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文檔簡介

1、estest1 1 概述概述本章學習內(nèi)容本章學習內(nèi)容v1.1 過程控制的任務與目標過程控制的任務與目標v1.2 過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點v1.3 過程控制系統(tǒng)的性能指標過程控制系統(tǒng)的性能指標v1.4 過程控制的進展過程控制的進展第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制1.1 過程控制的任務與目標過程控制的任務與目標自動化技術應用于冶金工業(yè)自動化技術應用于冶金工業(yè)自動化技術應用于石油化工自動化技術應用于石油化工自動化技術應用于電力工業(yè)自動化技術應用于電力工業(yè)自動化技術應用于輕工業(yè)自動化技術應用于輕工業(yè)過過 程程 控控 制制 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程物理變化物理變化化學變化化學變化

2、生化反應生化反應物質(zhì)能量的傳遞物質(zhì)能量的傳遞還原過程還原過程高爐物料流程及設備示意圖 是指石油、化工、電力、冶金、輕工等工業(yè)部是指石油、化工、電力、冶金、輕工等工業(yè)部門以連續(xù)性物流為主要特征的生產(chǎn)過程的自動門以連續(xù)性物流為主要特征的生產(chǎn)過程的自動控制。控制。 各種生產(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位溫度、壓力、流量、液位(或或物位物位)、以及成分、以及成分等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制問題。等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制問題。 在充分了解在充分了解生產(chǎn)過程的工藝流程和動靜態(tài)特性生產(chǎn)過程的工藝流程和動靜態(tài)特性的的基礎上,應用控制理論對系統(tǒng)進行分析與綜合,基礎上,應用控制理論對系統(tǒng)進行分析與綜合,以

3、生產(chǎn)過程中以生產(chǎn)過程中物流變化信息量作為被控量物流變化信息量作為被控量,選用,選用適宜的技術手段和自動化裝置適宜的技術手段和自動化裝置,達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、,達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標。低耗的控制目標。 安全性安全性 越限、事故報警;連鎖保護;故障預測與診斷;容錯越限、事故報警;連鎖保護;故障預測與診斷;容錯 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 抑制干擾、保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行抑制干擾、保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行 經(jīng)濟性經(jīng)濟性 低成本、高效益、少能耗低成本、高效益、少能耗1.2.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成1.2.2 過程控制系統(tǒng)特點過程控制系統(tǒng)特點v1.2 過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點第一章第一章 概述概

4、述-過程控制過程控制電加熱鍋爐控制方案電加熱鍋爐控制方案 電加熱鍋爐控制方案電加熱鍋爐控制方案電加熱鍋爐控制方案電加熱鍋爐控制方案 電加熱鍋爐控制方案電加熱鍋爐控制方案v液位自動控制 LT LC保護保護裝置裝置檢測檢測/變送變送控制控制器器執(zhí)行執(zhí)行機構機構被控被控對象對象v過程控制系統(tǒng)由以下幾部分組成:過程控制系統(tǒng)由以下幾部分組成: 1 1被控過程(或?qū)ο螅?;被控過程(或?qū)ο螅?2 2用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表;用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表; 3 3控制器;控制器; 4 4執(zhí)行機構;執(zhí)行機構; 5 5報警、保護和連鎖等其它部件報警、保護和連鎖等其它部件. .過程控制系統(tǒng)的組

5、成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點實例:液位控制系統(tǒng)1 1被控過程(或?qū)ο螅?;被控過程(或?qū)ο螅? 2用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表;的檢測與變送儀表;3 3控制器;控制器;4 4執(zhí)行機構;執(zhí)行機構;5 5報警、保護和連鎖等其報警、保護和連鎖等其它部件它部件. .過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點被控過程(或?qū)ο螅┍豢剡^程(或?qū)ο螅┻^程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表;用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表;過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點執(zhí)行機

6、構執(zhí)行機構過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點控制器控制器工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點控制器控制器數(shù)字化調(diào)節(jié)儀表數(shù)字化調(diào)節(jié)儀表過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點實例:溫度控制系統(tǒng)實例:流量控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點控制系統(tǒng)的描述方法v帶控制點的工藝流程圖(控制流程圖):在工藝流程圖上借助圖形符號和字符描述的控制方案,其基本規(guī)則是:圓圈:表示儀表/儀器實線:傳遞信號的線纜或管道利用專用符號表示某種特定功能的設備。如各類閥門、檢測采樣點、特定的檢測儀器、電機等。圓圈中用水平實線或虛線/單線或雙線

