過程控制論緒論

1、過程控制與自動化儀表過程控制與自動化儀表 南華大學核科學技術學院南華大學核科學技術學院 2012.8 Process Control system and instruments 第第1 1章章 緒論緒論 1 1）掌握過程控制的定義、要求和任務，）掌握過程控制的定義、要求和任務， 了解過程控制的發(fā)展狀況；了解過程控制的發(fā)展狀況； 2 2）掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點、類型及其性能指）掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點、類型及其性能指 標；標； 3 3）了解過程控制系統(tǒng)設計步驟和儀表的類型與發(fā)展；）了解過程控制系統(tǒng)設計步驟和儀表的類型與發(fā)展； 4 4）掌握儀表的信號制及防爆系統(tǒng)的構成。）掌握儀表的信號

2、制及防爆系統(tǒng)的構成。 核電廠核電廠 污水處理廠污水處理廠 武鋼武鋼 揚子石化揚子石化 控制柜內部控制柜內部 控制柜內控制柜內PLC 過程控制實驗室過程控制實驗室 過程控制的特點、任務及功能要求過程控制的特點、任務及功能要求 n 過程控制通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核過程控制通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核 能等工業(yè)生產中能等工業(yè)生產中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產過程自動控制連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產過程自動控制, 它是自動化技術的重要組成部分。它在現(xiàn)代化工業(yè)生產中，為實現(xiàn)它是自動化技術的重要組成部分。它在現(xiàn)代化工業(yè)生產中，為實現(xiàn) 各種最優(yōu)的經濟技術指標、

3、提高勞動生產率和經濟效益、改善勞動各種最優(yōu)的經濟技術指標、提高勞動生產率和經濟效益、改善勞動 條件、保護勞動者的身體健康以及保護生產環(huán)境等方面起著舉足輕條件、保護勞動者的身體健康以及保護生產環(huán)境等方面起著舉足輕 重的作用。重的作用。 n自動控制自動控制:指在指在沒有人直接參與沒有人直接參與的情況下的情況下,利用利用控制器控制器(控制裝置控制裝置),使使 被控對象被控對象(或過程或過程)的被控量的被控量(物理量或狀態(tài)物理量或狀態(tài))自動地按照預定的規(guī)律運自動地按照預定的規(guī)律運 行行. n連續(xù)生產過程的特征是：生產過程中的各種流體，在連續(xù)（或連續(xù)生產過程的特征是：生產過程中的各種流體，在連續(xù)（或 間

4、歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質能量的轉換或傳遞。間歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質能量的轉換或傳遞。 一、什么是過程控制？它有何作用？適用的生產過程一、什么是過程控制？它有何作用？適用的生產過程? 控制理論發(fā)展歷程：控制理論發(fā)展歷程： 1）.經典控制理論經典控制理論(20世紀4060年代): 研究對象: 單輸入單輸出(SISO)、線性定常系統(tǒng); 研究方法: 傳遞函數(shù)、根軌跡、頻率特性 2）.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論(20世紀6070年代): 研究對象: 多輸入多輸出(MIMO)、非線性、時變系統(tǒng); 研究方法: 狀態(tài)空間法. 3）. 智能控制與大系統(tǒng)理論智能控制與大系統(tǒng)理論(2

5、0世紀70年代-): 研究對象: 多輸入多輸出(MIMO)、非線性、時變復雜系統(tǒng); 研究方法: 模糊規(guī)則、神經網絡模型等智能方法. 圖圖1 1為人工控制室溫。假設在冬季，室內加溫是通過熱為人工控制室溫。假設在冬季，室內加溫是通過熱 水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫 室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨 時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。 在此人的作用在此人的作用 可分為三步：可分為三

