《過程控制基礎(chǔ)知識》課件

過程控制基礎(chǔ)知識過程控制是自動化控制領(lǐng)域的一個重要分支。它涉及使用傳感器、控制器和執(zhí)行器來調(diào)節(jié)和優(yōu)化工業(yè)過程。什么是過程控制自動控制過程控制是工業(yè)生產(chǎn)中常用的自動控制技術(shù)，用于調(diào)節(jié)和優(yōu)化生產(chǎn)過程中的各種變量。通過傳感器、執(zhí)行器和控制器等裝置，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測和控制，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。過程控制的目標(biāo)和作用提高生產(chǎn)效率過程控制通過優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。降低生產(chǎn)成本自動控制系統(tǒng)減少人工操作，降低能源消耗和材料浪費。改善產(chǎn)品質(zhì)量過程控制系統(tǒng)保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品一致性。增強安全保障自動化控制系統(tǒng)提高生產(chǎn)安全性，減少事故發(fā)生率。過程控制的基本原理11.反饋控制控制系統(tǒng)通過傳感器獲取被控量的實際值，并與設(shè)定值進行比較，將偏差信號反饋給控制器，最終調(diào)節(jié)執(zhí)行器來改變被控量，實現(xiàn)對過程的控制。22.控制回路過程控制系統(tǒng)通常由傳感器、控制器、執(zhí)行器和被控對象組成一個閉環(huán)回路，實現(xiàn)對過程變量的實時控制。33.穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動后能夠恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，保證過程的正常運行。44.響應(yīng)速度過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度是指系統(tǒng)對擾動做出反應(yīng)的速度，體現(xiàn)了系統(tǒng)對過程變化的靈敏程度。過程變量的基本概念過程變量過程控制中測量和控制的對象。溫度反應(yīng)器、加熱器或冷卻器的溫度。壓力反應(yīng)器、管道或容器內(nèi)的壓力。流量流體在管道或容器中的流動速度。傳感器的類型和特性溫度傳感器熱電偶、熱電阻、鉑電阻等。測量溫度變化，應(yīng)用于過程控制、環(huán)境監(jiān)測等。壓力傳感器壓力表、應(yīng)變式壓力傳感器等。測量壓力變化，應(yīng)用于液體、氣體和固體的壓力測量。流量傳感器渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。測量流體的流量，應(yīng)用于管道流體流量的測量和控制。液位傳感器浮子液位計、超聲波液位計、電容式液位計等。測量液體液位，應(yīng)用于儲罐、反應(yīng)釜等液位的測量和控制。執(zhí)行器的類型和特性執(zhí)行器的類型常用的執(zhí)行器類型包括電動執(zhí)行器、氣動執(zhí)行器、液壓執(zhí)行器和電液執(zhí)行器。每種執(zhí)行器都有其獨特的特點和適用場景。執(zhí)行器的特性執(zhí)行器應(yīng)具有快速響應(yīng)、高精度、可靠性高、易于維護等特點。執(zhí)行器的特性直接影響過程控制系統(tǒng)的性能。選擇執(zhí)行器根據(jù)控制系統(tǒng)需求，選擇合適的執(zhí)行器類型和特性。需考慮執(zhí)行器的負(fù)載能力、響應(yīng)速度、精度、可靠性等因素。控制器的基本結(jié)構(gòu)控制器是過程控制系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)接收來自傳感器的信號，并根據(jù)設(shè)定值和控制算法輸出控制信號給執(zhí)行器。控制器通常由以下幾個部分組成：傳感器輸入模塊、設(shè)定值輸入模塊、控制算法模塊、輸出模塊、人機界面等。控制算法模塊是控制器最關(guān)鍵的部分，它決定了控制器的性能?？刂扑惴ǖ姆诸愰_關(guān)控制算法簡單直接，適用于開關(guān)量控制，例如電機啟動/停止。比例控制算法根據(jù)偏差大小改變輸出，響應(yīng)速度快，但存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制算法消除穩(wěn)態(tài)誤差，但響應(yīng)速度較慢，容易引起超調(diào)。微分控制算法預(yù)測偏差變化趨勢，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，抑制超調(diào)。比例-積分-微分(PID)控制1微分控制預(yù)測未來趨勢2積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差3比例控制實時調(diào)整偏差PID控制是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制的閉環(huán)反饋控制算法。它通過控制變量與設(shè)定值之間的偏差，進行比例、積分和微分運算，最終輸出控制信號。PID控制參數(shù)的調(diào)整方法1經(jīng)驗方法基于經(jīng)驗值和觀察進行調(diào)整。2階躍響應(yīng)法分析系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)，確定參數(shù)。3自整定法控制器自動調(diào)整參數(shù)，達到最佳控制效果。4頻率響應(yīng)法分析系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)，優(yōu)化參數(shù)。PID控制參數(shù)的調(diào)整方法有很多，每種方法都有其優(yōu)缺點。