1過程控制概述課件

過程控制

ProcessControl李文濤主編

王志春李忠虎丁金婷

副主編王化祥主審2012.2過程控制

ProcessControl李文濤主編

王志春李忠虎丁金婷

副主編王化祥主審2012.2過程控制

ProcessControl

上篇過程控制系統(tǒng)（40h)

（ProcessControlSystem）

下篇過程計算機控制(24h)（ComputerControlTechnology)主講：李文濤教授內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程的性質(zhì)、目的和任務(wù)“過程控制”是自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)與儀器等相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)主干課程。通過本課程的學習，使學生掌握從事生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)以及工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試、整定、運行和維護工作所必須具備的基本知識、基本理論和基本技能，為學生以后從事工業(yè)生產(chǎn)過程自動化工作奠定基礎(chǔ)。課程教學內(nèi)容上篇過程控制系統(tǒng)第1章過程控制概述第2章被控過程的數(shù)學模型第3章單回路控制系統(tǒng)第4章串級控制系統(tǒng)第5章比值控制系統(tǒng)第6章前饋控制系統(tǒng)第7章選擇性控制系統(tǒng)第8章其他控制系統(tǒng)第9章過程控制系統(tǒng)設(shè)計實例

下篇過程計算機控制

第10章計算機控制系統(tǒng)概述第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)

第12章集散控制系統(tǒng)第13章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第14章計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計課程基本要求掌握過程控制和計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識；初步具備根據(jù)工業(yè)過程被控對象特點正確選用變送器、執(zhí)行器、過程通道的能力；具備正確選擇控制方案、設(shè)計控制系統(tǒng)的能力；理解工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和整定方法，初步具備設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的能力?？己耍浩綍r成績20%，包括出勤、作業(yè)等；期末考試（閉卷）80%教材：李文濤王志春李忠虎等編著,過程控制.

科學出版社,2012.2答疑：周四下午4:00-5:30;地點：二實驗樓C205課程考核與答疑1.孫洪成等編著,過程控制系統(tǒng)及工程（第3版).化學工業(yè)出版社,2010.72.俞金壽,孫自強編著,過程控制系統(tǒng)（第1版).化學工業(yè)出版社,2009.13.潘永湘等編著,過程控制與自動化儀表(第2版).機械工業(yè)出版社,2007.74.王樹青等編著,工業(yè)過程控制工程.化學工業(yè)出版社,2002.125.邵裕森主編,過程控制及儀表.上海交通大學出版社,2000.56.劉國榮主編,計算機控制技術(shù)與應(yīng)用.機械工業(yè)出版社,7.吳堅主編,計算機控制系統(tǒng).武漢理工大學出版社,2002.82007.7主要參考資料與本課程有關(guān)的其它教學環(huán)節(jié)實驗教學：6個實驗,共16學時,在《儀表實驗技術(shù)2》中開設(shè).生產(chǎn)實習：3周（本學期末）課程設(shè)計：2周（下學期初）

課程設(shè)計要求：針對生產(chǎn)實習的對象做相應(yīng)生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)初步設(shè)計，包括總體方案設(shè)計、儀表的選型等，并繪制檢測控制流程圖。080402測試計量技術(shù)及儀器081102檢測技術(shù)與自動化裝置

過程控制

ProcessControl上篇過程控制系統(tǒng)

第1章過程控制概述本章要點

過程控制的基本概念、任務(wù)與要求

過程控制的組成、特點及分類

過程控制系統(tǒng)的性能指標本章學習目標

掌握過程控制的基本概念、任務(wù)與要求

了解過程控制的發(fā)展概況

掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類方法

掌握過程控制系統(tǒng)性能指標的定義

了解過程控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟

第1章過程控制概述熱工參數(shù)（過程參數(shù)）：存在于生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位、成份和物性等工藝參數(shù)。過程控制系統(tǒng)：對生產(chǎn)過程中的熱工參數(shù)進行控制，使其保持為定值或按一定規(guī)律變化，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，并使生產(chǎn)過程按最優(yōu)化目標自動進行。