6、步： 眼看眼看 腦想腦想 手動手動 送風送風 回風回風 恒溫室 溫度計 閥門閥門 圖圖1 室溫人工控制示意圖室溫人工控制示意圖 眼看眼看用傳感器或變送器將溫度信號轉換為控制器可接用傳感器或變送器將溫度信號轉換為控制器可接 受的信號。受的信號。 腦想腦想控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較 （相減求偏差（相減求偏差) ,并按偏差值計算出控制量。并按偏差值計算出控制量。 手動手動人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。 人工控制受制于人的經驗和注意力，控制不精確。而自動人工控制受制于人的經驗和注意力，控

7、制不精確。而自動 控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當?shù)目刂瓢丛O定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當?shù)?控制。控制。 給定值給定值 被控變量被控變量 干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器 執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象 + e 實測值實測值 過程控制系統(tǒng)原理方框圖過程控制系統(tǒng)原理方框圖 二、過程控制的特點、任務及功能要求二、過程控制的特點、任務及功能要求 （一）（一） 過程控制的特點過程控制的特點 1.1.組成（過程，系列化儀表）；組成（過程，系列化儀表）； 系統(tǒng)由系列化生產的過程檢測控制儀表組成 2.2.設計難（過程的復雜性，模型的不精確性）；設計難（過程的復雜性，模

8、型的不精確性）； 例如：鍋爐、熱交換器、電弧爐、熱處理爐、精餾塔、化學反應器、流體 輸送設備 特點特點：多變量、分布參數(shù)、非線性、大慣性、大延時等 3.3.要求高（控制方案豐富）；要求高（控制方案豐富）； 如：常規(guī)的PID、先進APC(自適應、預測、推理、模糊、神經網絡控制)等； 有單變量、多變量、常規(guī)儀表、計算機、提高控制品質、特殊工藝要求 等控制。 4.4.慢過程、參量控制；慢過程、參量控制； 工藝參數(shù)主要為：T、P、F、L、C等 5.5.定值控制定值控制 減小或消除外界擾動對被控參數(shù)的影響，確保生產穩(wěn)定和產品的產量與質量。 控制目標總的要求： （1）安全性安全性，即人身安全與設備安全越限

9、報警、聯(lián)鎖保 護、在線故障診斷和預測，容錯控制等； （2）經濟型經濟型成本低（消耗的原材料、能量、人力 資源要少）、效率高（產量高、質量好）； （3）穩(wěn)定性穩(wěn)定性較強的抑制外部干擾的能力和長期無故障運行 的能力； （4）具體的技術指標：即系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性與準確性等指 標。 （二）（二） 過程控制的要求、任務及功能過程控制的要求、任務及功能 （了解工藝、獲取模型、分析設計、物理實現(xiàn)）；（了解工藝、獲取模型、分析設計、物理實現(xiàn)）； 1.要求與任務（安全性、穩(wěn)定性、經濟性），要求與任務（安全性、穩(wěn)定性、經濟性）， 過程控制系統(tǒng)的主要任務是：對生產過程控制系統(tǒng)的主要任務是：對生產 過程中的重要參數(shù)

10、（溫度、壓力、流過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流 量、物位、成分、濕度等）進行控制，量、物位、成分、濕度等）進行控制， 使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。 2.功能（圖功能（圖11） （1）測量變送與執(zhí)行；測量變送與執(zhí)行； （2）操作安全與環(huán)保；操作安全與環(huán)保； （3）常規(guī)與高級控制；常規(guī)與高級控制； （4）實時優(yōu)化；實時優(yōu)化； （5）決策與計劃決策與計劃 圖1-1現(xiàn)代控制過程的功能 結構圖 2、確定被控參數(shù)（直接測量、間接測量或稱軟測量等）、確定被控參數(shù)（直接測量、間接測量或稱軟測量等）； 3、建立被控過程的數(shù)學模型（包括控制通道模型與干擾通、建立被控過程的數(shù)學模型

