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过程控制方案的确定

时间:2015-03-23 09:38来源:www.eadianqi.com 编辑:自动控制网
控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选

  控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀(执行器)的选择和调节器正、反作用的确定等内容。
  v系统被控变量的选择
  被控变量的选择十分重要的,它是决定控制系统有无价值的关键。任何一个控制系统,总是希望能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量以及改善劳动条件等方面发挥作用,如果被控变量选择不当,配备再好的自动化仪表、使用再复杂、先进的控制规律也是无用的。应该从生产过程对控制系统的要求出发,合理的选择被控变量。
  生产过程中,控制大体上可以分为三类:物料平衡控制和能量平衡控制,产品质量或成分控制,限制条件的控制。对于某个给定的工艺过程,应选择哪几个工艺参数作为被控变量,以及这些被控变量的给定值应取多少?这些问题包含了整体控制的结构策略和整体操作最优化问题,此处不做讨论,主要讨论简单控制系统被控变量的选择。
  v系统被控变量的选择
  假定在工艺过程整体优化基础上已确定了需要恒定(或按某种规律变化)的过程变量,那么被控变量的选择往往是显而易见的。例如生产上要求控制的工艺操作参数是温度、压力、流量、液位等,很明显被控变量就是温度、压力、流量、液位。但也有如下一些情况,需要对被控变量的选择认真加以考虑:

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  (1) 表示某些质量指标的参数有好几个,应如何选择才能使所选的被控变量在工艺上和控制上是合理的,而且是独立可控的;
  (2) 某些质量指标,因无合适的测量仪表直接反映质量指标,从而采用选择与直接质量指标之间有单值线性对应关系而又反应快的间接指标作为被控变量的办法;
  (3) 虽有直接参数可测,但信号微弱或测量滞后太大,还不如选用具有单值线性对应关系的间接信号为好。
  v控制方案的确定
  被控参数的选取
  被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则:
  1)对于具体的生产过程,应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数 。
  2)当难以用直接参数作为被控参数时,应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。
  3)当采用间接参数时,该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度,否则难以保证对产品质量的控制效果。
  4)被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素 。
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  对于一个已经运行的生产过程,被控参数往往是由工艺要求事先确定的。
  控制参数的选择
  当工艺上允许有几种控制参数可供选择时,可根据被控过程扰动通道和控制通道特性,对控制质量的影响作出合理的选择。所以正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。
  扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响,力图使被控参数偏离给定性.控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影响,抵消扰动影响,以使被控参数尽力维持在给定值。
  在生产过程有几个控制参数可供选择时,一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强,动态响应要比扰动通道快。可由过程静态特性的分析(扰动通道静态放大倍数Kf、控制通道静态放大倍数Ko)、过程扰动通道动态特性的分析(时间常数Tf、时延τf、扰动作用点位置)、过程控制通道动态特性的分析(时间常数To、时延τ(包括纯时延τ0、容量时延τc)、时间常数匹配)确定各参数选择原则 .
  v控制参数(操纵变量)的选择
  以控制质量为依据,通过对过程静态特性、动态特性的分析,讨论控制参数选择的一般原则。 本文来自www.eadianqi.com
  控制通道克服扰动的能力强,动态响应比扰动通道快。
  设单回路控制系统的框图如下图所示:
  
  v控制参数的选择
  过程特性对控制质量的影响
  
  v控制参数(操纵变量)的选择
  v控制通道克服扰动的能力强,动态响应比扰动通道快。
  v过程静态特性的分析
  
  v设传递函数分别为:
  
  由于系统是稳定的,则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为:
  
  (2) 干扰通道纯时延的影响
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  (4) 干扰进入系统位置的影响
  
  将式4与式2相比,多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数产生动态影响。从动态看,这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进入系统的位置越远离被控参数,对系统的动态控制质量越有利。但从静态看,这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大,这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。
  2. 控制通道特性对控制质量的影响
  
