中科大環(huán)境工程仿真與控制課件02過程控制

第2章過程控制第一節(jié)

過程控制概述第二節(jié)

反饋控制第三節(jié)

自動化儀表第四節(jié)

復雜控制系統(tǒng)第五節(jié)

PLC1.方法采集數(shù)據(jù)、比較分析、發(fā)出指令

比較順序控制(無數(shù)據(jù)采集)、運動控制(速度快)2.目標抑制擾動、確保穩(wěn)定、經(jīng)濟優(yōu)化(輸入、設(shè)定值)(非穩(wěn)定點控制)(高效低耗)第一節(jié)

過程控制概述3.工作點的穩(wěn)定QTT1T2T3Q1Q2Q3吸熱放熱p1p2p3

一個測量器一個變送器一個控制器一個調(diào)節(jié)閥對一個參數(shù)進行調(diào)節(jié)最基本、應用最廣泛4.單回路控制系統(tǒng)第二節(jié)

反饋控制

受控過程檢測器變送器控制器執(zhí)行器控制變量受控變量檢測信號標準信號控制輸出設(shè)定值執(zhí)行器動作擾動輸入

曝氣池

溶解氧濃度DO探頭0~10mg/L0~50mV

4~20mA

或

1~5V

4~20mA

或

1~5V

0~

16mA

或

0~

4V

直流毫伏變送器4~20mA20~100kPa氣動薄膜調(diào)節(jié)閥電氣閥門定位器全行程

DDZ－III

電動調(diào)節(jié)器DO濃度設(shè)定值供氣閥門開啟度一、電動單元組合儀表反饋控制二、PLC反饋控制

曝氣池

溶解氧濃度DO探頭氣動薄膜調(diào)節(jié)閥電氣閥門定位器

現(xiàn)場PLC數(shù)字量設(shè)定值變送＋A/D設(shè)定＋比較計算＋D/A

遠程PLC系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)管理三、比例控制

p=p-p0=KC

式中：

p—

控制器的實際輸出值；

p0

－偏差為0時刻的輸出值；

KC－比例增益常數(shù)；

－偏差值；

p－

比例控制作用的輸出變化。

1.比例度

(1)計算方法

＝{[

/(Zmax–Zmin)]/[

p/(pmax–pmin)]}100%式中：

－

比例度，表示比例控制的強弱程度；

（可理解為使控制器輸出信號作表頭全范圍變化時，輸入信號改變值相對表頭全量程的百分數(shù)）

Zmax－控制器所允許的輸入信號的最大值；

Zmin－控制器所允許的輸入信號的最小值；

pmax－控制器所能給出的輸出信號的最大值；

pmin－控制器所能給出的輸出信號的最小值。

（2）比例度圖示

p/(pmax–pmin)

/(Zmax–Zmin)

＝50％

＝100％

＝200％0.6-0.80.8-0.80.8-0.60.6-0.62.比例控制特點(1)控制作用

p無滯后輸入

輸出

Ptt相位差180o同相位(2)比例控制有余差

max,0tt

max,t無比例控制有比例控制(3)余差分析406080100201.21.62.02.4BCAK/%DO/(mg/L)0

3.比例控制適用范圍(1)負荷變化小;(2)過程純滯后?。▎涌刂频绞芸刈兞块_始變化之間的時間）;(3)時間常數(shù)大（受控變量開始變化到新穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)所需時間的0.632倍）;(4)允許余差存在。