7、表示儀表安裝的位置,用字符組合描述每一個控制方案的特征、儀表的作用、及儀表的分組編號。過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點示例:控制流程圖過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點示例:控制流程圖過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點示例:控制流程圖過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點儀表標注符號的含義FIC表示被控量的類型:F流量T 溫度L 物位P 壓力A 成分表示該儀表的功能:A-報警C-控制I-指示T-傳送R-打印/記錄E-檢測過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點v系統(tǒng)框圖-描述系統(tǒng)的工作原理,對系統(tǒng)的工作特性進行分析和比較,其基本規(guī)則

8、為:以矩形框表示系統(tǒng)中的每一個環(huán)節(jié),兩個環(huán)節(jié)間設一條帶箭頭的連線表示其相互關系和信號傳遞方向。第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制1.2.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成1.2.2 過程控制系統(tǒng)特點過程控制系統(tǒng)特點v1.2 過程控制系統(tǒng)的組成與特點過程控制系統(tǒng)的組成與特點第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制一、過程工業(yè)的特點一、過程工業(yè)的特點v 生產(chǎn)過程的連續(xù)性生產(chǎn)過程的連續(xù)性v 復雜的大系統(tǒng),復雜的大系統(tǒng), 存在不確定性、時變性以及非存在不確定性、時變性以及非線性等因素線性等因素v 生產(chǎn)環(huán)境惡劣,生產(chǎn)條件苛刻生產(chǎn)環(huán)境惡劣,生產(chǎn)條件苛刻 高溫、低溫、高壓、真空、易爆、有毒高溫、低溫、高壓、真空、易

9、爆、有毒所以,工業(yè)過程控制的特點所以,工業(yè)過程控制的特點v 強調(diào)實時性和整體性強調(diào)實時性和整體性v 全局優(yōu)化的重要性全局優(yōu)化的重要性v 安全性要求安全性要求第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制二、過程控制系統(tǒng)的特點二、過程控制系統(tǒng)的特點 1. 被控過程的多樣性被控過程的多樣性 石油化工過程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過程石油化工過程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過程 被控量的多樣性:壓力被控量的多樣性:壓力 溫度溫度 流量流量 液位液位 2. 控制方案的多樣性控制方案的多樣性 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件 調(diào)節(jié)儀表、控制器、執(zhí)行機構(調(diào)節(jié)閥)、檢測與變調(diào)節(jié)儀表、控制器、執(zhí)行機構(調(diào)節(jié)閥)、檢測與變送儀表送儀表 控制算法控制

10、算法 PID控制、復雜控制、先進控制、智能控制等控制、復雜控制、先進控制、智能控制等 軟件設計軟件設計第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制3. 被控過程屬慢過程、多參數(shù)控制被控過程屬慢過程、多參數(shù)控制 連續(xù)工業(yè)過程大慣性和大滯后決定了被控過程為慢過程連續(xù)工業(yè)過程大慣性和大滯后決定了被控過程為慢過程 被控量有壓力、流量、液位、溫度、成分等多個被控量有壓力、流量、液位、溫度、成分等多個4. 定值控制定值控制 被控參數(shù)的設定值為一個定值,減小或消除外界干擾,被控參數(shù)的設定值為一個定值,減小或消除外界干擾,使被控量盡量保持接近或等于設定值使被控量盡量保持接近或等于設定值。第一章第一章 概述概述-過

11、程控制過程控制5過程控制多種分類方法過程控制多種分類方法v按被控參數(shù)分類:按被控參數(shù)分類: 溫度、壓力、流量、液位或物位控制系統(tǒng)、物性溫度、壓力、流量、液位或物位控制系統(tǒng)、物性控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)v 按被控量數(shù)分類:按被控量數(shù)分類: 單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)v 按設定值分類:按設定值分類: 定值控制系統(tǒng)、隨動(伺服)控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)、隨動(伺服)控制系統(tǒng)第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制v按參數(shù)性質(zhì)分類:按參數(shù)性質(zhì)分類:集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)v按控制算法分類:按控

12、制算法分類:簡單控制系統(tǒng)、復雜控制系統(tǒng)、先進或高級控制簡單控制系統(tǒng)、復雜控制系統(tǒng)、先進或高級控制系統(tǒng)系統(tǒng)v按控制器形式分類:按控制器形式分類:常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)、計算機過程控制系統(tǒng)常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)、計算機過程控制系統(tǒng) 第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制v1.3 過程控制系統(tǒng)的性能指標過程控制系統(tǒng)的性能指標v穩(wěn)定性、準確性和快速性穩(wěn)定性、準確性和快速性 定值控制系統(tǒng)在于恒定,要求克服干擾,使系定值控制系統(tǒng)在于恒定,要求克服干擾,使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準、快地保持統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準、快地保持接近或等于接近或等于設定值。設定值。 隨動(伺服)控制系統(tǒng)的主要目標是跟蹤,即隨動(伺服)控制

