過控系統(tǒng)概述

過控系統(tǒng)概述第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四聯(lián)系方式辦公室：電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（百工樓428）電子郵箱：lvting_1@163.com手機(jī)：136015576952第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四關(guān)于課程結(jié)構(gòu)自動化儀表過程控制檢測儀表第2章執(zhí)行器第3章控制器第5章過程特性第4章控制系統(tǒng)第7、8、9章控制策略第5、6章3第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四控制系統(tǒng)到底做什么？4第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四控制工程與其他相關(guān)學(xué)科5第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四本課程的教學(xué)要求了解控制系統(tǒng)的設(shè)計目的，掌握控制系統(tǒng)方塊圖描述法掌握過程對象的建模方法掌握PID類常規(guī)控制策略，能夠結(jié)合具體的工業(yè)過程設(shè)計合理的控制方案了解先進(jìn)控制算法，掌握其設(shè)計思想、概念、特點(diǎn)及適用場合了解控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)施6第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3第1章過程控制系統(tǒng)概述?

過程控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)?

過程控制系統(tǒng)的分類和區(qū)別?

過程控制的階躍響應(yīng)指標(biāo)主要內(nèi)容?

過程控制的發(fā)展?

本課程的地位和任務(wù)7第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四傳感測量：液位計+人眼控制器：大腦執(zhí)行機(jī)構(gòu)：手+手動閥差壓傳感變送器電動調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)閥控制在日常生活中無處不在！1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)控制系統(tǒng)的由來1.1.1過程控制認(rèn)識8第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四41.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)1.1.1過程控制認(rèn)識1.過程控制根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采用自動化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化。

2.工業(yè)生產(chǎn)過程離散過程：火箭、機(jī)械加工、汽車制造等連續(xù)過程：化工、石油、冶金等溫度、壓力、流量、物位和成分等變量。被控參數(shù)9第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)3.過程控制的認(rèn)識EX1:球磨給礦過程控制工作過程存在問題解決辦法10第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四球磨給礦過程控制系統(tǒng)方框圖1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)以流量為被控參數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，通過給礦過程的自動控制穩(wěn)定產(chǎn)量，并為后續(xù)工藝質(zhì)量的控制提供基礎(chǔ)?？偨Y(jié)11第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)12第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)化工行業(yè)硫酸生產(chǎn)工藝中，SO2主風(fēng)機(jī)以前采用手動調(diào)節(jié)蝶閥開度，控制風(fēng)機(jī)出口壓力，壓力波動大。采用變頻器，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定壓力，具有顯著的節(jié)能效果。EX2:硫酸工藝過程控制13第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)硫酸工藝流程過程控制系統(tǒng)方框圖4.過程控制目的抑制外界擾動的影響，確保過程的穩(wěn)定性，使生產(chǎn)過程的工況最優(yōu)化。

14第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)1.1.2過程控制系統(tǒng)組成被控變量-CV(

ControlledVariable)設(shè)定值

-SP(Setpoint)操縱變量

-MV(ManipulatedVariable)擾動變量-

DV(DisturbanceVariable)控制變量

-ControlVariable測量信號-Measurement過程控制系統(tǒng)的重要術(shù)語15第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)1.1.2過程控制系統(tǒng)組成問題：指出每一條連接線所對應(yīng)的變量信號的物理意義與單位，以及每一個方塊所表示的意義？16第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)圖示乙烯裂解氣溫度控制系統(tǒng)。采用液態(tài)丙烯，使其汽化吸收熱量以冷卻乙烯裂解氣。調(diào)節(jié)氣態(tài)丙烯流量使溫度控制在（15±1.5）℃。EX3:丙烯冷卻器過程控制17第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)1.指出系統(tǒng)中被控過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)各是什么？

2.試畫出該控制系統(tǒng)的組成方塊圖。被控過程為丙烯冷卻器；被控參數(shù)為乙烯裂解氣的出口溫度；控制參數(shù)為氣態(tài)丙烯的流量。18第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四在示意圖中，氣態(tài)丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出。3.試比較示意圖和方塊圖，說明控制參數(shù)的信號流向與物料的實(shí)際流動方向不同。

