過程控制課程講義1課件

1、Process Control過程控制 課程體系 基礎課程：數(shù)學、英語、機械類、電子類 本專業(yè)課程：自動控制、計算機控制。 幾個問題： 1、學習過與控制有關的課程有那些？ 2、自動控制原理的本質？你們知道那些控制方法？ 3、計算機控制本質？ 如何理解采樣周期？ 給出實時控制的框圖。 4、自控系統(tǒng)的研究對象是什么？與自動控制原理有何區(qū)別？ 5、學過那些建模方法，簡述其機理。 6、PID控制的概念？給你一個溫度對象，該如何操作？專業(yè)知識自動控制原理現(xiàn)代控制理論計算機控制智能控制飛行控制自動控制系統(tǒng)過程控制課 程 內 容緒論過程控制的基本概念(分類、特點、應用領域）生產(chǎn)過程自動化發(fā)展概況和趨勢過程控

2、制的任務和要求第一篇簡單控制系統(tǒng)分析生產(chǎn)過程的動態(tài)特性及建模比例積分微分控制及調節(jié)過程（PID，單回路）簡單控制系統(tǒng)的整定第二篇復雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)利用補償原理提高系統(tǒng)的控制品質(大林和smith算法）解耦控制前饋控制第三篇高等過程控制系統(tǒng)模糊過程控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡過程控制系統(tǒng)第四篇基于現(xiàn)場總線的集散控制系統(tǒng)/物聯(lián)網(wǎng)(簡單介紹/論文）實驗：利用所學算法，實現(xiàn)數(shù)字（PID及模糊）雙容水箱的液位控制。課 程 內 容緒論 過程控制概述一. 什么是過程控制二. 過程控制的發(fā)展三. 簡單過程控制系統(tǒng)的基本構成四. 過程控制系統(tǒng)的任務五. 過程控制面臨的問題一、什么是過程控制 1、什么是過

3、程（Process）-生產(chǎn)過程連續(xù)過程(Continuous Process)(供油壓力） 批量（間歇）過程(Batch Process)離散過程(Discrete Process)流程工業(yè)(Flow Manufacturing Industry)離散制造業(yè)(Discrete Industry)從原料到產(chǎn)品加工過程（生產(chǎn)硝酸）歷經(jīng)一段時間 （液位控制）伴隨物質能量變化（溫度控制）2、過程（Process）的分類溫度T 溫度T 被控對象存在多樣性，滯后性，非線性 連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程伴隨著物理化學反應，相變過程及 能量的轉換和傳遞，因而是一個復雜的工業(yè)大系統(tǒng)。系統(tǒng)本身的復雜性，不確定性及非線性等因素

4、決定了 控制的困難程度。大滯后非線性：難建數(shù)學模型連續(xù)生產(chǎn)過程中常伴隨十分苛刻的生產(chǎn)條件 和環(huán)境，如高溫高壓易燃易爆有毒等，所以安全 性很重要，對關鍵設備關鍵生產(chǎn)過程必須有 預報和診斷，有時還需要連鎖保護和自啟停。連續(xù)生產(chǎn)過程強調生產(chǎn)過程的實時性整體性，所以從全局出發(fā)協(xié)調和處理裝置間復雜的耦合制 約關系，采用集成及智能理論和技術處理這類問題，以求全局最優(yōu)。6、控制內容自動檢測：傳感，測量自動監(jiān)視：計算機人機界面，顯示儀表，電視監(jiān)視器自動調節(jié)：控制器，調節(jié)器順序控制：可編程控制器自動保護：報警，連鎖保護裝置級甚至廠級生產(chǎn)過程的平穩(wěn)控制控制手段：各種類型的計算機系統(tǒng)二、過程控制的發(fā)展被控對象（過程

5、和設備）、控制理論、控制工具的交替發(fā)展與相互促進匯成過程控制發(fā)展的主旋律（見下表）歷經(jīng)從簡單到復雜，從單變量到多變量，從單一回路到整個裝置乃至是全廠，從單純控制到綜合自動化等等的變化過程規(guī)模煉油裝置：250萬噸：1000萬噸乙烯裝置：10萬噸30萬噸60萬噸100萬噸企業(yè)集成系統(tǒng)的功能模型分層經(jīng)營決策 Marketing & Decision 信息管理 Information Management 計劃調度 Planning & Scheduling 過程監(jiān)控 SCC（Supervisory Computer Control) 現(xiàn)場控制 FCS（Field Control System） 被控

6、生產(chǎn)過程 Processes 企業(yè)集成系統(tǒng)的三層結構ERP/MES/PCSERP(Enterprise Resource Planning)企業(yè)資源規(guī)劃層PCS(Process Control System)過程控制層MES (Manufacturing Execution System)制造執(zhí)行層RVDMS總體結構布局RVDMS總體控制方案三、簡單過程控制系統(tǒng)的基本構成簡單溫度控制系統(tǒng)示例基本組成部分 被控過程 測量變送 控制器 執(zhí)行機構單回路反饋控制系統(tǒng)框圖1、控制系統(tǒng)的組成壓力控制系統(tǒng)的示例當系統(tǒng)受到外界擾動的影響時 為使被控變量（壓力）與設定值保持一致 檢測被控變量，并與設定值比較得到