過程控制是生產(chǎn)過程自動化的簡稱，是自動化技術(shù)的重要分支，它泛指冶金、石油、化工、電力、輕工、建材及核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產(chǎn)過程自動控制。

第1章過程控制概述過程控制主要是指連續(xù)型工業(yè)過程的自動控制，它通過采用自動化儀表和計算機等自動化技術(shù)工具，對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、物位及成分等工藝參數(shù)進行自動控制，以確保工業(yè)過程安全、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)過程控制連續(xù)型工業(yè)過程離散型工業(yè)過程間歇型工業(yè)過程第1章過程控制概述

1.1過程控制發(fā)展概況

1.2過程控制的任務(wù)及要求

1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類

1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

1.5過程控制系統(tǒng)設(shè)計概述控制系統(tǒng)的由來

人工控制測量：液位計+人眼控制：大腦執(zhí)行：手+手動閥

自動控制差壓變送器電動調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)閥

1.1過程控制發(fā)展概況

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

液位控制系統(tǒng)的組成與方塊圖

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

單回路控制系統(tǒng)被控變量：溫度（T）、壓力（P)、流量(F、Q)、液位或料位(L、H)、成分（A)等五大參數(shù)。

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

過程控制與自動化儀表過程控制發(fā)展的早期階段.主要特點：（1）采用基地式儀表或部分單元組合式儀表，多為氣動儀表；（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)為單輸入-單輸出系統(tǒng)；（3）被控參數(shù)主要是溫度、壓力、流量和物位等工藝參數(shù)；（4）控制目的：穩(wěn)定工藝參數(shù)確保生產(chǎn)安全；（5）理論基礎(chǔ)：基于傳遞函數(shù)的經(jīng)典控制理論。1.基于儀表的局部自動化階段（20世紀50年代前后）

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

使用常規(guī)儀表的中央控制室

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

2.基于儀表/計算機的綜合自動化階段

（20世紀60年代前后）主要特點：（1）大量采用單元組合式儀表（氣動、電動）或組裝式儀表；（2）相繼出現(xiàn)各種高性能或特殊要求的控制系統(tǒng)；（3）計算機開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制DDC和監(jiān)督控制SCC；（4）理論基礎(chǔ)：基于狀態(tài)空間法的現(xiàn)代控制理論；（5）控制系統(tǒng)由單變量發(fā)展到多變量。

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

直接數(shù)字控制DDC和監(jiān)督控制SCCDDCSCC

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

過程控制發(fā)展的高級階段。主要特點：(1)開始采用智能單元組合儀表；(2)成份在線檢測與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛；(3)模擬調(diào)節(jié)儀表的品種不斷增加，可靠性不斷提高；(4)電動儀表實現(xiàn)了本質(zhì)安全防爆；(5)過程控制由單一的儀表控制發(fā)展到計算機/儀表分布式控制，如DCS、FCS；(6)過程辨識、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計以及多變量解耦控制等獲得廣泛應(yīng)用。3.基于網(wǎng)絡(luò)的全盤自動化階段（20世紀70年代中期——）

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

集散型控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))

DCS系統(tǒng)是一種以微型計算機為核心的計算機控制裝置。其基本特點是分散控制、集中管理。

DCS系統(tǒng)通常由控制站（下位機）、操作站（上位機）和過程通訊網(wǎng)絡(luò)三部分組成：控制站完成數(shù)據(jù)采集、處理及控制的作用；操作站完成生產(chǎn)過程信息的集中顯示、操作和管理等作用；過程通訊網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)操作站與控制站的連接，完成信息、控制命令等傳輸。DCS系統(tǒng)可以實現(xiàn)單元組合儀表中變送和執(zhí)行單元之外所有的功能，但DCS的功能是單元組合儀表無法比擬的。

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

早期的DCS控制系統(tǒng)

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS系統(tǒng))

FCS系統(tǒng)是基于現(xiàn)場總線技術(shù)的一種新型計算機控制裝置。其特點是現(xiàn)場控制和雙向數(shù)字通訊，即將傳統(tǒng)上集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中，實現(xiàn)現(xiàn)場控制，而現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置之間為雙向數(shù)字通訊?，F(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。其中現(xiàn)場設(shè)備是指系統(tǒng)最底層的監(jiān)測、執(zhí)行和計算設(shè)備，如智能化的變送器、執(zhí)行器或控制器等。

