過程控制系統(tǒng)

ProcessControlSystem主講：王紅旗電氣工程與自動化學(xué)院wanghongqi@電話程性質(zhì)及考核自動化專業(yè)必修課考試（80%+20%）閉卷教材：《過程控制工程，第2版》，化學(xué)工業(yè)出版社，王樹青，國家級11.5規(guī)劃教材。輔導(dǎo)答疑：周五晚7:00-9:00，D218過程控制工程課程的任務(wù)1、了解連續(xù)工業(yè)過程的生產(chǎn)特點及要求。2、應(yīng)用自動控制理論、控制技術(shù)和自動化儀表來設(shè)計過程控制系統(tǒng)，解決實際工程中的有關(guān)問題。3、能解決過程控制工程中的一般問題，具有分析和設(shè)計比較復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)的能力。主要內(nèi)容（3學(xué)時）1.1過程控制及其特點1.2過程控制的性能要求1.3過程控制系統(tǒng)的組成1.4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1.5過程控制的方法分類1.6過程控制系統(tǒng)案例第一章緒論工業(yè)燃油鍋爐工業(yè)天然氣鍋爐工業(yè)蒸汽鍋爐10噸鍋爐軟化水裝置燃煤熱電廠生物質(zhì)熱電廠熱風(fēng)爐燃燒器煉油反應(yīng)爐燃燒器

回轉(zhuǎn)窯燃燒器石油化工單段式高風(fēng)壓煤氣發(fā)生爐50Kg真空感應(yīng)熔煉爐

鋼帶鍍鋅退火爐梁式加熱爐反應(yīng)釜焦化甲醇3級精餾塔分子蒸餾塔混凝土攪拌器造紙機(jī)余熱發(fā)電、高溫除塵、脫硝一體化節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)

核電站核動力航母核潛艇太空站1.1過程控制及其特點過程控制--采用化學(xué)、物理方法將原料加工成產(chǎn)品的過程,涉及過程操作和設(shè)備。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1、自動化技術(shù)的重要組成部分2、實現(xiàn)各種最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)3、提高經(jīng)濟(jì)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(hù)環(huán)境過程控制技術(shù)的作用：1過程控制的特點一、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、穩(wěn)定的控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。1二、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(jī)等自動化技術(shù)工具，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)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。1三、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(fù)雜，工藝要求各異，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。1四、控制過程多屬緩慢過程，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(xué)量來表征其生產(chǎn)過程狀況，故需要對過程參數(shù)進(jìn)行自動檢測和自動控制，所以過程控制多半為參量控制1五、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(jī)集散控制系統(tǒng)；復(fù)雜控制系統(tǒng)，滿足特定要求的控制系統(tǒng)。1六、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(zhì)、高產(chǎn)和低耗能的目標(biāo)。1.2過程控制性能要求過程控制要求---在設(shè)定值發(fā)生變化或受到外界擾動作用時，被控量應(yīng)能平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。1.2過程控制性能要求穩(wěn)定性---首要指標(biāo)

快速性---當(dāng)控制系統(tǒng)受到干擾影響時，控制系統(tǒng)能盡快地做出響應(yīng)，改變控制量，使被控量與設(shè)定值之間有偏差的時間盡可能短.準(zhǔn)確性---控制系統(tǒng)的被控量與設(shè)定值之間的偏差小偏離度---被控量偏離設(shè)定值的離散程度tO1.2過程控制性能要求—時域性能時域性能指標(biāo)---階躍輸入信號作用下，控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線表示的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。ts衰減比衰減率振蕩過程的衰減程度，衡量穩(wěn)定度n=1:1,等幅振蕩，臨界穩(wěn)定n>1:1,衰減振蕩，穩(wěn)定n<1:1,發(fā)散振蕩，不穩(wěn)定一般控制要求：

n=4:1或10:1;ψ=0.75或0.9（兩周期后趨于穩(wěn)定）1.2過程控制性能要求—時域性能超調(diào)量余差調(diào)節(jié)時間從擾動開始到被控量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2%范圍內(nèi)的時間.均值=0；標(biāo)準(zhǔn)差=0.51.2過程控制性能要求—時域性能偏離度---被控量的統(tǒng)計特性，通常遵循正態(tài)分布。若采用被控量的均值a作為設(shè)定值，則偏離度采用其標(biāo)準(zhǔn)差度量。均值=0；標(biāo)準(zhǔn)差=1誤差積分(IE)誤差絕對值積分(IAE)適用于衰減或無靜差系統(tǒng)誤差平方值積分(ISE)會產(chǎn)生振蕩響應(yīng)誤差絕對值與時間乘積的積分(ITAE)解析解不易獲得1.2過程控制性能要求—綜合性能1.2過程控制性能要求保證一個過程控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要措施：1）負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋的條件是該控制系統(tǒng)各開環(huán)增益之積為正。2）穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則：在干擾量作用下或設(shè)定值變化時，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行條件是控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益之積基本不變；控制系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的?；静蛔?。給定測量值控制信號被控量控制量擾動偏差1.3過程控制系統(tǒng)組成一般的單回路控制系統(tǒng)被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數(shù)；“廣義對象”的概念“廣義對象”的特點特點：（1）使控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析簡化；（2）廣義對象的輸入輸出通常可測量，以便于 測試其動態(tài)特性；（3）只關(guān)心某些特定的輸入輸出變量。過程控制系統(tǒng)的重要術(shù)語被控變量/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）1第一個階段50年代前后：實現(xiàn)了儀表化和局部自動化其特點：