實際應(yīng)用中，通常需要根據(jù)具體情況選擇合適的方法。離散控制系統(tǒng)的基本概念數(shù)字化信號離散控制系統(tǒng)使用數(shù)字化信號進行控制，信號在時間上是離散的，即信號只在特定時間點上才被采集或輸出。采樣和保持連續(xù)信號在特定時間點被采集，形成離散信號，然后保持一段時間，再進行下一次采樣。控制算法離散控制算法根據(jù)采樣后的信號進行運算，生成控制指令，并輸出到執(zhí)行機構(gòu)，控制被控對象。數(shù)字控制器數(shù)字控制器使用數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)控制算法的運算，控制系統(tǒng)的各個部分通過數(shù)字信號相互連接，構(gòu)成一個數(shù)字化的控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)的采樣和保持1采樣過程將連續(xù)信號轉(zhuǎn)化為離散信號。每個采樣點對應(yīng)時間軸上的一個特定時刻，通過傳感器獲取數(shù)據(jù)。2保持過程將采樣后的離散值保持一段時間，以便控制系統(tǒng)進行處理和決策。這種保持時間決定了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。3采樣周期采樣周期是指連續(xù)兩次采樣之間的時間間隔，它決定了控制系統(tǒng)對信號變化的敏感程度。Z變換及其應(yīng)用Z變換將離散時間信號轉(zhuǎn)換到復(fù)頻域。簡化離散時間系統(tǒng)的分析和設(shè)計。應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域。狀態(tài)空間表示法11.狀態(tài)向量狀態(tài)變量集合，描述系統(tǒng)在某時刻的狀態(tài)。22.狀態(tài)方程描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的微分方程組。33.輸出方程將狀態(tài)向量與輸出變量聯(lián)系起來。狀態(tài)空間分析與設(shè)計狀態(tài)空間模型建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，描述系統(tǒng)狀態(tài)變量之間的關(guān)系。系統(tǒng)可控性與可觀測性分析系統(tǒng)是否可控和可觀測，確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。狀態(tài)反饋控制設(shè)計設(shè)計狀態(tài)反饋控制器，調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能，實現(xiàn)期望的控制效果。狀態(tài)觀測器設(shè)計設(shè)計狀態(tài)觀測器，估計系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)控。典型過程的建模一階滯后過程一階滯后過程是工業(yè)過程中最常見的過程之一，例如液體加熱過程和儲罐液位的控制。一階滯后過程的傳遞函數(shù)可以用時間常數(shù)和增益來描述。二階過程二階過程通常由兩個或多個一階過程組成，例如壓力容器的溫度控制或反應(yīng)器的流量控制。二階過程的傳遞函數(shù)可以用時間常數(shù)、阻尼系數(shù)和增益來描述。死時間過程死時間過程是指在輸入信號發(fā)生變化后，輸出信號需要經(jīng)過一段時間的延遲才能發(fā)生變化。例如，管道中的液體流動的控制，由于管道的長度，控制信號需要經(jīng)過一段延遲才能影響液位變化。非線性過程非線性過程是指其輸入輸出關(guān)系不能用線性方程來描述。例如，反應(yīng)器中化學(xué)反應(yīng)的控制，由于反應(yīng)速率隨溫度變化而發(fā)生變化，因此反應(yīng)器控制是非線性的。一階滯后過程的控制一階滯后過程是過程控制中常見的類型，其特征是輸出變量對輸入變量的變化有延遲響應(yīng)。1控制目標(biāo)消除偏差，使系統(tǒng)穩(wěn)定2控制策略比例控制、積分控制3調(diào)節(jié)參數(shù)比例系數(shù)、積分時間4性能指標(biāo)超調(diào)量、穩(wěn)定時間控制目標(biāo)是消除系統(tǒng)偏差，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。常見的控制策略包括比例控制和積分控制。調(diào)節(jié)參數(shù)包括比例系數(shù)和積分時間，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。性能指標(biāo)用來評估控制系統(tǒng)的效果，包括超調(diào)量和穩(wěn)定時間等。二階過程的控制1系統(tǒng)建模確定二階過程的傳遞函數(shù)2參數(shù)優(yōu)化選擇合適的控制參數(shù)3性能評估根據(jù)實際響應(yīng)進行調(diào)整二階過程控制需要根據(jù)具體系統(tǒng)特點進行建模，并通過參數(shù)優(yōu)化和性能評估來實現(xiàn)最佳控制效果。例如，對于一個具有慣性和延遲的熱過程，可以使用二階傳遞函數(shù)來描述其動態(tài)特性。多輸入多輸出過程的控制1復(fù)雜控制系統(tǒng)多輸入多輸出過程通常指具有多個控制變量和多個受控變量的復(fù)雜控制系統(tǒng)。它們廣泛存在于化工、電力、冶金等領(lǐng)域。2協(xié)調(diào)控制多輸入多輸出控制的目標(biāo)是在多個變量之間實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，以達到最佳的性能。例如，在化工生產(chǎn)中，需要控制溫度、壓力和流量等多個變量，才能獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。