在方塊圖中，氣態(tài)丙烯作為控制參數(shù)，其信號的流向是指向丙烯冷卻器的。19第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)1.1.3過程控制的特點(diǎn)生產(chǎn)過程傳熱過程燃燒過程化學(xué)過程精餾過程傳質(zhì)過程換熱器、加熱器、再沸器鍋爐、冶煉爐、加熱爐各類化學(xué)反應(yīng)設(shè)備提純或分離，精餾塔不同組分的分離與結(jié)合20第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四板翅式換熱器盤管式換熱器過程控制生產(chǎn)裝置21第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四銅礦冶煉爐過程控制生產(chǎn)裝置22第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四萃取裝置污水汽提裝置過程控制生產(chǎn)裝置23第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.1過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)1.1.3過程控制的特點(diǎn)被控過程復(fù)雜多樣?？刂品桨付鄻有??？刂七^程多屬緩慢過程，存在滯后和非線性。有定值控制和隨動控制，定值控制是主要控制形式?？刂七^程由規(guī)范的檢測變送、控制和執(zhí)行裝置組成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控。24第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)1.2.1過程控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分

反饋控制系統(tǒng)

前饋控制系統(tǒng)

復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）

按給定值信號的特點(diǎn)來分

定值控制系統(tǒng)

隨動控制系統(tǒng)

25第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.反饋控制系統(tǒng)偏差值是控制的依據(jù)，控制目的是減小或消除偏差。屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋信號可能有多個，從而可以構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)（如串級控制系統(tǒng)）。

1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)26第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.前饋控制系統(tǒng)1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)擾動量是控制的依據(jù)，控制目的是及時抑制干擾。屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中不能單獨(dú)采用。

27第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3.閉環(huán)與開環(huán)系統(tǒng)1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)EX4:列管式換熱器過程控制蒸汽流量控制系統(tǒng)進(jìn)料流量控制系統(tǒng)28第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)29第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四“反饋”是控制的核心！只有通過反饋才能實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)的閉環(huán)控制！開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動地“察覺”被控參數(shù)的變化情況，也不能判斷控制參數(shù)的校正作用是否適合實(shí)際需要。1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)總結(jié)30第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)4.復(fù)合控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了“前饋”和“反饋”的各自優(yōu)點(diǎn)。31第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)5.定值和隨動控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)是被控量（溫度、壓力、流量、液位、成分等）的給定值是固定不變的過程控制系統(tǒng)。有時可在規(guī)定的小范圍附近不變。

隨動控制系統(tǒng)是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。主要作用是克服擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。32第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)1.2.2過程控制的性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能由組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、被控過程與過程儀表（測量變送、執(zhí)行器和控制器）各環(huán)節(jié)特性所共同決定的?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)（單回路、串級、前饋-反饋控制等）；各組成環(huán)節(jié)特性：33第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)一個性能良好的過程控制系統(tǒng)，在受到外來擾動作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)能迅速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地達(dá)到或趨近給定值。過程控制系統(tǒng)性能的評價指標(biāo)可概括為：系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的系統(tǒng)應(yīng)提供盡可能優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（靜態(tài)指標(biāo)）；系統(tǒng)應(yīng)提供盡可能優(yōu)良的過渡過程（動態(tài)指標(biāo)）。1.過程控制系統(tǒng)的性能評價34第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)2.性能指標(biāo)的確定和分析方法

過程控制系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實(shí)際需要來確定。需同時注意靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。分析方法：1.階躍響應(yīng)性能指標(biāo)，系統(tǒng)工程整定時采用；2.偏差積分性能指標(biāo)，計算機(jī)仿真時采用。35第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)典型的控制系統(tǒng)過渡過程曲線

