過程控制系統(tǒng)課件 第1章 緒論

過程控制系統(tǒng)

——緒論

電氣與控制工程學(xué)院提綱過程控制與自控原理的關(guān)系過程控制的任務(wù)與目標(biāo)過程系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)性能指標(biāo)過程控制發(fā)展的概況控制策略與算法進(jìn)展8/26/20242一

過程控制與自控原理的關(guān)系工業(yè)生產(chǎn)過程自動化工具控制理論8/26/20243二過程控制的任務(wù)與目標(biāo)生產(chǎn)過程：是指物料經(jīng)過若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過程.生產(chǎn)過程的總目標(biāo)：將原物料加工成預(yù)期的產(chǎn)品.過程控制的任務(wù):

了解工藝流程和動靜態(tài)特性.

實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標(biāo).8/26/202441過程控制的任務(wù)充分了解生產(chǎn)過程的工藝流程和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用理論對系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，以生產(chǎn)過程中物流變化信息作為被控量，選用適宜的技術(shù)手段，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標(biāo)。2常見的被控變量：

溫度、壓力、液位、流量、濕度、PH值、粘度等參數(shù)8/26/202453生產(chǎn)過程的要求安全性：生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備安全，是最重要和最基本的要求.穩(wěn)定性：系統(tǒng)抑制外部干擾、保持生產(chǎn)過程 長期穩(wěn)定運(yùn)行的能力.經(jīng)濟(jì)性：低成本高效益是過程控制的另一個 目標(biāo).

4舉例液位控制火力發(fā)電廠熱交換溫度控制系統(tǒng)8/26/20246三過程控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)1、組成：被控過程（或?qū)ο螅┯糜谏a(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)報警、保護(hù)和連鎖等其他部件8/26/20247過程控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖8/26/20248轉(zhuǎn)爐供氧控制系統(tǒng)8/26/202492過程工業(yè)的特點(diǎn)

過程控制是指連續(xù)過程工業(yè)

特點(diǎn)主要指連續(xù)過程生產(chǎn)

過程工業(yè)是十分復(fù)雜的大系統(tǒng)

存在不確定性、時變性以及非線性等因素

過程控制的難度是顯而易見的

工業(yè)過程生產(chǎn)環(huán)境惡劣且生產(chǎn)條件苛刻

采用智能控制方法和計算機(jī)控制技術(shù)8/26/2024103過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）被控過程的多樣性

石油化工過程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過程、核工業(yè)中的動力核反應(yīng)過程。過程控制系統(tǒng)中的被控對象（被控量）是多樣的。

2）控制方案的多樣性

生產(chǎn)工業(yè)的特點(diǎn)、被控過程的多樣性決定控制方案的多樣性。系統(tǒng)硬件和控制算法、軟件設(shè)計。

過程檢測控制儀表:調(diào)節(jié)儀表，控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）和檢測與變送儀表。8/26/202411儀表控制系統(tǒng)：由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成。

控制方法上:單變量過程控制系統(tǒng)多變量過程控制系統(tǒng)。控制算法：

PID控制、智能控制等。3）被控過程屬慢過程、多參數(shù)控制

連續(xù)工業(yè)過程大慣性和大滯后的特點(diǎn)決定了被控過程為慢過程。

4）定值控制

被控參數(shù)的設(shè)定值為一個定值，減小或消除外界干擾，使被控量盡量保持接近或等于設(shè)定值。8/26/2024125）過程控制多種分類方法

按被控參數(shù)分類：

溫度、壓力、流量、液位或物位控制系統(tǒng)、物性控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)。按被控量數(shù)分類：

單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)。

按設(shè)定值分類：

定值控制系統(tǒng)、隨動（伺服）控制系統(tǒng)。8/26/202413按參數(shù)性質(zhì)分類：

集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)。

按控制算法分類：簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)或高級控制系統(tǒng)。

按控制器形式分類：

常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)、計算機(jī)過程控制系統(tǒng)。8/26/202414四性能指標(biāo)準(zhǔn)、快、穩(wěn)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性。

定值控制系統(tǒng)在于恒定，要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準(zhǔn)、快地保持接近或等于設(shè)定值。隨動（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是跟蹤，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快地跟蹤設(shè)定值。8/26/2024151．衰減比和衰減率

衰減比等于兩個相鄰?fù)虿ǚ逯抵?。衡量振蕩過程衰減程度的指標(biāo)。衰減率經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分?jǐn)?shù).