11、（包括控制通道模型與干擾通 道模型）；道模型）； 4、選擇控制參數(shù)（或控制介質）確定控制方案；、選擇控制參數(shù)（或控制介質）確定控制方案； 5、選擇控制策略；、選擇控制策略； 6、選擇執(zhí)行機構與調節(jié)閥；、選擇執(zhí)行機構與調節(jié)閥； 7、設計報警和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)；、設計報警和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)； 8、控制系統(tǒng)的調試、投運和調節(jié)器的參數(shù)整定；控制系統(tǒng)的調試、投運和調節(jié)器的參數(shù)整定； 1 1、確定控制目標、確定控制目標 （一）加熱爐過程控制（圖（一）加熱爐過程控制（圖1 12 2） （二）設計步驟（二）設計步驟 1.1.確定控制目標確定控制目標 1 1）熱油出口溫度穩(wěn)定；）熱油出口溫度穩(wěn)定； 2 2）出口溫度與煙

12、道氣含氧量穩(wěn)定；）出口溫度與煙道氣含氧量穩(wěn)定； 3 3）溫度穩(wěn)定與熱效率最高。）溫度穩(wěn)定與熱效率最高。 2.2.選擇被控參數(shù)選擇被控參數(shù) 直接參數(shù)與間接參數(shù)直接參數(shù)與間接參數(shù) 3 3 選擇控制量選擇控制量 燃料油流量與冷油流量燃料油流量與冷油流量出口溫度出口溫度 擋板開度與送風擋板擋板開度與送風擋板含氧量含氧量 4.4.確定控制方案確定控制方案 簡單與復雜、單輸入與多輸入、最優(yōu)控制簡單與復雜、單輸入與多輸入、最優(yōu)控制 5.5.選擇控制策略選擇控制策略 PIDPID、高級過程控制、高級過程控制 6.6.選擇執(zhí)行器選擇執(zhí)行器 氣動與電動氣動與電動 7.7.設計報警與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設計報警與聯(lián)鎖保護系

13、統(tǒng) 高、低限值；加熱爐停車程序：停燃油泵高、低限值；加熱爐停車程序：停燃油泵關燃油閥關燃油閥停引風機停引風機切斷熱油閥切斷熱油閥 8.8.工程化設計工程化設計 9.系統(tǒng)投運、調試和整定參數(shù) （一）基于儀表的局部自動化階段（一）基于儀表的局部自動化階段(5060年代) 主要特點： （ 1）基地式儀表和部分單元組合儀表，大多為氣動儀表； （2）單輸入單輸出控制系統(tǒng)； （3）保持溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的穩(wěn)定， 確保生產安全運行； （4）分析和綜合的理論基礎為經典控制理論。 展示儀表圖片： 基地式儀表基地式儀表( (壓力控制器）壓力控制器） 基地式儀表基地式儀表( (溫度控制器）溫度控制器）

14、 基地式儀表基地式儀表( (壓力控制器）壓力控制器） 西安儀表廠西安儀表廠 （二）基于儀表（二）基于儀表/計算機的綜合自動化階段（計算機的綜合自動化階段（6070年代中期年代中期) （60年代，單元組合、組裝式，高性能、特殊要求控制，計算機控年代，單元組合、組裝式，高性能、特殊要求控制，計算機控 制，多輸入制，多輸入/多輸出，現(xiàn)代控制理論）多輸出，現(xiàn)代控制理論） 主要特點： （1）單元組合儀表和組裝式儀表，計算機開始被應 用，出現(xiàn)了DDC和SCC； （2）各種復雜的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)（如串級控制、前 饋反饋復合控制、Smith預估控制以及比值、均勻 、選擇性控制等）； （3）分析和綜合的理論基礎發(fā)

15、展到了現(xiàn)代控制理論。 展示儀表圖片： 單元組合儀表單元組合儀表 流量傳感器 流量控制器 執(zhí)行器 （三）基于網絡的全盤自動化階段（三）基于網絡的全盤自動化階段(70年代中期至今年代中期至今) （70年代，智能儀表、成分在線、安全防爆、集散控制、現(xiàn)場總線控制、年代，智能儀表、成分在線、安全防爆、集散控制、現(xiàn)場總線控制、 CIPS） 主要特點： （1）全盤自動化或管控一體化； （2）智能單元組合儀表（如數(shù)字調節(jié)器、可編程控制器等）、電 動單元儀表實現(xiàn)了本質安全防爆； （3）定值控制最優(yōu)控制、自適應控制； 單變量多變量； 儀表控制計算機分布式控制； （4）現(xiàn)代控制理論的全面應用，先進控制策略的應用等；

