1、過控系統(tǒng)概述第1頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三聯(lián)系方式辦公室：電力電子技術(shù)實驗室 （百工樓428）電子郵箱：手機(jī)：第2頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三2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章第3頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三3控制系統(tǒng)到底做什么？第4頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三4控制工程與其他相關(guān)學(xué)科第5頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三5本課程的教學(xué)要求了解控制系

2、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、特點及適用場合了解控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施第6頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三63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 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)第7頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三7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

3、過程控制系統(tǒng)組成及特點控制系統(tǒng)的由來1.1.1 過程控制認(rèn)識第8頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三841.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點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，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)第9頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三91.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點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第10頁，共60

4、頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三10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 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)。 總結(jié)第11頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三111.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點第12頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三121.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點化工行業(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: 硫酸工藝過程控制第13頁，

5、共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三131.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點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。 第14頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三141.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點1.1.2 過程控制系統(tǒng)組成被控變量- CV ( Controlled Variable)設(shè)定值 - SP (Setpoint)操縱變量 - MV (Manipulated Variable)擾動變量 - DV (Disturbance Variable)控制變量 - Control Variable

6、測量信號 - Measurement過程控制系統(tǒng)的重要術(shù)語第15頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三151.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點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？第16頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三161.2 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（151.5）。EX3: 丙烯冷卻器過程控制第17頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三171.2 過程控

7、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。第18頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三18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。第19頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三191.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點1.1.3 過程控制的特點生產(chǎn)過程傳熱過程燃燒過程化學(xué)

8、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)合第20頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三20板翅式換熱器盤管式換熱器過程控制生產(chǎn)裝置第21頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三21銅礦冶煉爐過程控制生產(chǎn)裝置第22頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三22萃取裝置污水汽提裝置過程控制生產(chǎn)裝置第23頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三231.1 過程控制系統(tǒng)組成及特點1.1.3 過程控制的特點被控過程復(fù)雜多樣?？刂品桨付鄻有?。控制過程多屬緩慢過程

9、，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，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控。第24頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三241.2 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來分 定值控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng) 第25頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三251.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)

10、（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)第26頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三262.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)，在實際生產(chǎn)中不能單獨采用。 第27頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三273.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)第28頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三281.2 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)第29頁，共60

11、頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三29“反饋”是控制的核心！只有通過反饋才能實現(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際需要。1.2 過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)總結(jié)第30頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三301.2 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。第31頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三311.2 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

12、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。第32頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三321.2 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：第33頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三331.2 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

13、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)的性能評價第34頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三341.2 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。第35頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分

14、，星期三351.2 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)定第36頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三361.2 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)量第37頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三371.2 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4:110:1 越小越好 越小越好 第38頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三381.2 過程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)E

15、X5: 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805。 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。 第39頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三391.2 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=（88-81）/ 81=8.64%過渡過程時間ts=18min給定值穩(wěn)態(tài)值第40頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三401.2 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)中各單項指標(biāo)清晰明了，但如何統(tǒng)籌（兼顧偏

16、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)的比較第41頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三411.3 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)閥門第42頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三421.3 過程控制技

17、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)展史第43頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三431.3 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)。第44頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三441.3 過程控制技術(shù)的發(fā)展

18、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)。第45頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三45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)展史第46頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三461.3 過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.1 控制系統(tǒng)的

19、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！第47頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三471.3 過程控制技術(shù)的發(fā)展控制在哪里實現(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)場第48頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三481.3 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

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-型，010mA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-型，信號標(biāo)準(zhǔn)：420mACAD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；管理與控制的集成第49頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三49

21、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（Field Bus）管控一體化技術(shù)（MCIS）優(yōu)化控制軟件包第50頁，共60頁，2022年，5月

22、20日，18點25分，星期三501.3.4 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。 第51頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三511.3 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，廣泛采用型電動單元組合儀表；70年代中期，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，開始采用型電動單元組合儀表 ，相繼引進(jìn)了集散

23、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。第52頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三521.3 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)展方向第53頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三531.4 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。第54頁，共60頁，2022年，5月20日，18點25分，星期三54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（多輸入多輸出）控制方案；也可以將系統(tǒng)分解成幾個SISO（單輸入單輸出）子系統(tǒng)再進(jìn)行設(shè)計（