過程控制第一章緒論(廣東工大).ppt

1、過程控制系統(tǒng) Process Control System,授課教師： 楊玲玲 講師 聯(lián)系方式：E-Mail: ,自動化技術是信息科學與技術的一個重要分支。 過程控制等工程領域自動控制的理論基礎是工程控制論，其奠基性著作是錢學森先生于1954年發(fā)表的工程控制論。 控制論的四大應用領域：工程控制、生物控制、經(jīng)濟控制和社會控制。 控制論的奠基性著作是：N.維納于1948年發(fā)表的控制論。 維納認為“一切有目的的行為都是需要負反饋的行為”,第一章 緒論,第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成及其分類 第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點 第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標 第四節(jié) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概

2、況,第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成及其分類,過程控制的概念：,通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動化。,8、提高市場競爭能力等,過程控制技術的優(yōu)點：,1、自動化技術的重要組成部分,2、實現(xiàn)各種最優(yōu)技術經(jīng)濟指標,3、提高經(jīng)濟效益和社會效益,4、提高勞動生產(chǎn)率,5、節(jié)約能源,6、改善勞動條件,7、保護環(huán)境衛(wèi)生,一、過程控制系統(tǒng)的組成,過程控制系統(tǒng)：工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度和pH等這樣一些過程變量的系統(tǒng)。,為保證生產(chǎn)安全順利進行，必須對生產(chǎn)過程的各種參數(shù)進行自動控制。 過程控制是工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化（人為干預

3、和控制）。 過程控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)（T、P、L、H）的實時控制自動控制系統(tǒng)。 過程控制系統(tǒng)=電子技術、自動控制技術、計算機技術、網(wǎng)絡通信技術 ,1、鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)組成 控制目標 過熱蒸汽=Tc 原因： tTc汽輪機壽命 tTc損壞葉片 控制原理 T-Tc=e0（冷水）,鍋爐過熱蒸汽溫度控制框圖 控制參數(shù)： y(t)為被控參數(shù)； q(t)控制參數(shù)； z(t)測量信號； x(t)給定的信號； u(t) 控制信號； e(t)偏差信號； e (t) = x(t) - z(t).,鍋爐過熱蒸汽溫度控制框圖 控制過程： 從被控參數(shù)檢測點至調節(jié)閥之間的管道或設備，稱為被控過程，可

4、簡稱過程；作用于過程且使被控參數(shù)變化的作用稱為擾動?？刂茀?shù)的作用是使被控參數(shù)穩(wěn)定于給定值附近，稱為內部擾動；擾動作用企圖使被控參數(shù)偏離給定值，稱為外部擾動?？刂葡到y(tǒng)中控制作用就是要克服外部擾動對被控參數(shù)的影響，保證其盡快回到給定值。,圖1-1 鍋爐汽包水位控制原理圖 1汽包 2省煤器 3過熱器 4給水閥門 5蒸汽閥門,2、鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) ,2、鍋爐水位控制系統(tǒng)框圖 ,圖1-2 過程控制系統(tǒng)原理框圖,3. PH控制系統(tǒng) PHT： 檢測變送器 PHC：調節(jié)器 被控參數(shù)：PH值 控制參數(shù)：酸液流量 被控過程：液槽,4. 液位控制系統(tǒng) HT：液位變送器 HC：調節(jié)器 被控參數(shù)：水位H 控制參數(shù)

5、：進水量Q1 被控過程：水箱,圖1-3 PH控制系統(tǒng),圖1-4 液位控制系統(tǒng),二、過程控制系統(tǒng)的分類,（一）按系統(tǒng)的結構分類 1反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)被控參數(shù)與給定值的偏差進行控制的，最終達到消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。它是最常用、最基本的一種過程控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)由 被控量的反饋構成一個閉合回路，故又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號也可有多個，構成一個以上閉環(huán)回路，稱為多回路反饋控制系統(tǒng)。,2前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動量的大小進行控制的，擾動是控制的依據(jù)。由于沒有被控量的反饋，所以是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它是開環(huán)控制系統(tǒng)，無法檢查其控制效果，故不能單獨應用。,3前饋