  如果控制通道的时间常数太大,则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时,系统的过渡过程时间就会延长,最终导致控制质量下降;但当时间常数 太小,则调节过程又过于灵敏,容易引起振荡,同样难以保证控制质量。在系统设计时,应使控制通道的时间常数既不能太大也不能太小。
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  造成系统滞后的主要原因有:
  被测对象滞后:测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和/或传递滞后。
  检测元件滞后:因热容、热阻等惯性因素的影响,导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化。
  信号传递滞后:主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。
  控制通道的纯滞后,都会使系统的动态偏差增大,超调量增加,最终导致控制质量下降。从系统的频率特性分析,控制通道纯滞后的存在,会增加开环频率特性的相角滞后,导致系统的稳定性降低。因此,应减小控制通道的纯滞后,以利于提高系统的控制质量。
  (4) 控制通道时间常数匹配的影响
  实际生产过程中,广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。
  
  可以证明:时间常数相差越大,临界稳定的增益则越大,这对系统的稳定性是有利的。 也就是说:在保持稳定性相同的情况下,时间常数错开得越多,系统开环增益就允许增大得越多,因而对系统的控制质量就越有利。
  控制参数的确定
  简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下:
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  这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。
  4) 当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时,应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大,以便尽可能提高系统的可控性。
  5) 在确定控制参数时,还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素一般说来,不宜选择生产负荷作为操纵变量,因为生产负荷直接关系到产品的产量,是不宜经常波动的。另外,从经济性考虑,应尽可能地降低物料与能量的消耗。
  测量元件特性的影响
  测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置,也是系统进行控制的依据。所以,要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。假如测量不准确,使操作人员把不正常工况误认为是正常的,或把正常工况认为不正常,形成混乱,甚至会处理错误造成事故。测量不准确或不及时,会产生失调或误调,影响之大不容忽视。测量元件,特别是测温无件,由于存在热阻和热容,它本身具有一定的时间常数,因而造成测量滞后。因此,控制系统中的测量元件时间常数不能太大,最好选用惰性小的快速测量元件,例如用快速热电偶代替工业用普通热电偶或温包。必要时也可以在测量元件之后引入微分作用。利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。
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  当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数的1/10时,对系统的控制质量影响不大。这时就没有必要盲目追求小时间常数的测量元件。有时,测量元件安装是否正确,维护是否得当,也会影响测量与控制。特别是流量测量元件和温度测量元件,例如工业用的孔板、热电偶和热电阻元件等。
  当测量存在纯滞后时,也和对象控制通道存在纯滞后一样,会严重地影响控制质量。这时引入微分作用是徒劳的、加得不好,反而会导致系统不稳定。所以在测量元件的安装上,一定要注意尽量减小纯滞后。对于大纯滞后的系统,简单控制系统往往是无法满足控制要求的,须采用复杂控制系统。
  信号的传送滞后
  信号传送滞后通常包括测量信号传送滞后和控制信号传送滞后两部分。测量信号传送滞后是指由现场测量变送装置的信号传送到控制空的控制器所引起的滞后。对于电信号来说,可以忽略不计,但对于气信号来说,由于气动信号管线具有一定的容量,所以,会存在一定的传送滞后。
  控制信号传送滞后是指由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。
  对于气动薄膜控制阀来说、出于膜头空间具有较大的容量,所以控制器的输出变化到引起控制阀开度变化,往往具有较大的容量滞后,这样就会使得控制不及时,控制效果变差。信号的传送滞后对控制系统的影响基本上与对象控制通道的滞后相同,应尽量减小。气压信号管路一般不超过300m,直径不小于6mm,或者用阀门定位器、气动继动器增大输出功率,以减小传送滞后。在可能的情况下,现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递。

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  被控参数的测量与变送
  
  为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差,应尽可能选择快速测量仪表,并且注意以下几点问题:
  1) 应尽可能做到对测量仪表的正确安装,这是因为安装不当会引起不必要的 测量误差,降低仪表的测量精度;
  2) 对测量信号应进行滤波和线性化处理;
  3) 对纯滞后要尽可能进行补偿;
  
  调节规律对调节质量的影响及其选择
  在广义对象特性已经确定的情况下,如何通过控制器控制规律的选择与控制器参数的工程整定,来提高控制系统的稳定性和控制质量,这就是本节与下一节所要讨论的主要问题。
  