不穩(wěn)定穩(wěn)定36第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)階躍擾動作用下衰減振蕩過渡過程過渡時間穩(wěn)態(tài)誤差衰減比給定值穩(wěn)態(tài)值超調(diào)量37第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)零或越小越好。靜態(tài)性能指標(biāo)動態(tài)性能指標(biāo)1.衰減比:2.超調(diào)量:3.過渡過程時間:穩(wěn)態(tài)誤差:取衰減比為4:1~10:1

越小越好越小越好38第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)EX5:階躍響應(yīng)性能指標(biāo)的求取某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為80±5℃。試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調(diào)量和過渡過程時間。39第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差ess=80-81=-1℃衰減比n=B1:B2=7:1第一個波峰值B1=88-81=7℃；第二個波峰值B2=82-81=1℃；超調(diào)量σ=（88-81）/81=8.64%過渡過程時間ts=18min給定值穩(wěn)態(tài)值40第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.2過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)階躍響應(yīng)性能指標(biāo)中各單項(xiàng)指標(biāo)清晰明了，但如何統(tǒng)籌（兼顧偏差和時間），則比較困難。偏差積分性能指標(biāo)可綜合偏差和時間關(guān)系，即可以兼顧衰減比、超調(diào)量和過渡過程時間等各單項(xiàng)指標(biāo)，屬于綜合性能指標(biāo)。一般來說，階躍響應(yīng)性能指標(biāo)便于工程整定，在工程應(yīng)用中使用廣泛；而偏差積分性能指標(biāo)則更便于計算機(jī)仿真和理論分析。3.階躍響應(yīng)和偏差積分性能指標(biāo)的比較41第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.1控制系統(tǒng)的發(fā)展史開大閥門還是逃命？溫度指示手動操作機(jī)械裝置氣動設(shè)備電動設(shè)備數(shù)字計算數(shù)字計算和通訊冷卻閥由人直接根據(jù)指示來調(diào)節(jié)閥門42第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展手動操作機(jī)械裝置氣動設(shè)備電動設(shè)備數(shù)字計算數(shù)字計算和通訊浮子用來測量液位閘門的位置決定流量支點(diǎn)的位置決定：閘門的變化/液位變化怎樣改變設(shè)定值？變量的值由裝置的位置來表達(dá)1.3.1控制系統(tǒng)的發(fā)展史43第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.1控制系統(tǒng)的發(fā)展史手動操作機(jī)械裝置氣動設(shè)備電動設(shè)備數(shù)字計算數(shù)字計算和通訊管道中的信號為3-15psi的氣壓氣壓改變閥門開度怎樣執(zhí)行PID計算？變量大小與氣壓成比例(50–150℃=3–15psi)。44第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.1控制系統(tǒng)的發(fā)展史手動操作機(jī)械裝置氣動設(shè)備電動設(shè)備數(shù)字計算數(shù)字計算和通訊電線中的信號為4-20mA的電流電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛聿倏v閥門怎樣執(zhí)行PID計算？變量大小與電流或電壓成比例(50–150℃=4–20mA)。45第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四手動操作機(jī)械裝置氣動設(shè)備電動設(shè)備數(shù)字計算數(shù)字計算和通訊電線中的信號為4-20mA的電流電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛聿倏v閥門采用電動信號傳輸進(jìn)行數(shù)字計算1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.1控制系統(tǒng)的發(fā)展史46第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.1控制系統(tǒng)的發(fā)展史手動操作機(jī)械裝置氣動設(shè)備電動設(shè)備數(shù)字計算數(shù)字計算和通訊電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛聿倏v閥門數(shù)字PID信號采用數(shù)字傳輸信號在局域網(wǎng)中傳輸，傳感器和閥門也可帶有微處理器！47第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展控制在哪里實(shí)現(xiàn)？