衡量振蕩過程衰減程度的另一種指標(biāo)。8/26/202416過程控制系統(tǒng)的衰減比為4：1到10：1

相當(dāng)于衰減率=0.75到0.9

若衰減率=0.75,大約振蕩兩個波系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

2.最大動態(tài)偏差和超調(diào)量

最大動態(tài)偏差是指在階躍響應(yīng)中，被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，表現(xiàn)在過渡過程開始的第一個波峰。

超調(diào)量為最大動態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比。最大動態(tài)偏差是過程控制系統(tǒng)動態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。8/26/2024173.余差

余差是指過渡過程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值的差值。它是過程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。4.調(diào)節(jié)時間ts和振蕩頻率

調(diào)節(jié)時間ts是從過渡過程開始到結(jié)束的時間。過渡過程的振蕩頻率是振蕩周期的倒數(shù)，即

在同樣的振蕩頻率下,衰減比越大則調(diào)節(jié)時間越短；當(dāng)衰減比相同時，則振蕩頻率越高，調(diào)節(jié)時間越短。振蕩頻率在一定程度上也可作為衡量過程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。8/26/202418五過程控制發(fā)展概況在二十世紀(jì)40年代以前，處于手工操作狀態(tài)，操作工人通過對火候、冷熱、色澤、形狀等的觀察來調(diào)整生產(chǎn)過程。

二十世紀(jì)50年代前后，實現(xiàn)儀表控制和局部自動化。采用的是基地式儀表和部分組合儀表。

二十世紀(jì)60年代隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，采用單元組合儀表（包括氣動與電動）以及組裝儀表。以4～20mA和0～10mA電動模擬信號為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號的電動模擬控制系統(tǒng)。與此同時，計算機(jī)開始用于過程控制領(lǐng)域。1946年世界上第一臺計算機(jī)誕生。1959年工業(yè)控制計算機(jī)（ProcessControlComputer,如TR300等）便在化肥廠和煉油廠試用于控制生產(chǎn)過程。

8/26/20241960年代中期，出現(xiàn)了用計算機(jī)實現(xiàn)的直接數(shù)字控制DDC（DirectDigitalControl）系統(tǒng)和計算機(jī)監(jiān)控SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)。二十世紀(jì)70年代中期，推出了分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem，集散系統(tǒng)）和可編程序控制器（PLC。二十世紀(jì)80年代以來，一方面分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)DCS成為流行的過程控制系統(tǒng)；另一方面，兼顧連續(xù)控制和邏輯控制/順序控制功能的復(fù)合控制系統(tǒng)HCS（HybridControlSystem）得到發(fā)展。它可以是基于DCS而增添邏輯順序功能的系統(tǒng)，也可以是基于PLC而增添連續(xù)控制功能的系統(tǒng)。8/26/202420另外，各廠家相繼推出了各種數(shù)字化智能變送器和智能化數(shù)字執(zhí)行器，以現(xiàn)場總線（Fieldbus）為標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS進(jìn)一步將控制功能分散，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。在控制裝置發(fā)展的同時，產(chǎn)生出許多智能傳感器和執(zhí)行器。能提供儀表狀態(tài)和診斷的信息，具有通訊功能，便于調(diào)試、投運(yùn)、維護(hù)和管理。

一些重要的生產(chǎn)過程逐漸采用技術(shù)先進(jìn)在線分析儀器，如：近紅外、質(zhì)譜、色譜、專用生化過程傳感器等等。隨著各種光、機(jī)、電傳感技術(shù)以及厚膜電路等先進(jìn)加工工藝的廣泛應(yīng)用，使工業(yè)儀表顯得異彩紛呈。

8/26/202421近年來，以太網(wǎng)技術(shù)逐漸滲入到工業(yè)自動化領(lǐng)域。隨著高速以太網(wǎng)的到來，智能以太網(wǎng)交換機(jī)的使用和耐工業(yè)環(huán)境（防塵、防潮、防爆、耐腐蝕、抗電磁干擾等）以太網(wǎng)器件的面市，工業(yè)以太網(wǎng)將會更加廣泛地在工業(yè)自動化中得到應(yīng)用，從而使過程控制系統(tǒng)更為靈活、方便和經(jīng)濟(jì)。

8/26/202422六控制策略與算法進(jìn)展簡單控制PID復(fù)雜控制：串級、比值、前饋、Smith預(yù)估先進(jìn)控制：解耦、預(yù)測、模糊控制、自適應(yīng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等8/26/202423本章小結(jié)1.過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)的控制，其被控量是溫度、壓力、流量、液位（或物位）、物理特性和化學(xué)成分。

2.過程控制系統(tǒng)一般由控制器（調(diào)節(jié)器）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測與變送儀表、被控過程（或?qū)ο螅┮约跋嚓P(guān)的報警、保護(hù)和連鎖等其它部件組成。3.多樣性、慢過程、參數(shù)控制以及定值控制。4.衰減比和衰減率是衡量振蕩過程控制系統(tǒng)的過程衰減程度指標(biāo)8/26/202424液位控制系統(tǒng)示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動的影響時為使被控變量（液位）與設(shè)定值保持一致檢測被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對偏差運(yùn)算輸出信號驅(qū)動操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值變送器檢測液位控制器對偏差運(yùn)算執(zhí)行器改變操縱變量

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