16、 （5）計算機集成過程控制系統(tǒng)（DCS、FcS、CIPS）。 展示儀表圖片： ( (集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) DCSDCS） ( (集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) DCSDCS） 1.1.3 1.1.3 ( (一）一） （1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)： 被控過程內要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)； （2）控制參數(shù)（亦稱操作變量控制介質） q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料 量或能量； （3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用 于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各 種因數(shù)； （4）設定值r(t)：與被控參數(shù)相對應的 設定值； （5）反饋值z(t)：被控參數(shù)經測量變送 后的實際測量值； （6）偏差e(t)：

17、設定值與反饋值之差； （7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。 （二）過程控制系統(tǒng)的分類（二）過程控制系統(tǒng)的分類 1.1.分類方法分類方法（被控量名稱、多少、特定工藝、（被控量名稱、多少、特定工藝、 工具）；工具）； 2.2.安結構分類：安結構分類： 1）反饋控制；反饋控制； 2）前饋控制；前饋控制； 3）復合控制。復合控制。 3.3.安設定值分類：安設定值分類： 1）定值控制；定值控制； 2）伺服控制；伺服控制； 3）順序控制。順序控制。 (1)(1)衰減比衰減比n n（衰減率（衰減率） 兩個相鄰的同向波峰值之比兩個相鄰的同向波峰值之比: 衰減率定義為一個周期后波動幅度衰減的程度衰減率定義為

18、一個周期后波動幅度衰減的程度: 衰減比與衰減率的單值對應關系，如衰減比為衰減比與衰減率的單值對應關系，如衰減比為4：1或或10：1時，則衰減率時，則衰減率 為為0.75或或0.9。 （2 2）最大動態(tài)偏差和超調量）最大動態(tài)偏差和超調量: : 二階系統(tǒng)： (3)(3)殘余偏差（穩(wěn)態(tài)誤差、靜差）殘余偏差（穩(wěn)態(tài)誤差、靜差）: : 定值系統(tǒng)： 1 2 B n B ()() 100% () p yy y t %100 1 n )()(yre )()(ye 1 21 B BB (4) 調節(jié)時間調節(jié)時間Ts和振蕩頻率和振蕩頻率 、上、上 升時間升時間 Ts是指從過渡過程開始到過渡過程是指從過渡過程開始到過渡

19、過程 結束所需的時間。當被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間結束所需的時間。當被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間 的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的5% （或（或2%） 范圍內，就認為過渡過程結束。范圍內，就認為過渡過程結束。 調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。 過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周 期期T ，其倒數(shù)稱為振蕩頻率，其倒數(shù)稱為振蕩頻率 f = 1/ T 另外還有峰值時間另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被 控參數(shù)到達

20、第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標?？貐?shù)到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。 例例 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200 。 在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求 最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。 解：解： 最大偏差最大偏差 A = 230-200 = 30 余差余差 C= 205-200 = 5 衰減比衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 振蕩周期振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min）

21、設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認為過渡過，就認為過渡過 程結束，則誤差區(qū)域程結束，則誤差區(qū)域=205 （ 2） 4.1 在新穩(wěn)態(tài)值（在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側以寬度為）兩側以寬度為4.1畫一畫一 區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點 Ts = 22min 控制系統(tǒng)的單項品質指標小結控制系統(tǒng)的單項品質指標小結 q穩(wěn)定性穩(wěn)定性 衰減比衰減比n = 4:110:1最佳最佳 q準確性準確性 余差余差C小好小好 最大偏差最大偏差 A 小好小好 q快速性快速性 過渡時間過渡時間 Ts 短好短好 振蕩周期振蕩周期 T 短好短好 各品質指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。

