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《过程控制工程》复习 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所
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概论 控制系统与过程控制系统的概念 过程控制的术语与目标 过程控制系统的方块图描述 反馈控制系统的分类
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反馈控制过程 借助于传感器,获得液位测量信号,再通过变送器将测量信号放大、并转换成控制器可接受的标准信号;
控制器(有时也称“调节器”)接受该标准测量信号,并与其期望值进行比较; 基于比较结果,控制器决定如何校正测量值与其期望值之间的偏差; 基于决策结果,控制器给执行机构发出一个控制信号,让执行机构采用具体的动作。
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过程控制工程中的重要术语 被控变量/受控变量 (Controlled Variable,CV或者PV)
指:工艺过程希望稳定在某一期望值的变量或工艺参数。 CV完整描述:“工艺介质”+“工艺部位”+“工艺参数” 设定值/给定值 (Setpoint,SP) 指:被控变量的期望值。SP的内外表示: SP在控制器内部实际上是控制器输入比较器的比较基准,通常为电量或%;通常将SP按测量仪器量程,转换成对应的工程量。 控制器输出信号 (OP)
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过程控制重要术语(Cont.) 操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable,MV)
指:控制系统直接可操作、并用于使被控变量保持在其设定值的其它工艺变量。具体特点: (1)MV为某一工程量,通常为某一工艺介质的流量; (2)MV为工艺操作人员对CV的主要操作手段; (3)受控制器输出直接影响. 扰动/扰动变量 (Disturbance,DV) 任意可能导致被控变量偏离其设定值的、而该控制系统本身又无法干预的各种因素。 特点:“自主性”、“可变性”、“与CV的相关性”。
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控制系统方框图 假设变量之间满足以下关系: 对于上述储气罐压力控制系统,请指出其 CV、SP、MV、DVs,并给出其控制系统的设计目标。
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控制系统方块图
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过程特性分析 过程特性分类 过程特性机理建模法 执行机构介绍 过程特性测试建模法
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控制系统“广义对象”的概念 “广义对象” 包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对CV测量输出的影响。
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被控过程的分类 自衡过程/稳定对象 (1) 单容过程 (2) 多容过程 非自衡过程 例如:某些液位对象与某些放热反应器
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广义对象的特性参数 广义对象描述: 广义对象过程增益(Kp) 过程时间常数(Tp) 过程纯滞后时间(τp)
传感变送器输出(即广义对象输出)的稳态变化量与控制器输出(即广义对象输入)的稳态变化量之比值 过程时间常数(Tp) 过程纯滞后时间(τp)
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过程增益备注 过程增益描述了稳态条件下,过程输出对输入变量变化的灵敏度。 被控过程增益包括三部分:符号、数值与单位。
过程增益只涉及两个稳态,因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时,也称“静态/稳态增益”。
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基于阶跃响应的特性参数计算 方法一: 方法二:
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分析下列两控制阀的差别 #2 控制阀(气开阀) #1 控制阀(气关阀)
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阀门的“气开”与“气关” 1. 气开阀与气关阀 2. 气开/气关的选择原则——安全性 * 气开阀: pc↑→ f↑ (“有气则开”)
* 若无气源时,希望阀全关,则应选择气开阀,如加热炉瓦斯气调节阀;若无气源时,希望阀全开,则应选择气关阀,如加热炉进风蝶阀。
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PID 控制器 反馈控制器的正反作用 过程控制系统的性能指标 P, PI 与 PID控制器的功能
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控制器正反作用的选择 问题:(1)正作用与反作用控制器的定义? (2)如何使控制回路成为“负反馈”系统 ?
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控制器正反作用选择(假设检验法) 考虑到控制系统在断电断气情况下的安全性,蒸汽阀应为气开阀,因此 u↑→ RV↑
假设控制器TC 22为正作用。 如果 T↑, 则 结论:为使控制回路成为“负反馈”系统,TC22 须为 反作用控制器。
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回路分析法 步骤 1:画控制回路方块图 步骤 2:标注除控制器外的每一方块的正反作用 步骤 3:决定控制器的正反作用以构成负反馈回路
TC 22 为反作用控制器 (+) (+) (—) 广义对象(+) (+)
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PID(比例-积分-微分)控制器 理论PID 控制器 Td 为微分时间 工业 PID 控制器 Ad 被称为微分增益。
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比例增益对控制性能的影响 纯比例控制器只有一个可调参数 Kc。其最大问题是总存在不同程度的余差,即CV难以完全跟踪其SP。
对于某一给定的阶跃扰动,余差的大小取决于比例增益大小。增益越大,余差越小。 当Kc超过某一临界值,大多数控制系统会变为不稳定。
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积分作用对控制性能的影响 PI 控制器有两个可整定参数:控制增益(或比例带)与积分时间(或积分速率1/Ti ),其最大的优势是可消除余差。(为什么?) PI 控制器的不足之处在于:由于积分作用的引入,使控制系统的稳定性下降。具体地, 积分时间Ti 越短,积分速率1/Ti 越大,积分作用越强,闭环系统消除余差的速度越快,但控制系统的稳定性越弱。 (原因分析)
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微分作用对控制性能的影响 PID 控制器有三个可整定参数:控制器增益、积分时间与微分时间。微分作用的引入可使控制器具有超前预测作用。
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PID参数整定的概念 工程整定法1-经验法 工程整定法2-闭环整定法 工程整定法3-开环整定法 继电器型PID自整定器
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开环整定法(Ziegler-Nichols 法)
控制器类型 Kc Ti Td P ∞ PI PID 注意:上述整定规则仅限于
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开环整定法(Lambda 法) 控制器 Kc Ti Td P PI T PID τ/2 取值 注意:上述整定规则不受τ/T 取值的限制
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单回路控制的抗积分饱和原理 原理:当控制器输出超出正常操作范围时,将积分作用切除。
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单回路系统的防积分饱和 可以吗?
