过程控制技术第6章(1)

《过程控制技术第6章(1)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制技术第6章(1)（30页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、 像机器制造厂生产机器一样，一台机器的所需零部件在各专门车间制造完毕后，接下来的任务是将它们按预定的方案组装起来、调试好，然后投入运行，发挥预期的作用。前几章对过程控制中的参数检测、控制算法、执行机构和被控过程等主要部分，逐一进行了介绍与讨论，具备了组建过程控制系统的基本条件，从这一章开始，我们着手搭建过程控制系统。从最常用的单回路控制系统（Single Loop Control System）起步，分别就系统设计、参数整定和设计举例等内容进行讨论与学习，然后将问题引向深入，过程控制中使用率比较高的串级控制系统（Cascade Control System）。至于其它类型的控制系统，如专用控制

2、系统、较复杂控制系统将在后续章节中陆续介绍，一般过程控制工程的设计与举例留到最后一章来讨论。第第 6 章章 常用过程控制系统常用过程控制系统6.1 单回路控制系统设计单回路控制系统设计 单回路控制系统的全称是单个回路反馈控制系统，它具有投资成本低、结构相对简单、调整比较容易、操作和维护方便等特点，适合被控过程惯性小、无纯时延、扰动小的作业现场，因而应用十分广泛。只有在单回路控制系统不能满足需要时，才考虑用较复杂的控制系统或者专门控制系统。除此之外，单回路控制系统还是复杂控制系统的基础，掌握了设计和分析单回路控制系统的方法和技巧，设计和分析复杂控制系统就不难了。 6.1.1 单回路控制系统的基本

3、结构与原理单回路控制系统的基本结构与原理 图 6-1 单回路控制系统结构方框图 单回路控制系统是指由一个控制器、一个调节阀、一个检测器和一个被控过程组成的闭环负反馈控制系统，通常只对一个被控参数进行控制。图 6-1 是一个通用型的单回路控制系统的结构方框图。它由控制器 、调节阀 、被控过程 和测量变送器 等四部分组成。也可粗略地说，单回路控制系统是由控制器和广义被控过程两部分组成，这里的广义c( )G sv( )Gso( )Gsm( )Gs被控过程包括 、 和 。图 6-1 中其它有关量，如 、 和 的称谓分别是：给定值（Set value）、被控量（Controlled variable）和

4、干扰量（Disturbance variable），而 、 和 则分别为偏差量（Deviation variable）、操作量（也称控制量, Manipulated variable）和测量量（Measured variable）。 o( )Gsm( )Gsv( )Gs( )R s( )Y s( )F s( )E s( )U s( )Z s 也许，上面的叙述显得笼统，我们不妨看一个具体的例子。图 6-2 是一个储罐液位控制系统，来自前一工序的半成品不断流入储罐，然后从储罐右下端经调节阀流出。由于流入量或流出量的变化会引起储罐液位变化，严重时可能会溢出或抽干，因此将储罐中的液位确定为被控量，通过

5、控制流出阀的开度实现储罐液位的稳定。用LT作为液位的检测变送器，LC作为液位控制器，流出阀作为调节阀，分别与图 6-1中的 、 和 相对应，而预期的液位即为 ,实际的液位即为 ，相应的测量输出量（电信号）为 （图中未标出），整个储罐及其连接管道就是被控过程/对象。 m( )Gsc( )G sv( )G s( )R s( )Y s( )Z s图 6-2 液位单回路控制系统结构图 给出期望液位后，它与检测获得的实际液位相比较，（偏）差值作为控制器输入，经运算后，控制器输出操作信号，调整流出阀门的开度，试图使储罐的液位高度与期望值一致，达到控制储罐液位的目的。 单回路控制的设计内容主要有：被控量和操