13、系統(tǒng)的主要目標是跟蹤,即穩(wěn)、準、快地穩(wěn)、準、快地跟蹤跟蹤設定值。設定值。第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制過程控制系統(tǒng)的性能指標v目的:確定系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準確性v討論方法:以階躍輸入信號的響應曲線的過渡過程特性為標準。過渡過程曲線分為以下兩種類型: 設定值變化:隨動控制系統(tǒng)階躍響應方式 外部干擾影響:定值控制系統(tǒng)階躍響應方式過程控制系統(tǒng)的性能指標余差余差 系統(tǒng)準確指標系統(tǒng)準確指標衰減比或衰減率衰減比或衰減率 系統(tǒng)穩(wěn)定性指標系統(tǒng)穩(wěn)定性指標超調(diào)量或最大動態(tài)偏差超調(diào)量或最大動態(tài)偏差 系統(tǒng)穩(wěn)定性指標系統(tǒng)穩(wěn)定性指標調(diào)節(jié)時間或振蕩頻率調(diào)節(jié)時間或振蕩頻率 系統(tǒng)快速性指標系統(tǒng)快速性指標v余差:它

14、是控制系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差e()。在階躍輸入作用下,余差為: 定值控制系統(tǒng)中,r =0,因此有:e()= -C。余差是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性指標。Cryre)()(過程控制系統(tǒng)的性能指標v衰減比:衰減比是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標。它是相鄰同方向兩個波峰的幅值之比。即:v 衰減率也用于表示控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它是每經(jīng)過一個周期后,波動幅度衰減的百分數(shù),即: 21BB%1001%10012121BBBBB3.2 控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的性能指標1 (1 (10) 衰減振蕩無窮大 (=1) 為非周期過程的理想值410 ( =0.750.9)過程控制系統(tǒng)的性能指標v超調(diào)量和最大動態(tài)偏差: 隨動控制系統(tǒng)中,超調(diào)

15、量(Overshoot)定義為: 定值控制系統(tǒng)中采用最大動態(tài)偏差A表示超調(diào)程度。即: %1001CBCBA13.2 控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的性能指標過程控制系統(tǒng)的性能指標v過渡過程時間ts和振蕩頻率 :被控變量從過渡過程開始到進入穩(wěn)態(tài)值5%或2%范圍內(nèi)的時間稱為過渡過程時間ts(Settling time)。過渡過程時間是控制系統(tǒng)的快速性指標。 振蕩頻率與振蕩周期p的關系是 在相同衰減比n下,振蕩頻率越高,過渡過程時間ts越短;在相同振蕩頻率下,衰減比越大,過渡過程時間ts越短。P23.2 控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的性能指標過程控制系統(tǒng)的性能指標v 偏差積分指標:偏差積分指標與前面幾項指

16、標不同,它們以目標函數(shù)方式表示對控制質(zhì)量的綜合評價,屬于綜合性指標。偏差絕對積分(IAE):偏差絕對值與時間乘積的積分(ITAE):偏差平方值積分(ISE):時間乘偏差平方值積分(ITSE):3.2 控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的性能指標min)(0dtteJmin)(0dttetJmin)(02dtteJmin)(02dttteJ過程控制系統(tǒng)的性能指標第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制1.4.1 過程控制裝置的進展過程控制裝置的進展1.4.2 過程控制策略與算法的進過程控制策略與算法的進展展v1.4 過程控制的進展過程控制的進展第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制1.4.1 過程控制

17、裝置的進展過程控制裝置的進展1.4.2 過程控制策略與算法的進過程控制策略與算法的進展展v1.4 過程控制的進展過程控制的進展v二十世紀二十世紀40年代以前年代以前 手工操作狀態(tài)手工操作狀態(tài)v 二十世紀二十世紀50年代前后年代前后 基地式儀表和部分組合基地式儀表和部分組合儀表(儀表控制和局部儀表(儀表控制和局部自動化)自動化) 多用氣動儀表進行測量多用氣動儀表進行測量與控制與控制 v 二十世紀二十世紀60年代年代 氣動、電動單元組合儀表氣動、電動單元組合儀表 “組合組合” 檢測、顯示、調(diào)節(jié)和操作等單元儀表的組合檢測、顯示、調(diào)節(jié)和操作等單元儀表的組合 氣動單元組合儀表以氣動單元組合儀表以0.02