1、過程檢測控制儀表采用基地式儀表和部分單元組合式儀表

2、過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸入、單輸出系統(tǒng)

3、被控參數(shù)主要是溫度、壓力、流量和液位四種參數(shù)

4、控制的目的是保持這些過程參數(shù)的穩(wěn)定，消除或減少主要擾動對生產(chǎn)過程的影響

5、過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，主要解決單輸入、單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題1.4過程控制系統(tǒng)發(fā)展概況---體系結(jié)構(gòu)就地控制系統(tǒng)1第二個階段60年代：大量采用氣動和電動單元組合儀表其特點：

1、過程控制儀表開始將各個單元劃分為更小的功能，適應(yīng)比較復(fù)雜的模擬和邏輯規(guī)律相結(jié)合的控制系統(tǒng)

2、計算機(jī)系統(tǒng)開始運(yùn)用于過程控制

3、過程控制系統(tǒng)方面為了特殊的工藝要求，相繼開發(fā)和應(yīng)用了各種復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)（串級控制、比值控制、均勻控制、前饋控制、選擇性控制）

4、在過程控制理論方面，現(xiàn)代控制理論的得到了應(yīng)用1.4過程控制系統(tǒng)發(fā)展概況---體系結(jié)構(gòu)組合式儀表1第三個階段70年代以來：現(xiàn)代過程控制的新階段——計算機(jī)時代其特點：

1、對全工廠或整個工藝流程的集中控制、應(yīng)用計算系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)綜合控制2、自動化技術(shù)工具方面有了新發(fā)展，以微處理器為核心的智能單元組合儀表和開發(fā)和廣泛應(yīng)用3、在線成分檢測與數(shù)據(jù)處理的測量變送器的應(yīng)用4、集散控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用1.4過程控制系統(tǒng)發(fā)展概況---體系結(jié)構(gòu)智能單元組合式儀表集散控制系統(tǒng)1第四個階段80年代以后：飛躍的發(fā)展其特點：

1、現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用大大促進(jìn)了過程控制的發(fā)展2、過程控制的結(jié)構(gòu)已稱為具有高度自動化的集中、遠(yuǎn)動控制中心3、過程控制的概念更大的發(fā)展4、網(wǎng)絡(luò)化，以現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)為標(biāo)志現(xiàn)場總線系統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)1.4過程控制系統(tǒng)發(fā)展概況---策略（1）經(jīng)典控制策略：20世紀(jì)50年代以前基礎(chǔ)：微分方程和傳遞函數(shù)方法：時域分析方法、S域分析方法和頻域分析方法。PID控制策略構(gòu)成的簡單控制模式。（2）現(xiàn)代控制策略：20世紀(jì)60年代以后基礎(chǔ)：狀態(tài)空間表達(dá)式方法：最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識、以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ) 的最優(yōu)控制、以卡爾曼濾波理論為核心的最優(yōu)估計等。（3）復(fù)雜控制策略：20世紀(jì)70年代以后核心思想：系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào)、多級遞階優(yōu)化與控制。重心：有限維-無窮維，確定性-不確定性和隨機(jī)性，線性-非線性方法：非線性控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、隨機(jī)控制、專家系統(tǒng)、模 糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制等。反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)1.5過程控制方法分類—結(jié)構(gòu)特點以偏差為依據(jù)，以減少或消除偏差為目的。在擾動未引起被控量變化前，無控制作用，使控制不及時。！！閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)擾動作為依據(jù)，以減少擾動對被控量的影響。無法消除偏差。??！開環(huán)前饋控制系統(tǒng)前饋能及時克服主要擾動的影響反饋能檢查控制效果，提高控制質(zhì)量復(fù)合控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)給定值固定不變

恒溫箱控制隨動控制系統(tǒng)

給定值隨動變化被控量要跟蹤給定值

雷達(dá)跟蹤順序控制系統(tǒng)

給定值按預(yù)定程序變化溫度預(yù)置控制1.5過程控制方法分類—設(shè)定信號

目的：保持被控量穩(wěn)定在給定值，能克服擾動對被控量的影響。連續(xù)控制系統(tǒng)間歇控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)1.5過程控制方法分類—過程特點1.6過程控制系