6、纵量的选择、被控量的测量与变送、调节阀的选择、控制器的选型及其正反作用方式的确定等。 6.1.2 被控量的选择被控量的选择 被控量的选择是过程控制设计中一个关键量的选择，它对于提高产品质量和数量、改善劳动条件、节能降耗都具有重要意义。如果选择不当，很有可能既浪费人力和物资资源，产品又达不到预期的要求。应当指出，有些场合，工艺流程较为简单，或目的比较明确，选择被控量比较容易；但也有一些场合，被控量的决定却需要经过分析、比较和论证之后，才能决定。 被控量的选择有两种：一是直接参数法直接参数法，二是间接参数法间接参数法。所谓直接参数法是选择那些直接影响产品质，并且使生产稳定、安全和高效的物理量作为被

7、控量。间接参数法是当用直接参数法选择被控量有困难时，例如，关键的物理量无法测量（目前无相关的检测器，或者由于环境、条件等原因，使测量极为困难，或者测量精度不足等），转而选择与关键量相关联的、易于测量的、且与关键量呈单值对应关系与关键量呈单值对应关系的物理量作被控量。 例如，精馏塔塔顶馏出物浓度是一个易挥发的关键量，将其作为被控量是工艺上所期望的，但是它的测量却不容易。然而，塔顶馏出物组分浓度是塔顶压力和温度的函数，如果固定塔压（用其他方式），那么，塔顶温度就可作为塔顶馏出物浓度的间接被控量。当然，从原理上说，也可选塔顶压力作间接被控量。这里的选择原则是：间接参数与直接参数之间有紧密关系，且是单

8、值函数，并且间接参数应有足够的灵敏度，同时也应考虑工艺上的合理性等。 过程控制中，被控量的一般选取原则是： （1）选择能直接反映产品质量、可测量的变量作为被控量，同时应满足工艺稳定、安全，生产高效且经济的要求； （2）如果不能用直接参数法选被控量，应选择与关键量有紧密联系，且是单值函数关系、易于测量的物理量作为被控量； （3）被控量应有较高的灵敏度、测量上的方便性和工艺上的合理性。6.1.3 操纵量及控制通道的选择操纵量及控制通道的选择 操纵量也称控制量，它是对被控过程直接施加影响的量。在过程控制中，有些过程的参量作为操纵量是唯一的，无选择余地；而有时也会遇到在一个被控过程中，有几种不同的参量

9、，都可作为操纵量而供候选。此时，合理、明智的选择则显得很重要。一旦其中一个参量被选作操纵量之后，其它未被选中的量就自动变成干扰量了。而从操纵量到被控量的通道称为控制通道（Control Channel），从干扰量到被控量的通道则为干扰通道（Disturbance Channel）。所以，选择操纵量的选择，实际上也是控制通道的选择。 操纵量的作用是：排除干扰，通过控制通道，积极引导被控量达到设定值，或者按设定的规律变化；而干扰量是一种无意识的随机行为，通常起消极作用，它经干扰通道后，使被控量偏离设定值，或者作随机的无序变化。那么，选择控制通道应考虑哪些问题呢？操纵量的选择是否有值得注意的地方呢？

10、 1. 从静态特性看，控制通道的放大系数应大于干扰通道的放大系数 假如有两条通道，需从中选择一条作为控制通道，单从两通道的放大系数来说，应选择放应选择放大系数大的作控制通道大系数大的作控制通道。下面来看这样选择的理由。 如图 6-3 为单回路控制系统，其中 为控制通道的传递函数， 为干扰通道的传递函数， 为控制器传递函数，设它们分别为o( )Gsf( )Gsc( )G s0o0( )1KGsT sfff( )1KG sT scc( )G sK图 6-3 具有干扰通道的单回路控制系统 当干扰 和给定 同时作用于系统时，由图 6-3 可有 ( )F s( )R scofcoco( )( )( )(

11、 )( )( )11G s GsGsY sR sF sG GG G，根据偏差定义： ，将上式代入，并经整理，有 ( )( )( )E sR sY sfcoco( )1( )( )( )1( )( )1( )( )GsE sR sF sG s GsG s Gs将 、 和 的表达式代入，并考虑给定信号 和干扰信号 均为单位阶跃，则有 f( )G sc( )G so( )Gs( )R s( )F s0f000cf00cf1(1)11( )1(1)(1)(1)T sKT sE sT sK K sT sT sK K T ss 由拉斯变换终值定理，系统偏差的稳态值为0( )lim ( )lim( )tse