6、反饋控制系統(tǒng) 前饋控制主要優(yōu)點是能迅速及時克服主要擾動對被控量影響，前饋反饋控制利用反饋控制克服其它擾動，系統(tǒng)穩(wěn)定時，使被控量迅速而準確地穩(wěn)定在給定值上提高系統(tǒng)的控制質量。,（二）按給定值信號分類 1定值控制系統(tǒng) 工業(yè)生產(chǎn)過程中大多數(shù)工藝要求系統(tǒng)的被控量能穩(wěn)定在某一給定值上，定值控制系統(tǒng)是應用最多的一種控制系統(tǒng)。若由于擾動作用，偏差一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)便產(chǎn)生控制作用克服擾動對被控量的影響，使被控量穩(wěn)定在給定值。 2隨動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)是被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。 3程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)被控量的給定值是按預定的時間程序而變化的。,二、過程控制系統(tǒng)的分類,第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的

7、特點,1系統(tǒng)由過程檢測控制儀表組成 2被控過程的多樣性 3控制方案的多樣性 4控制過程多屬慢過程和參量控制 5定值控制是過程控制的一種主要形式,第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點,一、連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制,連續(xù)控制指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制，其被控量需定量控制，而且應是連續(xù)可調的,二、過程控制系統(tǒng)由過程檢測、控制儀表組成,過程控制是通過各種檢測儀表、控制儀表和電子計算機等自動化技術工具，對整個生產(chǎn)過程進行自動檢測、自動監(jiān)督和自動控制 一個過程控制系統(tǒng)是由被控和過程檢測控制儀表兩部分組成。,第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點,三、被控過程是多種多樣的、非電量的,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)過程日趨復雜，工藝要求各異

8、，產(chǎn)品多種多樣；動態(tài)特性具有大慣性、大滯后、非線性特性,第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點,四、過程控制的控制過程多屬慢過程， 而且多半為參量控制,因為大慣性、大滯后等特性，決定了過程控制的控制過程多屬慢過程；在一些特殊工業(yè)生產(chǎn)過程中，采用一些物理量和化學量來表征其生產(chǎn)過程狀況，故需要對過程參數(shù)進行自動檢測和自動控制，所以過程控制多半為參量控制,第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點,五、過程控制方案十分豐富,單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)；儀表過程控制系統(tǒng)、計算機集散控制系統(tǒng)；復雜控制系統(tǒng)，滿足特定要求的控制系統(tǒng),第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點,六、定值控制是過程控制的一種常用方式,過程控制的目的： 消除或減小外界

9、干擾對被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在給定值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實現(xiàn)優(yōu)質、高產(chǎn)和低耗能的目標。,第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點,當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標。 控制系統(tǒng)的性能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應的品質。 階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標是一致的。,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的

10、質量指標,1）余差C 過渡過程結束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的指標。,C= y() - r,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,2）衰減比n和衰減率,設第一個波振幅為 y1、第三個波振幅為 y3,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,衰減比 n 和衰減率 是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。 試驗證明：衰減比在 4: 1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。 衰減比n與衰減率之間有簡單的對應關系： n = 4:110:1 就相當于 = 75 %90%,最

11、大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。,3）最大動態(tài)偏差A和超調量 最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即: A = ymax - r,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,有時也采用超調量來表示被控參數(shù)偏離設定值的程度， 的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即,4）過渡過程時間Ts Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的5% （或2%）范圍內，就認為過渡過程結束。,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。 過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T ，其倒數(shù)稱為振蕩頻率 f =

12、1/ T,5）峰值時間Tp 又稱上升時間，是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,例 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200 。 在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。 解：,最大偏差 A = 230-200 = 30 余差 C= 205-200 = 5 衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1,振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min） 設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認為過渡過程結束，則誤差區(qū)域=205 （ 2） 4.1 在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側

