的增加而减小（气关式）为“”；对象：被控变量随操纵变量的增加而增加为“+”，随操纵变量的增加而减小为“”； 变送器：变送器输出随被控变量的增加而增加为“+” ，随被控变量的增加而减小为“”。通常情况下变送器环节取“+”；,34,二、控制器正、反作用的确定 工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式。 控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不同被控对象实现闭环负反馈控制的需要。控制器：控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时，控制器工作于正作用方式为“+”；控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控制器工作于反作用方式为“” 。,35,执行器为
10、保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为“+”。 对象出口温度随燃料的增加而升高，符号为 “ +”。变送器输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。 为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“”，所以应该选择反作用控制器。,举例： 1，从加热炉安全考虑，防止炉内管线烧裂，选择气开，气关阀？ 2，选择控制器+-，构成负反馈。,36,执行器为了防止在供气中断时物料全部流走，采用了 气开式，故符号为“+”。 对象当流出量增加，液位是下降的，符号取为“”。 变送器输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。 控制器必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。,举例： 1，从储罐安全考虑，为了防止在供气中
11、断时物料全部流走，选择气开，气关阀？ 2，选择控制器+-，构成负反馈。,37,执行器从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择气关式，“-”。 对象当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。 变送器输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。 控制器必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。,练习题： 1，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，选择气开，气关阀？ 2，选择控制器+-，构成负反馈。,38,练习题： 1画如图控制系统的方块图？ 2分析：当被加热的物料量突然增加，控制系统如何克服扰动。,39,执行器为保证加热炉的安全，选用气开式，其符号为“+”。 对象出口温度随燃料的增加而升
12、高，符号为 “ +”。变送器输出信号随温度的升高增加，符号为“+”。 为了使各环节的总乘积为负，控制器的符号必须为“”，所以应该选择反作用控制器。,练习题： 1画如图控制系统的方块图？ 2分析：当被加热的物料量突然增加，控制系统如何克服扰动。,40,练习题： 分析：当被加热的物料量突然增加，控制系统如何克服扰动。,分析：,物料量突然,物料温度,温度变送器输出信号,偏差信号,控制器输出信号,气开阀开度,燃料气,对象：物料温度,41,在控制系统的设计、安装或检修之后，下步工作是如何将控制系统投运。为了保证控制系统能顺利地一次投运成功，通常涉及到以下几个步骤：1 作好准备工作；2 线路和管路的核查；
13、3 各种自动化仪表的检查；4 测量仪表和执行器的投运；5 手动控制与自动控制的切换。控制器由手动切换到自动后，控制系统便进入自动控制状态。为使控制系统获得最佳效果，需对PID控制器参数进行整定。,过程控制系统的投运,42,PID控制器参数整定 可分为两大类： 理论计算整定法 基于被控对象的数学模型计算控制器参数，理论 复杂，计算繁冗，所得结果的可靠性依赖于模型 精度。2. 工程整定法 直接在控制回路的实际运行中对控制器参数进行 整定，具有简捷、实用和易于掌握的特点。工程整定方法在实际中得到了广泛的应用。,43,工程整定法1：临界比例度法 （l）将积分时间Ti置到最大值（Ti），微分时间TD置为
14、零（TD=0 ），比例度置于适当大的值，使系统在纯比例作用下投入运行。,(2)系统稳定后，将比例度逐渐减小，直到出现图6-14所示的等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的临界比例度k和临界振荡周期TK（即两个波峰间的时间间隔）。,44,( 3)根据得到的k和TK值，采用表6-2 中给出的经验公 式计算出控制器的整定参数、Ti和TD。 ( 4)按照先比例（P）、后积分（I）、再微分（D）的 操作顺序将控制器的参数逐一调整到整定值上。然 后观察其运行曲线，若还不够满意，可再作进一步微调。,45,工程整定法2：衰减曲线法 （1）置积分时间Ti = ，微分时间Td=0 ，比例度取一较大值，并将系统投入运