7、偏差 按一定控制規(guī)律對偏差運算 輸出信號驅動操縱變量（流量） 最終使被控變量回復到設定值變送器檢測壓力控制器對偏差運算執(zhí)行器改變操縱變量 1、控制系統(tǒng)的組成溫度控制系統(tǒng)示例當系統(tǒng)受到外界擾動的影響時 為使被控變量（溫度）與設定值保持一致檢測被控變量，并與設定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對偏差運算 輸出信號驅動操縱變量（流量） 最終使被控變量回復到設定值變送器檢測溫度控制器對偏差運算執(zhí)行器改變操縱變量 2、控制系統(tǒng)的框圖控制系統(tǒng)由被控對象、檢測變送、控制器和執(zhí)行器等組成傳遞函數(shù)被控對象變送器計算機檢測元件控制器執(zhí)行器3、時域控制性能指標1）.衰減比n：衰減比（Subsidence ratio）是

8、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標。它是相鄰同方向兩個波峰的幅值之比。即：n1衰減振蕩n無窮大為非周期過程衰減率也用于表示控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它是每經(jīng)過一個周期后，波動幅度衰減的百分數(shù)，即： 2）超調量和最大動態(tài)偏差：控制系統(tǒng)中，超調量（Overshoot）定義為： 定值控制系統(tǒng)采用最大動態(tài)偏差A表示超調程度。即： 3）余差：它是控制系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差e()。在階躍輸入作用下，余差（Steady-state error）為： 定值控制系統(tǒng)中，r=0，因此有：e()= -C。余差是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性指標。4）回復時間和振蕩頻率： 被控變量從過渡過程開始到進入穩(wěn)態(tài)值5%或2%范圍內的時間作為過渡過程的回復時間Ts

9、（Settling time）?；貜蜁r間是控制系統(tǒng)的快速性指標。 振蕩頻率與振蕩周期T的關系是 在相同衰減比n下，振蕩頻率越高，回復時間越短；在相同振蕩頻率下，衰減比越大，回復時間越短。 5）偏離度：控制系統(tǒng)偏離度是被控變量統(tǒng)計特性的描述。 在相同干擾作用下，定值控制系統(tǒng)輸出的最大偏差越大，系統(tǒng)的偏離度越大；在相同的衰減比下，系統(tǒng)輸出的周期越大，系統(tǒng)的偏離度越大。4、控制系統(tǒng)運行的重要準則 針對連續(xù)或半連續(xù)（間歇）過程中的溫度、壓力、流量、液（物）位、化學成分（如含氧量）、物性參數(shù)（如粘度、融溶指數(shù)）等變量而實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，稱為過程控制。 大延遲、大時間常數(shù)、非線性 采樣周期130秒 各種

10、控制方法應用四、過程控制系統(tǒng)的任務與設計目標任務：保證生產(chǎn)過程的安全性：使操作壓力、溫度等在規(guī)定的許可范圍 保障人身、設備、過程安全穩(wěn)定性：保證連續(xù)生產(chǎn)過程的平穩(wěn)操作， 各參數(shù)維持在允許的波動范圍經(jīng)濟性：提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質量 降低原、材料與能源消耗，降低成本要求：抑制外部干擾對過程參數(shù)的影響確保連續(xù)過程的穩(wěn)定生產(chǎn)工況達到最優(yōu)（次優(yōu)）自控系統(tǒng)設計初步控制系統(tǒng)設計的基本出發(fā)點物料平衡；能量平衡；質量指標；經(jīng)濟指標控制系統(tǒng)設計步驟1) 確定控制目標：滿足平衡關系或某項指標2) 選擇被控參數(shù)：直接可測，間接可測3) 選擇調節(jié)量：用以控制被控參數(shù)的介質4) 確定控制系統(tǒng)結構：單回路 串級 前饋 反饋5)

11、 確定控制算法：PID，模糊，自適應，優(yōu)化，預測6) 選擇控制系統(tǒng)的組成硬件：傳感測量控制儀表， 調節(jié)閥，計算機及其接口五、過程控制面臨的問題及解決方法1 過程建模2 軟測量技術3 控制方法4 過程的優(yōu)化5 生產(chǎn)管理與調度6 動態(tài)系統(tǒng)故障診斷7 實用軟件的開發(fā)過 程 建 模1、過程建模的難點： 對過程控制越來越高的要求與過程 內在機理的復雜性的矛盾2、建模方法： 機理法：根據(jù)能量、物質守恒 系統(tǒng)辨識法：時域法、頻域法，最小二乘法， 極大似然法等 先進辨識方法： 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡建模，模糊建模，小波建 模，混沌建模等軟測量技術 在過程控制中，一些需要控制的過程變量在現(xiàn)在的技術條件下難于直接測量或不

12、易快速在線測量，為實現(xiàn)直接質量控制要求而產(chǎn)生了采用離線或在線實驗數(shù)據(jù)建立模型的軟測量方法，其實質為建立被測量參數(shù)與影響該參數(shù)的其他操作參數(shù)之間的數(shù)學模型。（實時測速）控制方法1、PID控制器：結構簡單，易調整，最常用2、預測控制:對過程不確定系統(tǒng)進行控制的有效方法 3、容錯控制與魯棒（Robust）控制： 解決系統(tǒng)回路失效及模型的不確定性等問題4、基于人工智能技術的控制： 解決模型復雜運行工況變動大的問題； 多采用專家系統(tǒng)，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制等5、統(tǒng)計過程控制： 用于過程監(jiān)視與質量統(tǒng)計建模等方面 基本方法為控制圖方法，多變量投影方法 過程的優(yōu)化1、穩(wěn)態(tài)優(yōu)化：尋找最佳的工藝參數(shù)設定值以獲得最大的 經(jīng)濟效益。2、最優(yōu)控制：控制系統(tǒng)使之工作在一種特定的保守程度 最小的工況之下。3、工藝設計與控制的整體考慮生產(chǎn)管理與調度 生產(chǎn)管理與調度是綜合自動化系統(tǒng)的核心