  调节器(控制器):将被控变量的测量值与给定值进行比较,得到偏差信号,然后对得到的偏差信号进行比例、积分、微分等运算,并将运算结果以一定的信号形式送到执行器,进而实现对被控变量的自动控制自动控制网www.eadianqi.com版权所有
  目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律;比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律,分别简写为P、PI和PID。 选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。
  v1、比例控制(P)分析
  控制器输出变化与输入偏差成正比。
  在时间上没有延迟。
  在相同的偏差下,Kc越大,输出也越大,因此Kc是衡量比例作用强弱的参数。
  工业上用比例度来表示比例作用的强弱。
  v比例度对系统过渡过程影响
  1)在扰动(或负荷)变化及设定值变化时有余差存在。
  当比例度较小时,余差小。
  2)比例度越大,过渡过程曲线越平稳;随着比例度减小,系统振荡程度加剧。当比例度减小到某数值时,系统出现等幅振荡,再减小系统将发散。因此控制系统参数设置不当,也达不到控制系统设计的效果应该根据系统各个环节的特性,特别是过程特性选择合适的控制器参数 ,才能获得理想的控制指标。
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  比例(P)调节规律的影响
  3) 对于惯性过程,
  当给定值不变时,采用比例调节,只能使被控参数对给定值实现有差跟踪;当给定值随时间变化时,其跟误差将会随时间的增大而增大。因此,比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。
  4) 增大比例调节的增益 不仅可以减小系统稳态误差,而且还可以加快系统的响应速度
  比例积分控制(PI)分析
  控制器输出信号的大小,不仅与偏差大小有关,还取决于偏差存在的时间长短。
  只要有偏差存在,控制器的输出就不断变化。偏差存在时间越长,输出信号的变化量越大,直到达到输出极限。只有余差为0,控制器的输出才稳定。
  力图消除余差是积分作用的重要特性。
  在幅度为A的阶跃作用下,积分控制器的开环输出如图所示。输出直线的斜率为KIA。
  
  阶跃偏差作用下积分输出
  积分控制的弱点:在第一个前半周期内,测量值一直低于设定值,出现负偏差,所以按同一方向累积。从t1到t2时间段,偏差还是为负,但数值在减小,因此,积分输出仍然在增加,但增加的量在减小。显然,在这个时间段,积分输出增加是不合理的,因为偏差已经在减小。这就暴露了积分控制的弱点:控制作用的落后性。这往往会导致超调,并引起被控变量波动厉害。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
  积分调节可得如下结论:
  1) 采用积分调节可以提高系统的无差度,也即提高系统的稳态控制精度。
  2)比例作用的输出与偏差同步,偏差大,输出大,偏差小,输出小,因此控制及时。而积分作用则不是。
  工业上常将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律。 PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合,从而能收到比较好的控制效果。但是,由于PI调节给系统增加了相位滞后,与单纯比例调节相比,PI调节的稳定性相对变差。此外,积分调节还有另外一个缺点,即只要偏差不为零,调节器就会不停地积分使输出增加(或减小),从而导致调节器输出进入深度饱和,调节器失去调节作用。因此,采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。 在偏差幅度为A的阶跃作用下,比例输出立即跳变到KCA,然后积分输出随时间线性增加。在KC和A确定时,直线的斜率取决于积分时间TI的大小。
  TI越大,直线越平坦,积分作用越弱。
  TI越小,直线越陡,表示积分作用越强
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  TI趋向无穷大时,比例积分控制器蜕变为比例控制器。
  
        阶跃偏差作用下比例积分控制器的输出
  微分(D)调节规律的影响
  微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统被调量的变化趋势,因此,微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作,而是
  根据变化趋势提前动作。
  但微分时间的选择,对系统质量的影响具有两面性:当微分时间较小时,增加微分时间可以减小偏差,缩短响应时间,减小振荡程度,从而能改善系统的质量;
  当微分时间较大时,一方面有可能将测量噪声放大,另一方面也可能使系统响应产生振荡。 还要说明的是:单纯的微分调节器是不能工作的。
  微分时间TD对系统过渡过程的影响:在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中,适当引入微分作用,可在一定程度上提高系统的控制质量。因为当控制器在感受到偏差后再进行控制,过程已经受到较大幅度扰动的影响,或扰动已经进入系统一段时间,而引入微分作用后,当被控变量一有变化,根据变化趋势适当加大控制器的输出,有利于克服扰动对被控变量的影响,抑制偏差的增长,从而提高系统的稳定性。 本文来自www.eadianqi.com
  如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比,则可适当减小控制器的比例度,一般可减小15%左右,从而使得系统的控制指标得到全面的改善。但是若微分作用太强,即TD太大,反会引起系统振荡,必须注意这一点。
  测量中有显著噪声时,如流量测量信号中常有不规则的高频噪声,则不宜引入微分作用,有时反而需要反微分作用。微分时间TD对系统过渡过程的影响
  若TD太小,则对系统的控制指标没有或影响很小,如图中曲线1
  选取适当的TD,系统的控制指标将得到全面的改善,如曲线2所示。
  若TD过大,即引入太强的微分作用,反而可能导致系统剧烈振荡,
  如曲线3所示。
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  不同TD下的控制过程
  比例微分控制(PD)分析
  微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关,而与偏差存在与否无关。因此,纯粹的微分控制作用是无意义的,一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。
  
