【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3．選擇合適的調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式 主要是考慮在不同工藝條件下 安全生產(chǎn) 的需要。選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥應(yīng)考慮以下情況： 1)考慮事故狀態(tài)時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全。 當(dāng)過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)生故障 (如氣源中斷、控制器損壞或調(diào)節(jié)閥壞了 )時(shí)，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。 例： 鍋爐供水調(diào)節(jié)閥 進(jìn)加熱爐的燃料氣 (油 )的調(diào)節(jié)閥 2)考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 例： 精餾塔進(jìn)料調(diào)節(jié)閥 精餾塔回流量調(diào)節(jié)閥 3)考慮介質(zhì)的性質(zhì)。 例： 裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置的流量調(diào)節(jié)閥 第四節(jié) 控制器 (調(diào)節(jié)器 )的選擇 ? 在過(guò)程控制中 ， 控制器 常稱為 調(diào)節(jié)器(控制 常稱為 調(diào)節(jié) )。 ? 控制器的選型與控制規(guī)律的確定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 最重要 的環(huán)節(jié) 。 ? 控制器的選型主要根據(jù) 被控過(guò)程的特性 、 工藝對(duì)控制品質(zhì)的要求 、 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) (包括經(jīng)濟(jì)性 )來(lái)綜合考慮 。 ? 本節(jié)討論控制器選擇中的共性問(wèn)題 。 1． 選擇控制器的控制規(guī)律 (1)根據(jù) η0／ T0比值來(lái)選擇： 當(dāng)已知過(guò)程數(shù)學(xué)模型 η0／ T0 ，選用 P或 PI控制規(guī)律； η0／ T0 ，選用 PI或 PID控制規(guī)律； η0／ T0 時(shí)，單回路反饋控制系統(tǒng)已不能滿足控制要求，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用其他控制方式。 () 1 OOKW o sTS? ?o τse (2)根據(jù)過(guò)程特性選擇控制規(guī)律： 若過(guò)程的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜或無(wú)法準(zhǔn)確建模時(shí) ， 可根據(jù)何種控制規(guī)律適用于何種過(guò)程特性與工藝要求來(lái)選擇 。 1)比例 (P) ： P控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響 ， 使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái) ， 但有余差 。適用于 控制通道滯后較小 ， 負(fù)荷變化不大 ， 控制要求不高 ， 時(shí)間常數(shù)不太大 ，擾動(dòng)幅度較小 ， 被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差 的場(chǎng)合 。 如儲(chǔ)槽液位控制 、壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐的壓力控制 、 塔釜液位控制和不太重要的蒸汽壓力控制等 。 2)比例積分 (PI) ： 工程上應(yīng)用最廣泛 。 積分能消除余差 ， 它適用于 控制通道滯后較小 、負(fù)荷變化不大 、 被控參數(shù)不允許有余差 的場(chǎng)合 。 如某些流量 、 液位要求無(wú)余差的控制系統(tǒng) 。 3)比例微分 (PD)：微分具有 超前 作用 ， 對(duì)于具有 容量滯后 的控制通道 ， 引入微分控制規(guī)律 (微分時(shí)間設(shè)置得當(dāng) )對(duì)于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) ， 有顯著的效果 。 適用于 控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大 的場(chǎng)合 ，如溫度或成分控制 。 但對(duì)于 純滯后較大 、測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性擾動(dòng) 的系統(tǒng) ， 則不宜采用微分控制 。 ? 4)比例積分微分 (PlD)： 是一種較理想的控制規(guī)律 ， 可消除余差 ， 又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。 適用于 控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大 、 控制要求較高 的場(chǎng)合 。如某些溫度控制 、 成分控制等 。 ? 控制規(guī)律要根據(jù)過(guò)程特性和工藝要求來(lái)選取 ， 決不是說(shuō) PID控制規(guī)律具有較好的控制性能就不分場(chǎng)合地選用 ， 否則會(huì)給其它工作增加復(fù)雜性 ， 并帶來(lái)參數(shù)整定的困難 。 ? 當(dāng)采用 PID控制器還達(dá)不到工藝要求的控制品質(zhì)時(shí) ， 則需要考慮其它的控制方案(第四章 )。 制 (調(diào)節(jié) )器 的正 、 反作用方式 ? 正作用 方式 調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差(指測(cè)量值大于設(shè)定值 )的增加而增加 ， 即調(diào)節(jié)器的輸出隨測(cè)量值的增大而增大 。 ? 反作用 方式 調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而減小 ， 即調(diào)節(jié)器的輸出隨測(cè)量值的增大而減小 。 ? 調(diào)節(jié)器正 、 反作用方式的確定原則： 應(yīng)根據(jù) 被控過(guò)程的特性 及 調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi) 、 氣關(guān)形式 來(lái)選擇 ， 以使系統(tǒng)成為一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng) 。 即如果被控變量偏高 ，控制作用應(yīng)使之降低；相反 ， 如果被控變量偏低 ， 控制作用應(yīng)使之升高 。 ? 被控過(guò)程的特性 ， 分為正 、 反兩種： 正作用特性： 當(dāng)被控過(guò)程的輸入(通過(guò)調(diào)節(jié)閥的物料或能量 )增加 (或減小 )時(shí) ， 其輸出 (被控參數(shù) )亦增加 (或減小 ) 。 反作用特性： 反之為反作用特性 。 ? 調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi) 、 氣關(guān)形式 ? 