18、0.1MPa為標準信號為標準信號 電動單元組合儀表以電動單元組合儀表以010mA標準信號標準信號(DDZ型儀表)型儀表)v二十世紀二十世紀60年代中期年代中期 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC(Direct Digital Control) 計算機監(jiān)控系統(tǒng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)SCC(Supervisory Computer Control) 采用中央儀表控制室對工業(yè)生產(chǎn)過程進行操作、監(jiān)采用中央儀表控制室對工業(yè)生產(chǎn)過程進行操作、監(jiān)視和控制視和控制監(jiān)督控制系統(tǒng)結(jié)構圖監(jiān)督控制系統(tǒng)結(jié)構圖直接數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構圖直接數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構圖v二十世紀二十世紀70年代中期年代中期 標準信號為標準信號為420mA的

19、的DDZ型儀表型儀表 分布式計算機控制系統(tǒng)(集散系統(tǒng))分布式計算機控制系統(tǒng)(集散系統(tǒng))DCS(Distributed Control System) 可編程序控制器(可編程序控制器(PLC)v 80年代以來年代以來 DCS成為流行的過程控制系統(tǒng)成為流行的過程控制系統(tǒng) 國外的國外的DCS系統(tǒng)系統(tǒng) 美國的美國的HONEYWELL、日本的橫河、日本的橫河YAKOGAWA、德國的德國的SIEMENS 國內(nèi)的國內(nèi)的DCS系統(tǒng)系統(tǒng) 北京的和利時、浙大中控北京的和利時、浙大中控集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構v 近年來近年來 數(shù)字化智能變送器和智能化數(shù)字執(zhí)行器數(shù)字化智能變送器和智能化數(shù)字執(zhí)行器

20、實現(xiàn)信息采集、顯示、診斷、處理、傳輸以及優(yōu)化實現(xiàn)信息采集、顯示、診斷、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能;控制等功能; 便于調(diào)試、投運、維護和管理。便于調(diào)試、投運、維護和管理。 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System) 以現(xiàn)場總線(以現(xiàn)場總線(Fieldbus)為標準,實現(xiàn)以微處理器)為標準,實現(xiàn)以微處理器為基礎,進一步將控制功能分散,增強了系統(tǒng)的靈為基礎,進一步將控制功能分散,增強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性?;钚院涂煽啃?。 FF ( Foundation Fieldbus,基金會現(xiàn)場總線,基金會現(xiàn)場總線 ) ) Profibus ( Proces

21、s Fieldbus ), 西門子公司為主西門子公司為主 HART ( Highway Addressable Remote Tranducer,可尋址遠程傳感,可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路器數(shù)據(jù)通路 ) CAN ( Controller Area Network,控制局域網(wǎng)絡,控制局域網(wǎng)絡 ) LonWorks ( Local Operating Network,局部操作網(wǎng),局部操作網(wǎng))現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件配置示意圖現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件配置示意圖規(guī)模由小到大,結(jié)構由簡單到復雜規(guī)模由小到大,結(jié)構由簡單到復雜分散化、網(wǎng)絡化、智能化分散化、網(wǎng)絡化、智能化第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制1.

22、4.1 過程控制裝置的進展過程控制裝置的進展1.4.2 過程控制策略與算法的進過程控制策略與算法的進展展 1.4 過程控制的進展過程控制的進展1.4.2 過程控制策略與算法的進展過程控制策略與算法的進展v 過程控制策略與算法出現(xiàn)了三種類型:過程控制策略與算法出現(xiàn)了三種類型: 簡單控制簡單控制 復雜控制復雜控制 先進控制先進控制第一章第一章 概述概述-過程控制過程控制v簡單控制簡單控制單回路單回路PID控制控制 應用廣泛,許多應用廣泛,許多DCS和和PLC系統(tǒng)均設有系統(tǒng)均設有PID控控制算法軟件,或制算法軟件,或PID控制模塊??刂颇K。v復雜控制復雜控制(50年代始)年代始) 串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和Smith預估控制等預估控制等v先進過程控制先進過程控制(80年代始)年代始) 解耦控制、推斷控制、預測控制、自適應控制解耦控制、推斷控制、預測控制、自適應控制制等制等 專家系統(tǒng)、模糊

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