式中：

p—

控制器的實際輸出值；

p0—偏差為0時刻的輸出值；

KI

—積分增益常數(shù)；

—偏差值；

p—

積分控制作用的輸出變化。

四、積分控制1.概念式中：P—

控制器的實際輸出值；

P0—偏差為0時刻的輸出值；

KC

—比例增益常數(shù)；

—偏差值；

P—

積分控制作用的輸出變化；

TI—積分時間常數(shù)，

TI=KC/KI

。

2.比例積分（PI）控制pp0比例控制輸出t3.控制方式輸出比較tpp0積分控制輸出閥門抵上限t

=A受控變量（輸入）受控變量無變化，純滯后段比例積分控制輸出pp0t0

t0+TIt閥門抵上限p10t0t*0t1t2t3tp2p3p0閥門抵上限4.積分飽和

00t

受控變量無變化受控變量有變化5.響應時間受控變量

純滯后時間常數(shù)過渡時間A0.632A控制變量P控制變量無變化6.PI控制器適用范圍(1)過程純滯后較?。▎涌刂频绞芸刈兞块_始變化之間的時間）；(2)時間常數(shù)較?。ㄊ芸刈兞块_始變化到新穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)所需時間的0.632倍）；(3)不允許余差存在。

反應器內(nèi)DO濃度與傳質(zhì)系數(shù)KLa

成正比，也與水中DO濃度與其飽和值的差成正比，因此對傳質(zhì)系數(shù)KLa

進行控制（相應于改變曝氣時間、改變曝氣強度等），即可對反應器內(nèi)的DO濃度進行控制。式中：So2——DO濃度；

So2,S——DO飽和濃度。DO

PI

控制例2.1五、微分控制概念

p=p-p0=KD(d

/dt

)式中：p——控制器的實際輸出值；

p0——偏差為0時刻的輸出值；

KD——微分增益常數(shù)；

——偏差值；

p——微分控制作用的輸出變化。

2.微分控制理論響應

tptp=p0+KD(d

/dt

)3.比例微分控制

p=p0+KC

+KD(d

/dt

)=KC[

+TD(d

/dt

)]式中:TD=KD/

KC4.比例微分控制對階躍輸入的響應

pKD(d

/dt

)KC

p05.比例微分控制對斜坡輸入的響應

pKD(d

/dt

)KC

p06.比例積分微分控制p0比例控制輸出p0微分控制輸出p0積分控制輸出閥門抵上限pp0受控變量無變化，純滯后段p0比例積分微分控制輸出閥門抵上限7.比例積分微分控制對階躍輸入的響應六、PI控制器設(shè)計

1.流程圖PI控制器設(shè)定值T0熱電偶Tt蒸汽,FST,TSTT，F(xiàn)Ti，F(xiàn)Q控制變量：Q受控變量：T動態(tài)方程穩(wěn)態(tài)方程偏差變量方程2.偏差變量PI控制方程注：KC、KI應為負值PI控制方程參數(shù)整定方程3.參數(shù)整定注：KC、KI應為負值(編制程序，試驗不同的KC

與KI

，看T

是否趨于TS）4.控制方程

輸入已知數(shù)據(jù)：Ti,S,TS,QS,V,

,Cp

輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)：

Ti，T

計算所需熱量：Q

輸入計算結(jié)果：Q

計算蒸汽流速：FST

發(fā)出蒸汽流速指令：FST5.PI

控制器執(zhí)行第三節(jié)

自動化儀表一、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥二、氣動閥門定位器三、電動閥門定位器第四節(jié)

復雜控制系統(tǒng)一、多回路控制系統(tǒng)1.名稱

串級控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)在能使用單回路控制系統(tǒng)的場合應避免使用多回路控制系統(tǒng)二、串級控制系統(tǒng)T1：主受控溫度T1T：主受控溫度變送器T1C：主受控溫度控制器T2：

副受控溫度T2T：副受控溫度變送器T2C：副受控溫度控制器特點：（1）主受控溫度控制器輸出為副受控溫度控制器的設(shè)定值。（2）副控制回路先調(diào)、快調(diào)、微調(diào)；主控制回路后調(diào)、慢調(diào)、細調(diào)。調(diào)節(jié)過程：（1）副受控溫度：爐膛溫度變化－T2T變化－T2C發(fā)指令－燃料閥開啟度變化－爐膛溫度變化。（2）主受控溫度：爐口溫度變化－T1T變化－T2C設(shè)定值變化－

T2C發(fā)指令－燃料閥開啟度變化－爐膛溫度變化。三、比值控制系統(tǒng)

