過程控制與自動化儀表(第3版)第1章ppt課件

過程控制與自動化儀表,西安理工大學楊延西2017制作,目錄:,第1章緒論第2章過程參數(shù)的檢測與變送第3章過程控制儀表第4章被控過程的數(shù)學模型第5章簡單控制系統(tǒng)的設計第6章常用高性能過程控制系統(tǒng)第7章實現(xiàn)特殊工藝要求的過程控制系統(tǒng)第8章復雜過程控制系統(tǒng)第9章基于網(wǎng)絡的過程計算機控制系統(tǒng)第10章典型生產(chǎn)過程控制與工程設計,主要參考書施仁，自動化儀表與過程控制電子工業(yè)出版社，2003潘永湘，過程控制與自動化儀表機械工業(yè)出版社，2007歷玉鳴，化工儀表與自動化化學工業(yè)出版社，2003馬昕，深入淺出過程控制小鍋帶你學過控高等教育出版社，2013戴連奎等，過程控制工程化學工業(yè)出版社，2012,本章要點,1）掌握過程控制的概念、要求和任務，了解過程控制的發(fā)展狀況；2）掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點、類型及其性能指標；3）了解過程控制系統(tǒng)設計步驟和儀表的類型與發(fā)展；4）掌握儀表的信號制及防爆系統(tǒng)的構成。,電站鍋爐及其輔助設備系統(tǒng),電站鍋爐及其輔助設備系統(tǒng)簡圖,煤斗；給煤機；磨煤機；空氣預熱器；排粉風機；燃燒器；爐膛；水冷壁；屏式過熱器；高溫過熱器；低溫過熱器；省煤器；除塵器；吸風機；煙囪；送風機；汽包；下降管；頂棚過熱器；排渣室,電站鍋爐及其輔助設備系統(tǒng)簡圖,直拉單晶爐工藝,直拉單晶模擬演示,太陽能光熱發(fā)電過程,第1章緒論,過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。例如室內(nèi)溫度的控制。,圖1為人工控制室溫。假設在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。,在此人的作用可分為三步：眼看腦想動手,眼看用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。動手人工調(diào)整閥門開口，執(zhí)行器完成控制器命令。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當?shù)目刂啤?過程控制系統(tǒng)的定義：為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設備構成的一個整體。,圖2為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人。,一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)原理。如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。,用通用名稱表示為：,過程控制系統(tǒng)的主要任務是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。,過程控制系統(tǒng)原理方框圖,（1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；（2）控制參數(shù)（亦稱操作變量、控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；（3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；（4）設定值r(t)：與被控參數(shù)相對應的設定值；（5）反饋值z(t)：被控參數(shù)經(jīng)測量變送后的實際測量值；（6）偏差e(t)：設定值與反饋值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。,過程控制系統(tǒng)的組成,1.1過程控制的特點過程控制系統(tǒng)具有以下特點：1控制對象復雜、控制要求多樣；2控制方案豐富；3控制對象大多屬于慢過程；4大多數(shù)工藝要求定值控制；5大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置。,1.2過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1局部自動化階段（20世紀5060年代）,自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。,特點：自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。,2模擬單元儀表控制階段（20世紀6070年代）,渭河電廠,巴基斯坦賈姆肖羅電廠,哈爾濱伊蘭煤氣,3集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）。但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應用。,80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統(tǒng)實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。,隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網(wǎng)絡現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。,巢湖電廠目前運行室,蘭州石化,過程控制實驗室,1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預測控制、模糊控制、自適應控制等控制策略與算法，也日趨完善。,現(xiàn)代自動控制技術的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應用領域和規(guī)模越來越大。2、技術密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術、通訊技術、計算機技術相結合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Rosemount、Honeywell等公司。,1.3過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分:溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分:模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按控制器類型來分:常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設定值的形式或系統(tǒng)的結構特點分類。,1.按設定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)設定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)設定值隨時可能變化。3）程序控制系統(tǒng)設定值按預定的時間程序變化。,2.按系統(tǒng)的結構特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：,反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結構形式。,2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：,開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖,3）復合控制系統(tǒng)前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。如：,前饋-反饋復合控制系統(tǒng)原理框圖,1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標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?？刂葡到y(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。,1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動態(tài)1、穩(wěn)態(tài)把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變。靜態(tài)特性靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系。,2、動態(tài)把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復平衡。動態(tài)特性在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關系。,1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。,系統(tǒng)的過渡響應受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。,1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結構所決定的。2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析和設計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。?,階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。,如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為,f(t)=Au(t),在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：,單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。,等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。,過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)過程的過渡過程較慢，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動的情況下才采用。,（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。,1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標對控制系統(tǒng)的性能評價，是根據(jù)工藝對控制過程結果的要求來衡量的。控制系統(tǒng)的過渡過程曲線是評價控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。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(zhì)。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。,干擾階躍響應和給定階躍響應的區(qū)別：,1.系統(tǒng)階躍響應的單項性能指標單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。,控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類單項性能指標以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標。,1）衰減比n和衰減率,設第一個波峰值為y1、第二個波峰值為y2,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(diào)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%,最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。,2）最大動態(tài)偏差y1和超調(diào)量最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離穩(wěn)態(tài)值的最大程度。即:y1=ymax-y(),有時也采用超調(diào)量來表示被控參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)值的程度，的定義是第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即,3）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=r-y(),4）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率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(nèi)，就認為過渡過程結束。,調(diào)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=1/T,另外還有峰值時間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。,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Y1=230-205=25余差C=200-205=-5衰減比n=y1:y3=25:5=5:1,振蕩周期T=205=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(zhì)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Y1小好快速性過渡時間Ts短好振蕩周期T短好各品質(zhì)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(zhì)指標應優(yōu)先予以保證。,2.系統(tǒng)階躍響應的綜合性能指標偏差積分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(zhì)。,t,偏差的定義存在分歧：e(t)=y()-y(t)不能表達余差e(t)=y(r)-y(t)如有余差則積分無窮大,偏差積分指標有以下幾種形式：偏差積分IE（IntegralofError）,缺點：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。,絕對偏差積分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）,排除了正負偏差抵消的可能。,平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）,對大偏差敏感,時間與絕對偏差乘積積分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）,對調(diào)節(jié)時間敏感，對初始偏差不敏感，而對后期偏差非常敏感,1.3.2.4影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素控制系統(tǒng)的過渡響應品質(zhì)指標主要取決于系統(tǒng)結構和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。,1.4控制系統(tǒng)設計步驟1.確定控制目標1）熱油出口溫度穩(wěn)定；2）出口溫度與煙道氣含氧量穩(wěn)定；3）溫度穩(wěn)定與熱效率最高。2.選擇被控參數(shù)直接參數(shù)與間接參數(shù)3選擇控制量燃料油流量與冷油流量出口溫度擋板開度與送風擋板含氧量4.確定控制方案簡單與復雜、單輸入與多輸入、最優(yōu)控制5.選擇控制策略PID、高級過程控制6.選擇執(zhí)行器氣動與電動7.設計報警與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)高、低限值；加熱爐停車程序：停燃油泵關燃油閥停引風機切斷熱油閥8.工程化設計9.系統(tǒng)投運、調(diào)試和整定參數(shù),1.5自動化儀表概述1.5.1自動化儀表的分類及發(fā)展,1.按安裝場地分：一次儀表，二次儀表（現(xiàn)場就地安裝的儀表簡稱一次儀表，將盤裝的顯示儀表簡稱二次儀表）,2.按能源分：液動，氣動和電動,3.