15、行。 （2）待系统稳定后，给定值作阶跃变化，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则减小比例度；反之，则加大比例度。如此反复，直到出现如图所示的4衰减振荡过程。记录此时比例度s和振荡周期s。,46,（3）利用s和s值，按表6-3给 出的经验公式，求出控制器的整定参数，Ti 和Td 。,47,工程整定法3：经验凑试法经验凑试法是先将控制器的参数设置在某一经验值上（可参考表6-4），然后观察系统在扰动作用下的闭环响应曲线。若曲线不够理想，则以控制器参数对过渡过程的影响为理论依据，对各参数逐一进行调整，直到获得满意的控制质量为止。,48,课程小结,简单控制系统： 理解简单控制系统的组成； 掌握被控变
16、量、操纵变量的选择原则； 能依据过程安全原则，确定执行器的气开、气关形式； 能依据过程负反馈要求，确定控制器的正、反作用； 了解控制系统的投运和控制器的参数整定。,49,内容简介 过程控制系统及仪表(第3版)内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问题值得探讨。但是，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。因此，过程控制系统及仪表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是过程控制系统及仪表(第3版)的另一个特色。 过程控制系统和仪表涉及的领
17、域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，过程控制系统及仪表(第3版)在取材方面，不追求包罗万象、面面俱到，而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突出重点，注重实用是过程控制系统及仪表(第3版)的第三个特色。,第3版 2010-07,第2版 出版日期：2006-08-01,50,目录 第1篇 过程控制基础知识 第1章 绪论 1.1 生产过程自动化概述 1.1.1 生产过程及其特点 1.1.2 生产过程对控制的要求 1.1.3 生产过程自动化的发展历程 1.2 过程控制系统的组成及分类 1.2.1 过程控制系统的组成 1.2.2 过程控制系统的分类 1.3 过程控制系
18、统的方块图与工艺控制流程图 1.3.1 过程控制系统的方块图 1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图 1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标 1.4.1 过程控制系统的过渡过程 1.4.2 过程控制系统的性能指标 习题 第2章 被控对象的特性 2.1 概述 2.1.1 基本概念 2.1.2 被控对象的阶跃响应特性 2.2 被控对象特性的数学描述 2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析 2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析 2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析 2.3 被控对象的实验测试建模 2.3.1 阶跃响应曲线的获取 2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定 2.3.3 二
19、阶对象特性参数的确定习题, 第2篇 过程自动化装置 第3章 过程测量仪表3.1 测量仪表中的基本概念 3.1.1 测量过程及测量仪表 3.1.2 检测系统的基本特性及性能指标3.2 温度测量 3.2.1 概述 3.2.2 热电偶温度计 3.2.3 热电阻温度计 3.2.4 温度测量仪表的选用 3.2.5 温度交迭器 3.2.6 一体化温度变送器 3.2.7 智能温度变送器3.3 压力测量 3.3.1 概述 3.3.2 弹性式压力表 3.3.3 电容武压力变送器 3.3.4 扩散硅压力变送器 3.3.5 智能差压变送器 3.3.6 压力表的选择和使用3.4 流量测量 3.4.1 概述 3.4.2
20、 差压式流量计 3.4.3 容积式流量计 3.4.4 浮子式流量计 3.4.5 电磁流量计 3.4.6 涡街流量计,51,3.5 物位测量 3.5.1 概述 3.5.2 静压式液位计 3.5.3 磁浮子式液位计 3.5.4 电容武物位计 3.5.5 其他物位测量仪表3.6 显示仪表 3.6.1 概述 3.6.2 模拟式显示仪表 3.6.3 数字式显示仪表 3.6.4 智能化、数字化记录仪 习题 第4章 过程控制仪表 4.1 基本控制规律 4.1.1 位式控制 4.1.2 比例控制 4.1.3 比例积分控制 4.1.4 比例微分控制 4.1.5 比例积分微分控制 4.2 DDZ一型调节器 4.2