FCS系統(tǒng)具有全數(shù)字化、全分散式、可互操作、開放式以及現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)可控等優(yōu)點。FCS系統(tǒng)中還可能出現(xiàn)以以太網(wǎng)技術(shù)和以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機控制系統(tǒng)。

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

基于現(xiàn)場總線(Fieldbus)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（FCS)

第1章過程控制概述1.1過程控制發(fā)展概況

第1章過程控制概述1.2過程控制的任務(wù)及要求

工業(yè)生產(chǎn)對過程控制的要求主要有三個方面：安全性：確保生產(chǎn)過程中人身與設(shè)備的安全，保護或減少生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響；穩(wěn)定性：具有抑制外部干擾、保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運行的能力。經(jīng)濟性：實現(xiàn)效益最大化或成本最小化。1.2過程控制的任務(wù)及要求過程控制的任務(wù)：在了解、掌握工藝流程和被控過程的靜態(tài)與動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用控制理論分析和設(shè)計符合上述三項要求的過程控制系統(tǒng)，并采用適宜的技術(shù)手段（如自動化儀表和計算機）加以實現(xiàn)。因此，過程控制是集控制理論、工藝知識、自動化儀表與計算機等為一體的綜合性應(yīng)用技術(shù)。

第1章過程控制概述1.2過程控制的任務(wù)及要求

過程控制與其它相關(guān)學科

第1章過程控制概述1.2過程控制的任務(wù)及要求

第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類1.過程控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)方塊圖

水箱液位控制系統(tǒng)第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類

第1章過程控制概述1.2過程控制的任務(wù)及要求

換熱器溫度控制系統(tǒng)第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)方塊圖

給水閥汽包單回路控制系統(tǒng)方框圖第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類被控對象（對象）：需要實現(xiàn)控制的設(shè)備、機器或生產(chǎn)過程，稱為被控對象，例如鍋爐．被控變量（被調(diào)量、被調(diào)參數(shù)）y：指需要控制的工藝參數(shù)，如加熱器的溫度、鍋爐汽包水位等。它是被控對象的輸出信號。在控制系統(tǒng)方塊圖中，它也是自動控制系統(tǒng)的輸出信號。但它是理論上的真實值，由測量變送器輸出的信號是被控變量的測量值x。設(shè)定值（給定值）：被控變量的目標值（預定值），稱為設(shè)定值。當它由工業(yè)調(diào)節(jié)器內(nèi)部給出時稱為內(nèi)給定值，最常見的內(nèi)給定值是一個常數(shù)，它對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值。當它產(chǎn)生于外界某一裝置，并輸入至調(diào)節(jié)器時稱為外給定值?？刂葡到y(tǒng)中常用的名詞術(shù)語第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類操縱變量（控制變量、調(diào)節(jié)參數(shù)）：受調(diào)節(jié)器操縱，用以使被控變量保持設(shè)定值（給定值）的物料量或能量，稱為操縱變量。它是調(diào)節(jié)閥的輸出信號，如鍋爐給水。調(diào)節(jié)閥的輸入信號是調(diào)節(jié)器的輸出信號，它不同于操縱變量。干擾（擾動）：除操縱變量以外，作用于對象并能引起被控變量變化的因素，稱為干擾或擾動。負荷變化就是一種典型的擾動，如蒸汽用量的變化對鍋爐水位控制是一種典型干擾?；緮_動：可以通過執(zhí)行機構(gòu)控制的擾動。如鍋爐給水流量的變化。外部擾動：系統(tǒng)本身無法控制的擾動。如蒸汽負荷變化。第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類偏差：偏差理論上應(yīng)該是被控變量的設(shè)定值與實際值之差。但是能夠直接獲取的是被控變量的測量值信號而不是實際值，因此，通常把給定值與測量值之差稱作為偏差。調(diào)節(jié)作用：克服干擾作用影響，使系統(tǒng)重新穩(wěn)定的作用。干擾作用：破壞系統(tǒng)平衡，引起被調(diào)參數(shù)偏離給定值的作用。測量信號：變送器輸出代表被調(diào)參數(shù)大小的信號。定值信號：代表給定值大小的信號?？刂菩盘枺赫{(diào)節(jié)器輸出，控制執(zhí)行機構(gòu)的信號。第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類被控變量/受控變量/過程變量（ControlledVariable-CV,ProcessVariable-PV）設(shè)定值/給定值 (Setpoint-SP,SetpointValue-SV)操縱變量/操作變量(ManipulatedVariable,MV)擾動/擾動變量(DisturbanceVariable,DV)測量/測量信號(Measurement)，控制/控制信號/控制變量（ControlVariable）第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類2.過程控制系統(tǒng)的特點被控過程復雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計被控過程多屬慢變過程和參量控制控制方案豐富多彩，控制要求越來越高定值控制是過程控制的主要形式第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分：（1）反饋控制系統(tǒng)（FeedbackControlSystem）3.過程控制系統(tǒng)的分類第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類（2）前饋控制系統(tǒng)（FeedforwardControlSystem）