1.單閉環(huán)功能：使一種物料量隨另一種料量按比例變化類型：單閉環(huán)、雙閉環(huán)、變比值、帶邏輯量F1TF1CF2CF2T爐膛qv2qv1單閉環(huán)F1T：主受控流量變送器F1C：主受控流量控制器F2T：副受控流量變送器F2C：副受控流量控制器調(diào)節(jié)過程：（1）煤氣流量：F1T變化－F1C發(fā)指令－F2C設(shè)定值變化－空氣閥開啟度變化－煤氣、空氣比值不變。（2）空氣流量：F2T變化－F1C設(shè)定值不變－

F2C發(fā)指令－煤氣、空氣比值不變。2.雙閉環(huán)調(diào)節(jié)過程：(1)煤氣流量：F1T變化F1C發(fā)指令

F2C設(shè)定變化氣閥開啟變化

煤氣、空氣比值不變(2)空氣流量：F2T變化

F2C設(shè)定無變化

F2C發(fā)指令氣閥開啟無變化

煤氣、空氣比值不變F1T：主受控流量變送器F1C：主受控流量控制器F2T：副受控流量變送器F2C：副受控流量控制器K’：副受控流量控制器雙閉環(huán)F1TF1CF2CF2T爐膛qv2qv1K’四、分程控制系統(tǒng)(利用閥門定位器)調(diào)節(jié)過程：（1）同向動作：（2）異向動作：分程TTTC反應器蒸汽（B）冷凝水（A）功能：一個控制器帶動2個或

2個以上調(diào)節(jié)閥類型：同向動作、異向動作A、B氣開型A、B氣關(guān)型A氣開、B氣關(guān)A氣關(guān)、B氣開五、前饋控制系統(tǒng)FCFTqVST2T1特點：(1)檢測信號是干擾變量而不是受控變量;(2)

控制作用發(fā)生在受控變量偏差出現(xiàn)之前而不是之后。類型：單純前饋、前饋反饋六、活性污泥過程多回路控制系統(tǒng)進水出水回流污泥鼓風溶解氧：前饋反饋串級控制回流污泥密度：前饋反饋串級控制MLSS密度：單閉環(huán)比值控制空氣控制器測量變送器廢水流測量點控制信號流廢棄污泥初沉池與污泥泵的過程控制污泥層液位開關(guān)光電液位計定時開關(guān)控制啟動激活手動速度調(diào)節(jié)補償?shù)兔芏妊a償啟動激活LJLSFEDTFTFIDCSEQSCDIDE例2.2第五節(jié)

PLC

一、概述

1.結(jié)構(gòu)指示燈編程器CPU系統(tǒng)程序儲存器用戶程序儲存器受控系統(tǒng)輸入接口輸入部分控制部分按鈕繼電器觸點輸出部分線圈輸出接口

輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新一個周期周而復始2.工作方式(1)循環(huán)掃描(2)輸入刷新X0X1X2...輸入接口操作數(shù)存儲器輸入設(shè)備PLC內(nèi)部電路(3)程序執(zhí)行X0R0Y1...程序操作數(shù)存儲器X1R1Y2...............Y0R0readwritereadwritePLCX0R0(4)輸出刷新輸出接口Y0Y1Y2...操作數(shù)存儲器輸出設(shè)備PLC內(nèi)部電路技術(shù)指標(1)術(shù)語I/O點：PLC外部輸入、輸出端子數(shù)掃描速度：1步計（

s），1000步計（ms）

內(nèi)存容量：1地址單元/步，2字節(jié)/地址單元

（2000步程序占2k字節(jié)）

指令條數(shù)：基本指令、應用指令（2）三菱FX2

技術(shù)指標

掃描速度：

12

s/步

I/O點數(shù)：

min6/6,max36/24

內(nèi)存容量：

2000步指令條數(shù)：

109條EDX1X0X2Y0編程語言

(1)梯形圖(1)邏輯行開始,輸入X0

常開接點；(2)串聯(lián)X1常閉接點；(3)并聯(lián)X2常開接點；(4)輸出Y0，邏輯行結(jié)束；(5)程序結(jié)束。EDX1X0X2Y0（2）助記符(1)邏輯行開始,.輸入X0

