過程控制課件

1、過程控制系統(tǒng)張 亞 庭 電 控 學(xué) 院 自 動 化 過程控制（Process control）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。 連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。 例如室內(nèi)溫度的控制。1.1 過控系統(tǒng)的任務(wù)與組成第一章 緒論圖1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)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，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫

2、要求，然后進(jìn)行操作。 在此人的作用可分為三步： 眼看 腦想 手動送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計閥門圖1 室溫人工控制示意圖 過程控制系統(tǒng)的定義： 為實(shí)現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設(shè)備構(gòu)成的 一個整體。 圖2為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人?；仫L(fēng)恒溫室23送風(fēng) 熱 水M回 水41圖2 室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1熱水加熱器；3控制器；2傳感變送器；4執(zhí)行器TCTT 在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。 如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度檢測變送單元、控制器、電動調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。 用通用

3、名稱表示為： 過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。 過程控制系統(tǒng)原理方框圖過控系統(tǒng)主要組成部分 (1)、被控對象：生產(chǎn)過程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。 (2)、檢測變送單元：檢測課中已做介紹。 (3)、控制器：實(shí)時地對被控系統(tǒng)施加控制作用。 (4)、執(zhí)行器：將控制信號進(jìn)行放大以驅(qū)動控制閥控制 進(jìn)料量。 常見的有電動和氣動兩種。 氣動執(zhí)行器有氣開式和氣關(guān)式之別。工藝設(shè)備4、測量值 z：被控變量經(jīng)檢測變送后即是測量值。5、給定值 r：即被控變量的設(shè)定值。6、偏差值 e：準(zhǔn)確地說，應(yīng)是被控量的給定值與實(shí)際值之差

4、。但能夠直接得到的信號是被控量的測量值，故通常把給定值與測量值之差稱作為偏差。 7、干 擾 f: 凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動。1.2 過程控制的特點(diǎn)1控制對象復(fù)雜、控制要求多樣2控制方案豐富 3控制對象大多屬于慢過程4大多數(shù)工藝要求定值控制5大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測、控制儀表及裝置1. 按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)設(shè)定值隨時可能變化。3）程序控制系統(tǒng)設(shè)定值按預(yù)定的時間程序變化。2. 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)） 將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如： 給定值被控變量干擾f 控制器 變送器執(zhí)行

5、器被控對象+e實(shí)測值反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)） 控制系統(tǒng)沒有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f 控制器執(zhí)行器被控對象 開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖變送器3）復(fù)合控制系統(tǒng) 前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。如：給定值被控變量干擾f 控制器1 變送器1執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值 變送器2控制器2+前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對控制的要求來制

6、定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。t0y衰減比 n 和衰減率 是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。試驗(yàn)證明：衰減比在 4: 1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系：n = 4:110:1 就相當(dāng)于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。 2、最大動態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量 最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即: A = ymax - r 圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTS

7、TtA3、余差C 過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。C= y() - r圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt4）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率f Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的5% （或2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束。圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3y()TpTSTt 另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達(dá)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(biāo)。圖

8、1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt 例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下圖所示。試求最大偏差、超調(diào)量、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。 解：最大偏差 A = 230-200 = 30超調(diào)量 = (25/205 )100%=12.2%余差 C = 205-200 = 5衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205 （ 2） 4.1在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為4.1畫一區(qū)域（陰影線）

9、。曲線進(jìn)入時間點(diǎn) Ts = 22min1.4 過程控制的發(fā)展概況 過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.4.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1局部自動化階段 （20世紀(jì) 5060年代）自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只 具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。特點(diǎn)：自動化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)6070年代）圖2 室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1熱

10、水加熱器；2傳感變送器； 3控制器；4執(zhí)行器回風(fēng)恒溫室23送風(fēng) 熱 水M回 水41TCTT渭河電廠3集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）計算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。最初，人們設(shè)想用一臺計算機(jī)取代所有回路的控制儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（ DDC， Direct Digital Control ） 。但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機(jī)出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風(fēng)險加大。因此， DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。 80年代初，隨著計算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表。基于 “集中管理，分散控制” 的理念，在數(shù)字控制儀表和計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，

11、開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（ DCS， Distributed Control System） 。 DCS系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。集散控制系統(tǒng)組成框圖： 管理計算機(jī)監(jiān)控計算機(jī)監(jiān)控2高速數(shù)據(jù)通道CRT操作站基本控制器基本控制器基本控制器DEP工業(yè)過程現(xiàn)場小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模RS-485串口 STD IPC工控機(jī)面板通訊網(wǎng)絡(luò)(DCS)隨著CPU進(jìn)入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)。 FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依

12、靠現(xiàn)場智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。1.4.2過程控制策略與算法發(fā)展 伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。 以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID （Proportional Integral Derivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、分程控制及選擇性控制等控制策略。 隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善。 現(xiàn)代自動控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的