3先進控制技術(shù)多輸入多輸出過程的控制需要采用先進的控制技術(shù)，例如模型預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等。這些技術(shù)可以更好地處理復(fù)雜系統(tǒng)中存在的相互作用、非線性、噪聲和不確定性。非線性過程的控制線性化將非線性過程模型轉(zhuǎn)化為近似的線性模型，應(yīng)用線性控制理論進行控制。非線性控制直接設(shè)計非線性控制器，根據(jù)過程特性進行定制，實現(xiàn)更精確的控制。自適應(yīng)控制根據(jù)過程變化自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，適應(yīng)非線性過程的動態(tài)特性。人工智能控制利用機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實現(xiàn)非線性過程的智能控制。車間現(xiàn)場總線技術(shù)連接現(xiàn)場總線技術(shù)用于連接車間內(nèi)不同設(shè)備和系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。實時性現(xiàn)場總線技術(shù)支持實時數(shù)據(jù)傳輸，確保控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運行。兼容性多種設(shè)備和系統(tǒng)能夠通過現(xiàn)場總線技術(shù)連接，實現(xiàn)互操作性和數(shù)據(jù)共享。靈活性現(xiàn)場總線技術(shù)可以靈活地配置和擴展，滿足不同車間自動化需求。現(xiàn)場總線類型及其特點FoundationFieldbus(FF)FF是一種數(shù)字通信協(xié)議，支持實時和非實時數(shù)據(jù)傳輸。FF提供了靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星形、總線形和樹形。FF廣泛應(yīng)用于過程控制系統(tǒng)，例如化工、石油和天然氣行業(yè)。ProfibusProfibus是一種開放式現(xiàn)場總線協(xié)議，用于自動化控制系統(tǒng)。Profibus支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于不同的應(yīng)用場景。Profibus廣泛應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)，例如汽車制造和食品加工行業(yè)。ControlNetControlNet是一種用于實時控制應(yīng)用的現(xiàn)場總線協(xié)議。ControlNet提供了高帶寬和低延遲，適用于高性能控制系統(tǒng)。ControlNet廣泛應(yīng)用于機器人控制和運動控制系統(tǒng)。EtherNet/IPEtherNet/IP是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線協(xié)議。EtherNet/IP提供了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接，易于集成到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。EtherNet/IP廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化應(yīng)用中。DCS和PLC在過程控制中的應(yīng)用DCS系統(tǒng)DCS系統(tǒng)應(yīng)用于大型過程控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)復(fù)雜過程的集中監(jiān)控與管理。PLC系統(tǒng)PLC系統(tǒng)適用于中小型過程控制應(yīng)用，具有編程靈活、可靠性高、成本低等優(yōu)點。協(xié)同應(yīng)用DCS和PLC可以協(xié)同工作，實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)過程控制和管理?？刂葡到y(tǒng)的故障診斷與維護1故障診斷及時識別并分析控制系統(tǒng)故障，確定故障類型和原因。2故障排除根據(jù)診斷結(jié)果，采取相應(yīng)的措施，排除故障，恢復(fù)系統(tǒng)正常運行。3系統(tǒng)維護定期對控制系統(tǒng)進行維護，包括清潔、檢查、調(diào)整和更換部件，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。4安全措施制定安全操作規(guī)程，加強安全培訓(xùn)，預(yù)防事故發(fā)生，確保人身安全?？刂葡到y(tǒng)的安全保護措施安全開關(guān)在緊急情況下，安全開關(guān)可立即切斷系統(tǒng)電源，防止事故發(fā)生。安全閥安全閥在壓力過高時自動打開，釋放過量的壓力，防止設(shè)備損壞。報警系統(tǒng)報警系統(tǒng)及時提醒操作人員注意危險情況，以便采取措施避免事故。聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)保證操作步驟的安全順序，防止錯誤操作導(dǎo)致危險。過程控制自動化的發(fā)展趨勢智能化人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用于過程控制，實現(xiàn)更精準(zhǔn)、高效、自主的控制。網(wǎng)絡(luò)化無線通信、云計算、邊緣計算等技術(shù)集成，形成互聯(lián)互通的控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)效率。綠色化節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用，降