常開接點；(2)串聯(lián)X1常閉接點；(3)并聯(lián)X2常開接點；(4)輸出Y0，邏輯行結(jié)束；(5)程序結(jié)束。

初始

ST（

START）

非

NOT（not）

與

AD（and）

輸出

OT（out）

或

OR（or）

結(jié)束

ED（end）

地址指令

0STX01AN/X1

2ORX23OTYO

4ED基本指令5.控制小結(jié)(1)控制方法順序控制

控制開關(guān)量過程控制

控制慢連續(xù)量（溫度、壓力、濃度、流量）運動控制

控制快連續(xù)量

單回路控制——反饋（PID）

多回路控制——串級、分程、前饋、比值DCS控制——控制回路分散，數(shù)據(jù)處理集中

智能控制——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯

遠程控制——無線、有線、互聯(lián)網(wǎng)(2)過程控制分類鍋爐運行PLC順序控制1.過程描述START:

鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空例2.10

按動Start按鈕，第1行并聯(lián)“Start”常開觸點閉合，線圈Step2得電產(chǎn)生吸力，使出水閥門關(guān)閉，該行與Start并聯(lián)常開觸點Step2閉合，第1行成導通狀態(tài)，同時與線圈Step2并聯(lián)的Pumpon線圈得電導通，鍋爐開始進水。過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空2.控制(1)掃描第1行例2.10

若鍋爐液位傳感器給出鍋爐水滿的信號，則第2行常開觸點TankFull閉合，因串聯(lián)常開觸點Step2在第1行掃描時已經(jīng)閉合，因此第2行導通，線圈Step3得電，關(guān)閉進水泵，并開始對水加熱。(2)掃描第2行例2.10過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空

若鍋爐溫度傳感器給出水溫超過設(shè)定值信號，則常開觸點Temp閉合，因串聯(lián)常開觸點Step3在第2行掃描時已經(jīng)閉合，因此第3行導通，線圈Step4得電，關(guān)閉加熱裝置，并開始進行計時。(3)掃描第3行例2.10過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空

若鍋爐計時器給出時間超過設(shè)定值信號，則常開觸點Timer閉合，因串聯(lián)常開觸點Step4在第3行掃描時已經(jīng)閉合，因此第4行導通，線圈Step5得電，打開出水閥門。過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空(4)掃描第4行例2.10（下一循環(huán)）掃描第1行：若鍋爐水位傳感器給出鍋爐放空信號，則常開觸點Empty閉合，因串聯(lián)常開觸點Step5在上一循環(huán)第4行掃描時已經(jīng)閉合，Step3依舊閉合，因此第1行導通，線圈Step1得電，關(guān)閉出水閥門，并開始啟動進水泵使鍋爐進水。3.循環(huán)-掃描第1行例2.10過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空

室內(nèi)設(shè)4個測溫點，T0、T1、T2、T3；

平均值TC

要輸出

；室溫要求控制在Tr

；

采用比例控制;

加熱量計算：溫度PLC模擬量控制1.控制要求例2.11(1)求室內(nèi)4個檢測點溫度的平均值；(2)求得與設(shè)定值的偏差；(3)并利用比例控制方法求出加熱量；(4)輸出室溫平均值與加熱量數(shù)值。2.控制程序設(shè)計思路例2.11

擴展單元F2-6A-E

接在基本單元F1－40MR

的400號擴展端口上；

4個檢測點溫度分別接到F2-6A-E

的輸入通道CH410、

CH411、CH412、CH413上；用F2-6A-E的輸出通道CH400

輸出供顯示用的平均值；用輸出通道CH401

輸出控制量m。3.硬件設(shè)計例2.11(1)外部信號使M70導通，系統(tǒng)各等效線圈得電；(2)將T0

輸入PLC的擴展單元F2-6A-E（F671得電后確定模擬量輸入通道為K410，F(xiàn)672得電后確定模擬量存放數(shù)據(jù)寄存器地址為K700，670得電后執(zhí)行K85指令將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量）；(3)同理將T1～T3