  在偏差跳变瞬间,输出跳变幅度为比例输出的KD倍,即KDKCA,然后按指数规律下降,最后当t趋向无穷大时,仅有比例输出KCA。因此决定微分作用的有两个因素:
  一个是开始跳变幅度的倍数,用KD来衡量
  另一个是降下来所需要的时间,用微分时间TD来衡量。
  输出跳得越高,或降得越慢,表示微分作用越强。微分增益KD是固定不变的,只与控制器的类型有关。电动控制器的KD一般是5-10。如果KD=1,则等同于比例控制。KD<1称为反微分器,它的控制作用反而减弱。这种反微分控制器运用于噪声较大的系统中,会取较好的滤波效果。
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  运用控制理论的知识分析PD调节规律,可以得出以下结论:
  2) PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差(或超调)。
  3) PD调节有利于减小系统静差(稳态误差)、提高系统的响应速度。
  4) PD调节的不足:首先,PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过程;不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次,当微分作用太强较大时,会导致系统中调节阀的频繁开启,容易造成系统振荡。
  比例积分微分控制(PID)
  由传递函数可知,PID是比例、积分、微分调节规律的线性组合,它吸取了比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功能等优点而弥补了三者的不足,是一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知,与PD相比,PID提高了系统的无差度;与PI相比,PID多了一个零点,为动态性能的改善提供了可能。因此,PID兼顾了静态和动态两方面的控制要求,因而能取得较为满意的调节效果。
  PID控制规律的应用
  PID控制器有比例度、积分时间TI和微分时间TD三个参数可供调整,因此适用范围广,在温度和成分分析系统的控制中得到更为广泛的应用。
  PID控制规律综合了各种控制规律的优点,具有较好的控制性能,但这并不意味着它在任何情况下都适用,必须根据工艺要求,选择最为合适的控制规律。
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  各类化工过程常用的控制规律。
  液位:一般要求不高,用P或PI控制规律。
  流量:时间常数小,测量信号中有噪声,用PI或加反微分控制规律。
  压力:介质为液体的时间常数小,介质为气体的时间常数中等,用P或PI控制规律。
  温度:容量滞后大,用PID控制规律。
  调节规律的选择
  1) 当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时,应引入微分调节;当工艺容许有静差时,应选用PD调节;当工艺要求无静差时,应选用PID调节;
  2) 当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时,应选用P调节。 储罐压力,液位
  3) 当广义过程控制通道时间常数较小,负荷变化不大,但工艺要求无静差时,应选用PI调节。 管道压力和流量
  4) 当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时,简单控制系统则难以满足工艺要求,应采用其他控制方案;
  
  执行器的选择
  执行器是过程控制系统的重要组成部分,其特性好坏直接影响系统的控制质量 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
  1. 执行器的选型:
  在过程控制中,使用最多的是气动执行器,其次是电动执行器。应根据生产过程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加以选择并且确定。
  2. 气动执行器气开、气关的选择
  气动执行器分气开、气关两种形式,它的选择首先应根据调节器输出信号为零(气源中断)时使生产处于安全状态的原则确定,其次,在保证安全的前提下,还应根据是否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。如阀门在信号中断后处于打开位置,流体不中断最安全,则选用气关阀;如果阀门在信号压力中断后处于关闭位置,流体不通过最安全,则选用气开阀。
  3. 调节阀尺寸的选择
  调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径,在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间。过小:大扰动时非线性饱和,失控。过大:处于小开度,阀芯冲蚀严重;不平衡力产生振荡
  4. 调节阀流量特性的选择
  通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性,以达到系统总的放大倍数近似线性的目的
  调节器正/反作用方式的选择
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