組成過(guò)程控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)極性規(guī)定 ： 氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥： 其靜態(tài)放大系數(shù) Kv取正； 氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥： 其靜態(tài)放大系數(shù) Kv取負(fù)； 正作用被控過(guò)程： 其靜態(tài)放大系數(shù) Ko取正； 反作用被控過(guò)程： 其靜態(tài)放大系數(shù) Ko取負(fù) 。 正作用調(diào)節(jié)器： 即當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí) ，調(diào)節(jié)器的輸出亦增加 ， 其靜態(tài)放大系數(shù) Kc取負(fù) ； 反作用調(diào)節(jié)器： 即當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí) ，調(diào)節(jié)器的輸出減小 ， 其靜態(tài)放大系數(shù) Kc取正 ； ? 過(guò)程控制系統(tǒng)要能正常工作 ， 則該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性 (可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示 )相乘必須為正 。 ? 測(cè)量變送器的靜態(tài)放大系數(shù) Km通常為正極性 ，故只需調(diào)節(jié)器 Kc、 調(diào)節(jié)閥 Kv和過(guò)程 Ko的極性相乘必須為正即可 。 Kc Kv Ko 0 ? 確定調(diào)節(jié)器正 、 反作用的次序過(guò)程： – 首先 根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)氣關(guān)形式； – 然后 按被控過(guò)程特性 ， 確定其正 、 反作用特性； – 最后 根據(jù)上述組成該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則來(lái)確定調(diào)節(jié)器的正 、反作用方式 。 例：貯槽液位控制 （ P173） 第六節(jié) 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 以微處理器 、 單片微處理器為核心的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與數(shù)字調(diào)節(jié)器 —— 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制設(shè)備已成為過(guò)程控制領(lǐng)域中不可缺少的強(qiáng)有力的工具 ， 正在逐步取代模擬調(diào)節(jié)器 ， 并且自身還在不斷發(fā)展 ， 用新的功能更強(qiáng)大或價(jià)格更便宜的新過(guò)程計(jì)算機(jī)控制設(shè)備來(lái)裝備現(xiàn)代過(guò)程工業(yè) 。 ? 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按規(guī)模 、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同 ， 大致可分為四類： (1)單機(jī)控制系統(tǒng) ：一般由微機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)組成 ， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 價(jià)格低廉 ， 適用于小規(guī)模的裝置 ， 如工業(yè)鍋爐 、 玻璃窯爐 、換熱器等的控制 。 (2)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) ：由監(jiān)控機(jī)(上位機(jī) )、 通信系統(tǒng)和若干個(gè) 下位機(jī) (工業(yè)控制計(jì)算機(jī) ， 簡(jiǎn)稱工控機(jī) )組成 。 不同裝置配有各自單獨(dú)的工業(yè)控制機(jī) ， 監(jiān)視和控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程 ， 適合于幾個(gè)至幾十個(gè)生產(chǎn)設(shè)備連接在一起的中規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程 ， 如聚合釜 、 精餾塔 、 發(fā)酵罐等 。 ? ( 3 )分布式控制系統(tǒng) ( D i s t ri b u t e d Control Systems， DCS)， 又稱 集散控制系統(tǒng) ， 采用控制分散和管理集中相結(jié)合的原則 ， 可對(duì)大規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程 (涉及幾百上千個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和控制 )進(jìn)行高可靠性的控制和有效的管理 。 其研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已基本成熟 （ 第九章 ） 。 ? ( 4 ) 計(jì) 算 機(jī) 集 成 過(guò) 程 控 制 系 統(tǒng)(Computer Integrated Process System，CIPS)： 一種以全局最優(yōu)為目標(biāo) ， 包含了從原材料采購(gòu)到產(chǎn)品銷售在內(nèi)的整個(gè)決策過(guò)程 、 管理過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ， 是一種全新的過(guò)程控制系統(tǒng) 。 目的還處于研發(fā)階段 。 ? 不同結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)雖然簡(jiǎn) 、繁相差很大 ， 但都包含了 最本質(zhì)最核心亦是最低層部分 過(guò)程控制 ，完成最基本的控制任務(wù) 。 這一控制功能常稱之為 直接數(shù)字控制 (Direct Digital Control， 簡(jiǎn)稱 DDC)， 其含意是直接面向生產(chǎn)過(guò)程 ， 采用數(shù)字計(jì)算機(jī) ， 對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行控制 。 ? 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 或子系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱 DDC系統(tǒng) )是過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的基本部分，由被控對(duì)象 (過(guò)程或裝置 )、檢測(cè)變送器、執(zhí)行器和工業(yè)控制機(jī)等四部分組成 (圖 3— 13) 。 ? DDC系統(tǒng)本質(zhì)上可看作是一臺(tái)工控機(jī)取代一臺(tái)或多臺(tái)常規(guī)調(diào)節(jié)儀表而構(gòu)成的過(guò)程控制系統(tǒng)，因而 DDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最基本內(nèi)容。 