現(xiàn)場顯示現(xiàn)場調(diào)節(jié)電纜，可能有幾百米長中央控制室中進(jìn)行變量顯示、計算以及操縱閥門傳感器、現(xiàn)場顯示和閥門都在生產(chǎn)現(xiàn)場48第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.2過程控制儀表的發(fā)展年代工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r儀表技術(shù)20世紀(jì)50年代化工、冶金、造紙等規(guī)模較小電子管時代儀表信號標(biāo)準(zhǔn)：20～100kPa氣動信號基地式儀表氣動單元組合式儀表氣動儀表控制器20世紀(jì)60年代分立元件的半導(dǎo)體技術(shù)計算機(jī)大型電站過程工業(yè)大型化電動儀表開始使用，DDZ-Ⅱ型，0～10mA儀表控制室電動單元組合式儀表DDC20世紀(jì)70年代集成電路技術(shù)微處理器工業(yè)現(xiàn)代化微機(jī)廣泛使用DDZ-Ⅲ型，信號標(biāo)準(zhǔn)：4～20mACAD機(jī)器人DCS，PLC20世紀(jì)80年代辦公自動化數(shù)字化技術(shù)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)字化智能化儀表各種通信協(xié)議，RS232/485/422等DCS功能擴(kuò)展20世紀(jì)90年代智能控制工業(yè)控制高要求現(xiàn)場總線；分析儀器的在線應(yīng)用；優(yōu)化控制；管理與控制的集成49第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3.3計算機(jī)在過程控制中的應(yīng)用及發(fā)展1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展年代計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)20世紀(jì)60年代計算機(jī)開始應(yīng)用于自動控制集中控制及直接數(shù)字控制（DDC）20世紀(jì)70年代微型計算機(jī)產(chǎn)生微處理機(jī)技術(shù)用于工業(yè)控制集散控制系統(tǒng)（DCS）產(chǎn)生小型機(jī)開始在企業(yè)管理中應(yīng)用20世紀(jì)80年代微機(jī)在企業(yè)管理信息系統(tǒng)（MIS）中應(yīng)用DCS在過程控制中推廣應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用20世紀(jì)90年代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化（PA），工廠自動化（FA）計算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)（CIPS）企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展（FieldBus）管控一體化技術(shù)（MCIS）優(yōu)化控制軟件包50第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3.4過程控制理論的發(fā)展1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展上世紀(jì)40年代至60年代，經(jīng)典控制理論為主。60年代后，現(xiàn)代控制理論在生產(chǎn)過程控制中得到了越來越多的應(yīng)用。近年來，控制理論界已形成一個包括智能控制等在內(nèi)的多角度、多方位的研究態(tài)勢。51第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.5我國過程控制技術(shù)的發(fā)展上世紀(jì)50年代末期，主要采用機(jī)械式和氣動儀表；60年代，廣泛采用Ⅰ型電動單元組合儀表；70年代中期，Ⅱ型電動單元組合儀表成為過程檢測和控制的主流產(chǎn)品；80年代初，開始采用Ⅲ型電動單元組合儀表，相繼引進(jìn)了集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程序控制器（PLC）和工業(yè)PC機(jī)（IPC）等。目前，控制系統(tǒng)以DCS和PLC-SCADA系統(tǒng)為主。我國已有DCS、PLC的研發(fā)和生產(chǎn)能力。52第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.3過程控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCSPLC-SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用研究遠(yuǎn)程監(jiān)督與控制智能控制應(yīng)用研究過程控制與管理信息集成過程控制的幾個發(fā)展方向53第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.4本課程的地位和任務(wù)1.4.1本課程的地位1.4.2本課程的任務(wù)過程控制和運(yùn)動控制的區(qū)別。54第54頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四確定控制目標(biāo)：依據(jù)生產(chǎn)過程安全性、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性的要求，針對具體工業(yè)對象確定控制目標(biāo)；選擇被控變量：選擇與控制目標(biāo)直接或間接相關(guān)的可測量參數(shù)作為控制系統(tǒng)的被控變量；選擇操作變量：從所有可操作變量中選擇合適的操作變量，要求對被控變量的調(diào)節(jié)作用盡可能大而快；確定控制方案：當(dāng)被控變量與操作變量多于1個時，既可以直接用MIMO（