[第1講] 自動化儀表及過程控制 第一章 緒論.doc

第一章 緒 論n 本章提要1. 過程控制系統(tǒng)的基本概念2. 過程控制的發(fā)展概況3. 過程控制系統(tǒng)的組成4. 過程控制的特點及分類5. 衡量過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)n 授課內(nèi)容第一節(jié) 過程控制的發(fā)展概況1. 基本概念 過程控制系統(tǒng)-指自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位成分、粘度、濕度以及PH值(氫離子濃度)等這樣一些過程變量時的系統(tǒng)。(P3) 過程控制-指工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動化。(P3)2. 過程控制的重要性l 進入90年代以來自動化技術(shù)發(fā)展很快，是重要的高科技技術(shù)。過程控制是自動化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化電過程控制技術(shù)正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。3. 過程控制的發(fā)展概況l 19世紀40年代前后(手工階段)：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)驗人工控制生產(chǎn)過程，勞動生產(chǎn)率很低。l 19世紀50年代前后(儀表化與局部自動化階段)：過程控制發(fā)展的第一個階段，一些工廠企業(yè)實現(xiàn)了儀表化和局部自動化。主要特點：檢測和控制儀表-采用基地式儀表和部分單元組合儀表(多數(shù)是氣動儀表)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-單輸入、單輸出系統(tǒng)；被控參數(shù)-溫度、壓力、流量和液位參數(shù)；控制目的-保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或者減少對生產(chǎn)過程的主要擾動；理論-頻率法和根軌跡法的經(jīng)典控制理論，解決單輸入單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。l 19世紀60年代(綜合自動化階段)：過程控制發(fā)展的第二個階段，工廠企業(yè)實現(xiàn)車間或大型裝置的集中控制。主要特點：檢測和控制儀表-采用單元組合儀表(氣動、電動)和組裝儀表，計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-多變量系統(tǒng)，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級、比值、均勻控制、前饋、選擇性控制系統(tǒng)；控制目的-提高控制質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求；理論-除經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用。 前饋控制-按擾動來控制，在擾動可測的情況下，可以地提高控制質(zhì)量。 選擇性控制-在生產(chǎn)過程遇到不正常工況或被控量達到安全極限事，自動實現(xiàn)的保護性控制。l 19世紀70年代以來(全盤自動化階段)：發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三個階段。主要特點：檢測和控制儀表-新型儀表、智能化儀表、微型計算機；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-由單 多變量系統(tǒng)，由PID控制規(guī)律 特殊控制規(guī)律，由定值控制 最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，由儀表控制系統(tǒng) 智能化計算機分布式控制系統(tǒng)；理論-現(xiàn)代控制理論 過程控制領(lǐng)域，如狀態(tài)空間分析，系統(tǒng)辨識與狀態(tài)估計，最優(yōu)濾波與預(yù)報。4. 集散控制系統(tǒng)(DCS) 集散控制系統(tǒng)-是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的(生產(chǎn)過程是分散系統(tǒng))，但過程控制的監(jiān)視、管理是集中的。l 優(yōu)點：將計算機分布到車間或裝置。使系統(tǒng)的危險分散，提高了系統(tǒng)的可靠性，能方便靈活地實現(xiàn)各種新型的控制規(guī)律與算法，實現(xiàn)最佳管理。l 集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖：l 集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：1) 過程輸入-輸出接口：又叫數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，對實時數(shù)據(jù)進一步的加工，操作站的顯示與打印。2) 過程控制單元：又稱基本控制器，是集散控制系統(tǒng)的核心。不同的集散控制系統(tǒng)其差別較大。3) CRT操作站：是集散控制系統(tǒng)的人-機接口裝置。執(zhí)行監(jiān)控操作、系統(tǒng)組態(tài)、編程、動態(tài)流程圖顯示以及部分生產(chǎn)管理。4) 高速數(shù)據(jù)通路：實現(xiàn)集散控制系統(tǒng)各處理機之間數(shù)據(jù)傳送。5) 管理(上位)計算機：進行集中管理與最佳控制，實現(xiàn)信息-控制-管理一體化。第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)及其組成1. 