一、過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn) (一 )計(jì)算機(jī)控制的一般概念 將模擬過(guò)程控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就組成了一個(gè)典型的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖 3— 14。 (二 )過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 (圖 3— 15) (三 )過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 1)模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)： 除檢測(cè) 、變送裝置 、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等常用模擬部件之外 ， 其執(zhí)行控制功能的核心部件是數(shù)字計(jì)算機(jī) 。 2)需采用專門的理論來(lái)分析和設(shè)計(jì)： 系統(tǒng)除了包含連續(xù)信號(hào)外 ， 還包含數(shù)字信號(hào) 。 3)便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律： 連續(xù)控制系統(tǒng)若要修改控制規(guī)律 ， 一般須改變硬件結(jié)構(gòu) 。 而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)只需修改軟件 ，一般不需改變硬件結(jié)構(gòu) ， 使系統(tǒng)具有很大的靈活性和適應(yīng)性 。 4)多路分時(shí)控制： 在連續(xù)控制系統(tǒng)中 ， 一般是一個(gè)控制器控制一個(gè)回路 ， 而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 ， 由于計(jì)算機(jī)具有高速的運(yùn)算處理能力 ， 一個(gè)控制器 (計(jì)算機(jī) )經(jīng)?？刹捎梅謺r(shí)控制的方式同時(shí)控制多個(gè)回路 。 5)管控一體化： 采用計(jì)算機(jī)控制 ， 可實(shí)現(xiàn)如分級(jí)計(jì)算機(jī)控制 、 分布式控制等 ， 從而實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化 ， 使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高 。 二、數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì) ? 圖 3— 16為常見(jiàn)的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖。 ? 數(shù)字控制器的兩種設(shè)計(jì)方法： (1)模擬化設(shè)計(jì)方法 (間接設(shè)計(jì)法 ):在一定條件下 ， 把過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng) ， 用連續(xù)系統(tǒng)的理論來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì) ， 再將設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字計(jì)算機(jī) 。 (2)離散化設(shè)計(jì)方法 (直接設(shè)計(jì)法 ):把過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)變換 ，變成純粹的離散系統(tǒng) ， 用 z變換等工具進(jìn)行分析設(shè)計(jì) ， 直接設(shè)計(jì)出控制算法 。 ? 模擬化設(shè)計(jì)方法的基本思路： 當(dāng)系統(tǒng)的 采樣頻率足夠高 時(shí) ， 采樣系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變化的模擬系統(tǒng) ，因而可忽略采樣開(kāi)關(guān)和保持器 ， 將整個(gè)系統(tǒng)看成是連續(xù)變化的模擬系統(tǒng) 。 ? 設(shè)計(jì)的基本步驟： 根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型 ， 按連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)模擬調(diào)節(jié)器 ，然后按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系將模擬調(diào)節(jié)器離散化 ， 得到等價(jià)的數(shù)字控制器 ， 從而確定計(jì)算機(jī)的控制算法 。 ? 設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)： 將模擬調(diào)節(jié)器離散化 ， 用數(shù)字控制器取代模擬調(diào)節(jié)器 。 (一 )離散化方法 1．差分變換法 首先把原始的連續(xù)傳遞函數(shù) Wc(s)轉(zhuǎn)換成微分方程 ， 再用差分方程近似該微分方程 。 常用的差分近似方法有后向差向和前向差分 。 為便于編程 ， 離散化只采用后向差分法 。 (1)一階后向差分 一階導(dǎo)數(shù)采用如下近似式 (T為采樣周期 ) (2)二階后向差分 二階導(dǎo)數(shù)采用近似式 ? 例 31 求 的差分方程。（略） 2．零階保持器法（階躍響應(yīng)不變法） P160圖 317 基本思想：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列與模擬調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)的采樣值相等 ， 即 或 例 3— 2 用零階保持器法求 的差分方程 。 （ 略 ） (二 )數(shù)字 PID控制算法 P160 PID算式： 數(shù)字 PID控制器的輸出 u(k)和閥位對(duì)應(yīng) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算式不夠方便 ， 這是因?yàn)橐奂悠?e(j)， 不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元 ， 而且不便于編程 。 2． 增量型 PID算式 ? ?u(k)對(duì)應(yīng)于第 k時(shí)刻閥位的增量 ， 故稱此式為增量型 PID算式 。 ? 第 k時(shí)刻的實(shí)際控制器輸出 ? 計(jì)算 ?u(k)和 u(k)要用到也僅需用到第 (k1)、(k2)時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù) e(k1)、 e(k2)和 u(k1)，這三個(gè)歷史數(shù)據(jù)需存于內(nèi)存儲(chǔ)器 。 可見(jiàn) ， 采用增量型計(jì)算式的優(yōu)點(diǎn)是：編程序簡(jiǎn)單 ， 占用存儲(chǔ)單元少 ， 運(yùn)算速度快 。 ? 為了編程序方便，也可將式 (3—31)整理成如下形式：