模擬量分別存放于K701、K702、K703數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，經(jīng)K85指令將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；(4)執(zhí)行加法T0+T1（F671得電后確定被加數(shù)（T0）地址為K700，F(xiàn)672得電后確定加數(shù)（T1）地址為K701，F(xiàn)673得電后確定相加結(jié)果（T0+T1）存放地址為K704，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K57指令（T0+T1）。4.軟件設(shè)計(1)part1例2.11(1)

執(zhí)行加法T0+T1+T2

（F671得電后確定被加數(shù)（T0+T1）地址為K704，F(xiàn)672得電后確定加數(shù)（T2）地址為K702，F(xiàn)673得電后確定相加結(jié)果（T0+T1+T2）存放地址為K705，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K57指令執(zhí)行(T0+T1+T2）；(2)

執(zhí)行加法

T0+T1+T2+T3（方法同上）

，相加結(jié)果存放地址K706。(2)part2例2.11(1)求平均值(F671得電后確定被除數(shù)地址為K706，F(xiàn)672得電后確定除數(shù)為4，F(xiàn)673得電后確定相除結(jié)果[(T0+T1

+T2+T3)/4]存放地址為K707，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K8指令進行除法獲得平均值)；(2)將平均值數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（F671得電后確定須輸出數(shù)值地址為K706，F(xiàn)672得電后確定輸出通道為K400，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K86指令將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量）；(3)確定室溫設(shè)定值（F671得電后確定設(shè)定溫度為100oC，F(xiàn)672得電后確定該設(shè)定溫度的存放寄存器地址K710，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K33將該十進制常數(shù)傳送到K710）

。(3)part3例2.11(1)

計算室溫的檢測平均值與設(shè)定值的偏差的絕對值（F670得電執(zhí)行K87確定減法結(jié)果用絕對值方式表達，F(xiàn)671得電確定減數(shù)的寄存器地址K710，F(xiàn)672得電確定被減數(shù)寄存器地址K707，F(xiàn)673得電確定減法結(jié)果寄存器地址K711，F(xiàn)670得電執(zhí)行K68指令實現(xiàn)減法運算。M200得電確定是否需要借位）；(2)

計算加熱量(M200導通后，F(xiàn)671得電后偏差的寄存器地址K711，F(xiàn)672得電后確定比例控制常數(shù)為2，F(xiàn)673得電后確定乘法結(jié)果寄存器地址為K712，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K77實現(xiàn)乘法運算。若M200沒有導通，則F671得電后設(shè)定常數(shù)0，，F(xiàn)672得電后確定寄存器地址為K712，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K33將0傳送到K712。最后在M70導通時，F(xiàn)671得電后確定寄存器地址為K712，

F672得電后確定通過CH401通道輸出K712的數(shù)據(jù)，F(xiàn)670得電后執(zhí)行K86將K712數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬量輸出)。(4)part4例2.11SBR各工序的時間順序設(shè)置如下：進水電磁閥KA2開啟10min；攪拌電磁閥KA3開啟10min；曝氣電磁閥KA4開啟180min；沉淀電磁閥KA5開啟30min；出水電磁閥KA6開啟10min；閑置電磁閥KA7開啟30min。SBR程序PLC控制1.控制目標例2.12利用軟件SPOPC-FXGP/WIN-C對三菱FX1S-20MR型PLC編程

2.程序執(zhí)行(1)part1

啟動程序后，常開觸點M1導通，線圈Y001得電，KA2開啟，SBR開始進水。同時，計時器T1得電開始計時，設(shè)定時間為600ms，即1min。此時，與M0并聯(lián)的常開觸點Y001導通，使M0按鈕松開后，系