過程控制系統(tǒng)組成由測量元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、被控過程等環(huán)節(jié)構(gòu)成。一個簡單的過程控制系統(tǒng)被控過程過程檢測控制儀表（測量元件、變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥）2. 過程控制系統(tǒng)實例1（發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)）過熱蒸汽的溫度是生產(chǎn)工藝的重要參數(shù)3. 過程控制系統(tǒng)實例2（PH控制系統(tǒng)）4. 過程控制系統(tǒng)實例3（液位控制系統(tǒng)）第三節(jié) 過程控制的特點及系統(tǒng)分類1. 過程控制系統(tǒng)特點 系統(tǒng)由過程檢測控制儀表組成 被控過程的多樣性生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣。 控制方案的多樣性通常有單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)、常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、計算機集散控制系統(tǒng)、提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)、實現(xiàn)特定要求的控制系統(tǒng)。本書將要介紹單回路、串級、前饋、比值、均勻、分程、選擇性、大時延、多變量系統(tǒng)，還要介紹高級新型系統(tǒng)(自適應(yīng)控制、預(yù)測控制)以及極可能成為系統(tǒng)主流的集散控制系統(tǒng)(DCS)。 過程控制的控制過程多屬慢過程，而又多半屬參量控制被控過程具有大慣性、大時延(滯后)等特點。對表征其生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、液位(物位)、成分、PH等過程參量進行自動檢測和自動控制。 定值控制是過程控制的一種主要控制形式如何減小或消除外界擾動對被控量的影響，使被控量能控制在給定值上，使生產(chǎn)穩(wěn)定。2. 過程控制系統(tǒng)分類 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類：l 反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)-反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定位的偏差進行工作的，最后達到消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。前面的液位控制系統(tǒng)，就是一反饋控制系統(tǒng)。又稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。是過程控制系統(tǒng)中最基本的一種。多回路反饋控制系統(tǒng)。l 前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)-直接根據(jù)擾動量的大小進行工作的，擾動是控制的依據(jù)。不構(gòu)成閉合回路，故也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。由于前饋控制是一種開環(huán)控制，無法檢查控制的效果，所以在實際生產(chǎn)過程中是不能單獨應(yīng)用的。l 前饋反饋控制系統(tǒng)(復(fù)合控制系統(tǒng)) 前饋開環(huán)控制的主要優(yōu)點：能針對主要擾動迅速及時克服對被控量的影響。反饋控制的主要優(yōu)點：克服其他擾動，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時能準確地使被控量控制在給定值上。構(gòu)成的前饋反饋控制系統(tǒng)可以提高控制質(zhì)量。 按給定值信號的特點分類：l 定值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)被控量(溫度、壓力、流量、液位、成分等)的給定值保持在某一定值(或在某一很小范圍內(nèi)不變)中。例如前述的例子就是定值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入信號是擾動信號。l 隨動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)-被控量的給定值隨時間任意地變化的控制系統(tǒng)。作用：克服一切擾動，使被控量及時跟蹤給定值變化。例如在加熱爐燃燒過程控制，控制系統(tǒng)就要使空氣量跟隨燃料雖的變化自動控制空氣量的大小從而保證達到最佳燃燒。l 程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)-被控量的給定值是按預(yù)定的時間程序而變化的?？刂频哪康模菏贡豢亓堪匆?guī)定的程序自動變化。例如機械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)。第四節(jié) 衡量過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)控制性能良好：在受到外來干擾作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)、迅速、準確地回復(fù)(或趨近)到給定值上。評價控制性能好壞的質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程對控制的實際要求來確定。通常采用的兩種質(zhì)量指標(biāo)：1. 