13、以寬度為4.1畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點 Ts = 22min,控制系統(tǒng)的單項品質指標小結 穩(wěn)定性 衰減比n = 4:110:1最佳 準確性 余差C小好 最大偏差 A 小好 快速性 過渡時間 Ts 短好 振蕩周期 T 短好 各品質指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。,二、誤差（偏差）性能指標 單項指標雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關，因此用偏差積分一個指標，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質。,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,

14、t,偏差的定義存在分歧： e (t) = y(t) - y() 不能表達余差 e (t) = y(t) - y(r) 如有余差則積分無窮大,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,偏差積分指標有以下幾種形式： 偏差積分IE（Integral of Error）,缺點：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,絕對偏差積分IAE （Integral Absolute value of Error）,排除了正負 偏差抵消的可能。,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,平方偏差積分ISE（Integral of Squared Error）,對大偏差敏感,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,時間與絕對

15、偏差乘積積分ITAE （Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error）,對調節(jié)時間敏感,第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質量指標,控制系統(tǒng)的誤差性能指標小結,采用不同的積分公式意味著估計整個過渡過程優(yōu)良程度時的側重點不同。 ISE著重于一直過渡過程中的大誤差； ITAE著重懲罰過渡過程拖得過長。 誤差積分指標的缺點：不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減率，而衰減率是人們首先關注的。,第四節(jié) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況,發(fā)展經(jīng)歷三個階段 一、儀表化與局部自動化階段 年代：5060年代 組成：基地儀表（多數(shù)是氣動儀表）機構部件 特點：單輸入單輸出

16、的單回路定值控制系統(tǒng)；對生產(chǎn)過程的熱工參數(shù)，如溫度，壓力，流量和液位進行自動控制；控制目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定。 理論：頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論 。,二、綜合自動化階段（局部自動化、智能化） 年代：7080年代 組成：電子儀表、智能儀表（多數(shù)是電動）機構部件 特點：大量采用單元組合儀表（包括氣動和電動）和組裝式儀表 ；實現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設定值控制(SPC)；系統(tǒng)結構方面采用復雜控制系統(tǒng)，例如，串級、比值、均勻和前饋反饋控制等 。 理論：除經(jīng)典控制理論外，現(xiàn)代控制理論以解決實際生產(chǎn)過程中遇到的更為復雜的問題。,第四節(jié) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況,三、全盤自動化階段（集散系統(tǒng)、現(xiàn)

17、場總線） 年代：90 組成：微型計算機 特點：對整個工藝流程，全工廠，乃至整個企業(yè)集團公司進行集中控制和經(jīng)營管理以及應用多臺微機對生產(chǎn)過程進行控制和多參數(shù)綜合控制。 在檢測變送方面，除了熱工參數(shù)的檢測變送以外，粘度、濕度、PH值及成分的在線檢測與數(shù)據(jù)處理的應用日益廣泛。 模擬過程檢測控制儀表的品種、規(guī)格增加，可靠性提高，具有安全火花防爆(DDZ)性能，可用于易燃易爆場合。,三、全盤自動化階段（集散系統(tǒng)、現(xiàn)場總線） 特點：以微處理器為核心的單元組合儀表正向著微型化，數(shù)字化，智能化和具有通訊能力方向發(fā)展。 過程控制系統(tǒng)的結構方面，也從單參數(shù)單回路的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到多參數(shù)多回路的微機控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互聯(lián)、多變量、多點和多站的通訊和控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)給過程控制系統(tǒng)帶來了一次全新的革命性的變化。是過程控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。 理論：除經(jīng)典控制理論外，現(xiàn)代控制理論以解決實際生產(chǎn)過程中遇到的更為復雜的問題。,電廠集控室,渭河電廠,巴基斯坦古杜電廠,核電廠,武鋼,哈爾濱伊蘭煤氣,污水處理廠,揚子石化,自來水廠,控制柜,控制柜內部,控制柜內PLC,過程控制實驗室,“過程控制系統(tǒng)”課程的性質和任務,一、過程控制系統(tǒng)課程的性質,1、是自動化專業(yè)的專業(yè)課,2、自動化儀表、微型計算機是構成過程控