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数字PID 数字控制系统的概念 数字滤波器的选择 数字PID控制算法及其改进型
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数字PID —— 位置式 数字PID,位置式计算到终端执行器的输出 将三种作用汇集起来
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数字PID —— 增量式 增量式计算到达终端执行器的变化量 有什么好处?
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PID改进方法 微分先行 微分先行:改变设定值跳变引起的微分作用 积分分离 不灵敏区
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串级控制 串级控制的引入与基本概念 串级控制系统的特性分析 串级控制的设计原理与副参数的选择 串级控制器的实现与参数整定步骤
加热炉出口温度控制仿真举例 串级控制中的积分饱和现象及其防止
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炉出口温度串级控制 (1) 该方案由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。
(1) 该方案由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。 (2) 该方案有两个控制回路,其中一个用于控制 T,而一个用于控制 Fgas。 为何叫“串级控制”? 注:燃料气流量只是用作中间辅助变量,以改善CV的控制性能。 试画出上述串级控制系统的方块图 ?
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工艺介质炉出口温度 串级控制方块图 这里,TC 23 被称为“主控制器”,而 FC 13 被称为“副控制器”;D1 表示了各种直接进入外回路的干扰,D2 表示了各种直接进入内回路的干扰。干扰举例?
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一般串级控制系统方块图 注:D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响,D2 反映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。
试指出主、副回路各自所对应的“广义对象” ?
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串级控制系统的设计原则 单回路控制不能满足性能要求; 有反映系统主要干扰的可测副参数; 控制阀与副参数之间具有因果关系;
副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小,调节通道短,反应灵敏; 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。
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串级控制中副参数的选择原则 常见的串级回路: 对于某些干扰,副参数应比主参数更快地感受到其变化,而且“越快越好”
副回路应尽可能多地包含主要干扰,而且“越多越好” 如果可能,副回路应包含一些非线性对象。 常见的串级回路: 温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、液位-流量、温度-温度等。
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换热器出口温度 串级控制方案比较 方案 #2 方案 #1 方案 #3
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串级PID系统的积分饱和问题 问题:当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时,在限位参数不一致的情形下,存在发生“积分饱和”的可能性。
Why? How?
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串级控制系统的防积分饱和 说明正常运行的情况以及发生积分饱和的情况 说明正常运行的情况以及发生积分饱和的情况
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前馈控制 前馈控制的概念 线性前馈控制器的设计 非线性前馈控制器的设计 前馈控制器的设计举例 前馈反馈控制策略
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线性前馈控制器设计 设计目标: 前馈控制器设计公式:
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线性前馈控制器设计(续) 前馈控制器设计公式: 物理意义分析 ( 为什么 ? )
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非线性动态前馈控制器 动态前馈控制器 (g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp、T1、RF对系统输出T2的通道特性的动态部分。)
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前馈控制与反馈控制的比较 前 馈 控 制 反 馈 控 制 扰动可测,但不要求被控量可测 被控量直接可测
基于扰动超前调节,可实现系统输出的不变性(但存在可实现问题) 按偏差控制,存在偏差才能调节(滞后调节) 开环调节,无稳定性问题 闭环调节,存在稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 系统可感受所有影响输出的扰动 对于干扰与控制通道的动态模型,要求已知而且准确 对通道模型要求弱,大多数情况无需对象模型 对时变与非线性对象的适应性弱 对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强
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比值控制 比值控制的概念 比值控制方案设计 锅炉中的空燃比双交叉比值控制
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比值控制方案 #1 假设两流量变送器均为线性,其输出为0 ~ 100%,仪表量程分别为[0, QAmax]、[0, QBmax] 稳态条件:
非线性变送器输出的是差压信号 如果流量变送器是非线性的会怎样?