系統(tǒng)過渡過程的質(zhì)量指標(biāo) 余差(靜態(tài)偏差)c 系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差。它是一個準確性的重要指標(biāo)，是一個靜態(tài)指標(biāo)。一般要求余差不超過預(yù)定值或為零。 衰減比n或衰減率 衰減比n-指振蕩過程的第一個波的振幅與第二個波的振幅之比，即，衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)，反映了振蕩的衰減程度。nl表示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，振幅愈來愈大。n1表示為等幅振蕩。n4表示系統(tǒng)為4：1的衰減振蕩。 有時亦用衰減率()來表示系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。在工程上，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點來確定合適的。一般取衰減率g0.75O.9 最大偏差A(yù)(或超調(diào)量)定值控制系統(tǒng):用最大偏差A(yù)來衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。最大偏差是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差。A=B+C隨動控制系統(tǒng)：常用超調(diào)量這個指標(biāo)來衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。超調(diào)量定義為： A、都是衡量系統(tǒng)質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。若A、愈大則表示被控量偏離生產(chǎn)規(guī)定的狀態(tài)越遠。規(guī)定允許最大偏差。 過渡過程時間ts過渡過程時間ts：表示系統(tǒng)過渡過程曲線進入新的穩(wěn)態(tài)值的5或 2范圍內(nèi)所需的時間。ts愈小表示過渡過程進行得愈快。它是反映系統(tǒng)過渡過程快慢的指標(biāo)。 峰值時間tp峰值時間tp：是指系統(tǒng)過渡過程曲線達到第一個峰值所需要的時間。其大小反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度。2. 誤差（偏移）性能指標(biāo)單項指標(biāo)來表示控制系統(tǒng)的質(zhì)量以外，還可以用綜合指標(biāo)來對系統(tǒng)過渡過程進行綜合評價。一個過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量主要看偏差的變化情況?？刹捎闷钆c時間的某種積分關(guān)系作為衡量系統(tǒng)質(zhì)量的準則，這就是積分指標(biāo)。常用有：l 平方誤差積分指標(biāo)(ISE)；l 時間乘誤差的平方積分指標(biāo)(ITSE)；l 誤差絕對值積分指標(biāo)(IAE)；l 時間乘誤差絕對值的積分指標(biāo)(ITAE)這些值達到最小的系統(tǒng)就是最優(yōu)的系統(tǒng)。n 補充內(nèi)容 過程控制儀表是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的重要工具，它被廣泛地應(yīng)用于石油、化工等各工業(yè)部門。在自動控制系統(tǒng)中，過程檢測儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成電信號或氣壓信號后，除了送至顯示儀表進行指示和記錄外，還需送到控制儀表進行自動控制，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，使被控變量達到預(yù)期的要求。 由單元組合儀表構(gòu)成的簡單控制系統(tǒng) 過程控制儀表的分類l 按能源形式分類：液動控制儀表、氣動控制儀表和電動控制儀表。l 按結(jié)構(gòu)形式分類：基地式控制儀表、單元組合式控制儀表、組件組裝式控制儀表等?；厥娇刂苾x表以指示、記錄儀表為主體，附加某些控制機構(gòu)而組成?；厥娇刂苾x表特點：般結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜它不僅能對某些工藝變量進行指示或記錄，而已還具有控制功能，因此它比較適用于單變量的就地控制系統(tǒng)。目前常使用的XCT系列動圈式控制儀表和TA系列簡易式調(diào)節(jié)器即屬此類儀表。單元組合式控制儀表 將整套儀表劃分成能獨立實現(xiàn)一定功能的若干單元，各單元之間采用統(tǒng)一信號進行聯(lián)系。使用時可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，對各單元進行選擇和組合，從而構(gòu)成多種多樣的、復(fù)雜程度各異的自動檢測和控制系統(tǒng)。特點：使用靈活，通用性強，同時，使用、維護更作也很方便。它適用于各種企業(yè)的自動控制。廣泛使用的單元組合式控制儀表有電動單元組合儀表(DDZ型)和氣動單元組合儀表(QD2型)。組件組裝式控制儀表是一種功能分離、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表(或裝置)。它以模擬器件為主，兼用模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)。整套儀表(或裝置)在結(jié)構(gòu)上由控制柜和操作臺組成，控制柜內(nèi)安裝的是具有各種功能的組件板，采用高密度安裝，結(jié)構(gòu)緊湊。這種控制儀表(或裝置)特別適用于要求組成各種復(fù)雜控制和集中顯示操作的大、中型企業(yè)的自動控制系統(tǒng)。其中國產(chǎn)的TF型、MZ型以及SPEC200等組裝儀表即屬此類控制儀表。l 按信號形式分類：模擬控制儀表和數(shù)字控制儀表兩大類。其中