22、例如，各品質指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如， 過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此， 應根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產過程有決應根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產過程有決 定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。 min)( 0 dtteIAE min)( 0 2 dtteISE min)( 0 dttetITAE min)( 0 2 dttteITSE 和控制室儀表 智能和非智能 2 2）安全火花型防爆等級：）安全火花型防爆等級：30V30VDC;DC;最小引爆電流（表最小引爆電流（表1 11 1） 2.數(shù)字

23、式儀表的通信標準數(shù)字式儀表的通信標準 （不統(tǒng)一；內容：信息格式、編碼方式、信號發(fā)送與接收、接口標準等）（不統(tǒng)一；內容：信息格式、編碼方式、信號發(fā)送與接收、接口標準等） 3.能源供給能源供給 直流集中供電的優(yōu)點直流集中供電的優(yōu)點：1）體積）體積、重量、重量、溫升、溫升 2）防停電能力）防停電能力 3）無交流，易于防爆）無交流，易于防爆 1.2.3 防爆儀表與防爆系統(tǒng)防爆儀表與防爆系統(tǒng) 1.安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念 1）防爆性能：本質安全與非本質安全；）防爆性能：本質安全與非本質安全； 2.安全火花型防爆系統(tǒng)安全火花型防爆系統(tǒng) （圖（圖19） 條件條件:現(xiàn)場儀表為安全現(xiàn)場儀表為安全 火

24、花型；安全防爆火花型；安全防爆 柵隔離。柵隔離。 n表表1-1 1-1 爆炸性混合物最小引爆電流的等級爆炸性混合物最小引爆電流的等級 n如如DDZ-型儀表防爆等級為型儀表防爆等級為“He”：“H”-安全火花型；安全火花型；“” 最小引爆電流為最小引爆電流為級，即低于級，即低于70mA；e-周圍氣體自燃溫度為周圍氣體自燃溫度為100， 低于此溫度，即可保證在低于此溫度，即可保證在e組氣體中不自燃起爆。組氣體中不自燃起爆。 級別級別 最小引爆電流最小引爆電流 （mAmA） 爆炸性混合物種類爆炸性混合物種類 i i120120 甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙

25、酮，氨， 一氧化碳等一氧化碳等 7070i120i120 乙烯，乙醚，丙烯腈等乙烯，乙醚，丙烯腈等 i70i70 氫，乙炔，二硫化碳，市用煤氣，水煤氣等氫，乙炔，二硫化碳，市用煤氣，水煤氣等 補充知識之一：傳遞函數(shù)與拉普拉斯變換補充知識之一：傳遞函數(shù)與拉普拉斯變換 0 ( )() s t ft ed tFs 2 2拉普拉斯變換：拉普拉斯變換： 用拉普拉斯變換解線性常微分方程，可將微積分運 算轉化為代數(shù)運算，是一種較為簡便的工程數(shù)學方 法。 定義：函數(shù)f(t)，t為實變量。如下面的線性積分存在， 1 1傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量拉氏變換與輸 入量拉氏變換量之比。G(s

26、)=C(s)/R(s) 常用信號的拉氏變換 S 1 t etu )( as 1 n t1 ! n s n )(t1 )( 0 tt 0 st e )(tu 拉氏反變換 n i i i i ps K pspsps sN sD sN sF 1 21 ).()( )( )( )( )( n i tp psi n i tp ps i i i i e sD sN pse sD sN tf 11 )( )( )( )( )( )( 稱為海維賽 展開定理 dsesF j tf j j st )( 2 1 )( 1)D(s)=0為單根：為單根： )3)(1( )5)(2(10 )( sss ss sF例3.5-1 已知像函數(shù) 求原函數(shù)f(t) 解解 3 3/10 1 203/100 )( sss sF )( 3 10 20 3 100 )( 3 teetf tt 2) D(s)=0包含共軛復根包含共軛復根 )()( )( )( )( )( 11 jasjassD sN sD sN sF . )()()( )( )( 2 1 1 1 1 jas K jas K jasjas sF sF 可以證明K1、K2具有共軛關系共軛關系