21、.1 主要功能 4.2.2 构成原理 4.3 可编程调节器 4.3.1 KMM可编程调节器的构成 4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能 4.3.3 正面板和侧面板,4.4 可编程控制器 4.4.1 可编程控制器的产生与发展 4.4.2 可编程控制器的应用场合 4.4.3 可编程控制器的构成、分类及 工作过程 4.4.4 可编程控制器的编程语言 4.4.5 可编程控制器选型基本原则 4.4.6 松下FPI可编程控制器 习题 第5章 过程执行仪表 5.1 概述 5.2 执行机构 5.2.1 气动执行机构 5.2.2 电动执行机构 5.3 调节机构 5.3.1 常用调节机构及特点 5.3.2 流
22、量系数与可调比 5.3.3 流量特性 5.4 电一气转换器和阀门定位器 5.4.1 电一气转换器 5.4.2 阀门定位器的主要用途 5.4.3 电一气阀门定位器 习题,52, 第3篇 垃程控制系统第6章 简单控制系统 6.1 概述 6.2 被控变量的选择 6.3 操纵变量的选择 6.3.1 对象静态特性对控制质量的影响 6.3.2 对象动态特性对控制质量的影响 6.3.3 选择操纵变量的原则 6.4 控制系统中盼测量变送问题 6.4.1 测量变送问题对控制质量的影响 6.4.2 克服测量变送问题的措施 6.5 执行器的选择 6.5.1 阀流量特性的选择 6.5.2 执行器开闭形式的选择 6.6
23、 控制器的选择 6.6.1 控制规律的选择 6.6.2 控制器正反作用的确定 6.7 控制系统的投运及控制器参数的整定 6.7.1 控制系统的投运 6.7.2 控制器参数的整定 习题 第7章 复杂控制系统 7.1 串级控制系统 7.1.1 串级控制系统的结构 7.1.2 串级控制系统的工作过程 7.1.3 串级控制系统的特点及应用场合 7.1.4 串级控制系统设计中的几个问题 7.1.5 串级控制系统的整定,7.2 比值控制系统 7.2.1 概述 7.2.2 比值控制系统的类型 7.3 前馈控制系统 7.3.1 概述 7.3.2 前馈控制系统的结构形式 7.3.3 前馈控制系统的应用 7.4
24、均匀控制系统 7.4.1 均匀控制问题的提出 7.4.2 均匀控制的特点 7.4.3 均匀控制系统的结构形式 7.5 分程控制系统 7.5.1 基本概念 7.5.2 分程控制系统的应用场合 7.6 选择性控制系统 7.6.1 基本概念 7.6.2 选择性控制系统的实例分析 7.7 多冲量控制系统 习题 第8章 先进过程控制系统介绍 8.1 软测量技术 8.1.1 辅助变量的选择 8.1.2 数据采集与处理 8.1.3 软测量模型的建立 8.1.4 模型校正 8.2 时滞补偿控制 8.2.1 Smith预估补偿控制 8.2.2 控制实施中的若干问题,53,8.3 解耦控制 8.3.1 耦合现象的
25、影响及分析 8.3.2 解耦控制 8.4 预测控制 8.4.1 预测控制的基本原理 8.4.2 预测控制工业应用 8.5 自适应控制 8.5.1 自校正控制系统 8.5.2 模型参考自适应控制系统 8.6 推断控制 8.7 模糊控制 8.7.1 模糊控制的特点 8.7.2 模糊控制的结构 8.8 神经网络控制 8.8.1 神经元模型 8.8.2 人工神经网络厂 8.8.3 神经网络在控制中的应用 8.9 故障诊断与容错控制 8.9.1 故障检测与诊断 8.9.2 容错控制 习题 第4篇 计算机控制系统第9章 计算机控制系统基础 9.1 概述 9.2 系统的硬件组成 9.3 系统的软件组成 9.
26、3.1 过程检测 9.3.2 过程控制 9.3.3 组态软件 习题,第10章 常用计算机控制系统介绍 10.1 概述 10.1.1 数据采集系统 10.1.2 操作指导控制系统 10.1.3 直接数字控制系统 10.1.4 监督计算机控制系统 10.2 工业控制计算机 10.2.1 结构组成 10.2.2 功能特点 10.3 分散控制系统 10.3.1 结构组成 附录1 典型单元操作控制方案示例 F1.1 化学反应器的控制 F1.1.1 反应器的基本控制方案 F1.1.2 反应器的新型控制方案 F1.2 精馏塔的控制 F1.2.1 精馏塔的基本控制方案 F1.2.2 精馏塔的前馈、串级、比值、均匀控制 F1.2.3 精馏塔的节能控制 10.3.2 功能特点 10.3.3 应用举例 10.4 现场总线控制系统 10.4.1 结构组成 10.4 功能特点 10.4.3 应用举例习题 F1.3 泵和压缩机的控制 F1.3.1 泵的控制方案 F1.3.2 压缩机的控制方案 F1.3.3 压缩机的串、并联运行 F1.4 燃烧过程的控制 附录2 分度表 F2.1 热电偶分度表 F2.2 热电阻分度表 参考文献,