第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類（3）前饋-反饋復合控制系統(tǒng)第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類前饋與反饋控制系統(tǒng)舉例前饋反饋前饋-反饋第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類按設(shè)定值的特點分：（1）定值控制系統(tǒng)

設(shè)定值固定不變或在規(guī)定的小范圍內(nèi)變化。（2）隨動控制系統(tǒng)

設(shè)定值隨時間任意變化。（3）程序控制系統(tǒng)

設(shè)定值按預定的時間程序變化，也稱為順序控制系統(tǒng)。第1章過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成、特點及分類

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

1.4

過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標1.過程控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)在自動控制領(lǐng)域，把被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)，而把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

2.過程控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)到達另一個平衡狀態(tài)的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。衡量過程控制系統(tǒng)工作質(zhì)量的依據(jù)是系統(tǒng)的過渡過程。

階躍干擾作用下過渡過程的基本形式

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

3.過程控制系統(tǒng)的性能指標

通常在穩(wěn)定性、準確性和快速性三個方面給出性能指標.階躍信號作用下被控變量變化曲線

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

(1)最大偏差和超調(diào)量（準確性指標）

最大偏差是指在過渡過程中被控變量偏離給定值的最大數(shù)值，它是控制系統(tǒng)的動態(tài)指標。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值，它表示被控變量瞬間偏離給定值的最大限度。如圖中的A

。超調(diào)量是第一個峰值與新穩(wěn)定值之差，即圖中的B。

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

單項性能指標(2)衰減比和衰減率（穩(wěn)定性指標）

衰減比表示振蕩過程的衰減程度，它等于被控變量產(chǎn)生周期性振蕩前后相鄰兩個峰值之比，它是控制系統(tǒng)的動態(tài)指標。衡量振蕩過程衰減程度的另一種指標是衰減率，它是指經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數(shù)，即為了保證控制系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕度，在過程控制中一般要求衰減比為4:1到10:1，這相當于衰減率為75%到90%。衰減比衰減率

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

(3)余差

（準確性指標）

余差也稱靜差或穩(wěn)態(tài)誤差，是指當過渡過程結(jié)束后，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差，它是控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標，在圖中以C表示。余差為零的過程控制系統(tǒng)稱為無差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，余差不為零的過程控制系統(tǒng)稱為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。(4)過渡時間（調(diào)節(jié)時間）（快速性指標）

過渡時間是指從干擾發(fā)生時刻起到系統(tǒng)建立新的平衡狀態(tài)止所經(jīng)歷的時間。即從擾動開始到被調(diào)量進入新穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內(nèi)所需時間。

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

(5)振蕩周期或頻率（快速性指標）

過渡過程的振蕩周期或頻率也可以作為衡量控制系統(tǒng)快速性的一個指標。過渡過程中同向兩個波峰之間的時間間隔叫振蕩周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。一般希望振蕩周期短一些為好。

第1章過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標

⑴偏差絕對值積分（IAE）該性能指標可避免正負偏差相互抵消，使大小偏差都起到相應(yīng)的積