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比值控制方案 #2 稳态条件:
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比值控制方案 #3 对于以%为单位的数字仪表,乘法器输出为 稳态条件: QA, sp = QA, m 与方案#1的异同?
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锅炉空燃比控制方案 带有O2调节的双交叉控制
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超弛与选择控制 超驰控制(也称约束控制)问题 约束控制方案的设计 约束控制中的积分饱和及其防止 (被控变量)选择控制方案
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超弛控制方案 LS: 低选器 (Low Selector) u(t) = min(u1, u2) (1)试给出该超驰控制系统的方块图
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超驰控制中的抗积分饱和 讨论 正常工况下与液位过低情况下,该控制系统如何工作?
特点分析:只有处于闭环条件下的控制器才有积分作用,而非活动控制器只是跟踪活动控制器的输出。
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选择控制 特点:被控变量类型相同,通常只有一个控制器,与单回路控制相近,只是控制器输入由多个测量信号选择得到。
反应器热点温度(最高温度)可能随着催化剂的老化、变质和流动而改变位置,因此在反应器内数个不同地方同时测量温度,选择最高的温度作为热点温度进行控制。
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分程控制 分程控制的概念与方法 分程控制的应用举例— 间歇反应器与储罐气封控制 阀位控制方案与应用举例
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分程控制的基本设计思想 在分程控制系统中,仅有一个被控变量CV,但通常有两个操作变量MVs。
分程控制的基本设计思想是,将两个MVs (或两个控制阀)合并成一个MV,再按单回路方式进行控制; “分程”是指将控制器输出信号按范围划分成几段,其中每一段只调节一个控制阀的开度(另一控制阀的开度保持不变)。
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双控制阀的分程组合
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间歇放热反应器 分程控制系统设计分析 问题讨论 选择两控制阀的气开/气关形式; 温度控制器的正反作用; 两控制阀如何分程协调工作?
画出该控制系统的方块图
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对象非线性增益补偿 调节阀的非线性及其补偿 控制通道的非线性及其补偿 pH中和过程的非线性控制
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换热器出口温度控制系统 对象特性分析 过程稳态模型为: 对象增益:
讨论:由于对象增益存在非线性,当RF变化较大时,TC27的PID参数整定困难(为什么?)。如何通过增益补偿,以减少对象非线性对控制回路的影响?
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调节阀特性补偿 可写出热平衡方程: 控制通道静态增益: 从静态增益补偿的角度考虑:
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对象非线性增益补偿方法 非线性控制阀 串级控制 变比值控制 (控制器)非线性增益的引入 (广义对象)非线性变换环节的引入
对象参数辨识 + 控制器增益调整
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纯滞后补偿:Smith预估器 预测误差滤波器:
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内模控制 由基本的内模控制结构图,可得:
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相对增益计算 稳态方程:
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传递函数矩阵计算相对增益 其中det K 是矩阵K 的行列式,Kij是矩阵K 的代数余子式。
注:上述计算公式中的 “●” 为两矩阵对应元素的相乘(点乘)! 注: “●” 表示两矩阵元素相乘,并非矩阵相乘。 其中det K 是矩阵K 的行列式,Kij是矩阵K 的代数余子式。
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混合过程的变量配对分析 稳态模型: 问题:非线性模型,如何分析回路间的关联?
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串级解耦 设计解耦器以消除两回路间的交叉作用,即:
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串级解耦方案#1 实现问题?
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串级解耦方案#2 若
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串级解耦器 问题: (1) MVs初始值如何选取?(2)控制器“手动/自动”切换时或某一MVs受限时,上述系统如何工作?
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2×2 耦合系统 的前馈解耦设计方案
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锅炉的控制问题 系统分解:(1)锅炉汽包水位的控制; (2)锅炉燃烧系统的控制; (3)过热蒸汽系统的控制。
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三冲量控制方案 问题讨论 (1)指出其控制策略 ? (2)画出其控制方块图
(3)选择控制器LC11的正反作用,C2的符号与大小,假设给水阀为气关阀,且C1 = 1。
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精馏塔控制 精馏塔工艺原理与控制问题 精馏塔压力控制 (A) 物料平衡控制 分离产品纯度控制 (B) 塔顶产品纯度单端控制
(C) 塔底产品纯度单端控制 (D) 两端产品纯度控制 其它控制方案
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课堂讨论:逆流操作模式#1下 精馏段质量指标控制
CVs: LD, LB +TR MVs: L , QH , F, B DVs: xF、D 控制目标:平稳操作,克服干扰对塔顶产品质量的影响;并自动适应塔顶产品需求量变化?
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课堂讨论:逆流操作模式#2下 提馏段质量指标控制
CVs: LD, LB +TS MVs: L , QH, F, D DVs: xF、B 控制目标:在平稳操作的前提下,克服干扰对塔底产品质量的影响;并自动适合塔底需求量的变化
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