過程控制與自動(dòng)化儀表(緒論)ppt課件

1、過程控制與自動(dòng)化儀表湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院涂春鳴.主要內(nèi)容緒論檢測(cè)儀表調(diào)理器執(zhí)行器和防爆柵調(diào)理對(duì)象的特性及實(shí)驗(yàn)測(cè)定單回路調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)理器參數(shù)整定復(fù)雜調(diào)理系統(tǒng).主要內(nèi)容緒論檢測(cè)儀表調(diào)理器執(zhí)行器和防爆柵調(diào)理對(duì)象的特性及實(shí)驗(yàn)測(cè)定單回路調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)理器參數(shù)整定復(fù)雜調(diào)理系統(tǒng).緒論 過程控制開展概略過程控制系統(tǒng)組成與分類過程控制特點(diǎn)及性能目的. 過程控制Process control是指用控制手段對(duì)延續(xù)消費(fèi)過程的某些物理參數(shù)進(jìn)展自動(dòng)控制。采用各種檢測(cè)儀表、調(diào)理儀表、控制安裝、計(jì)算機(jī)等對(duì)整個(gè)消費(fèi)過程進(jìn)展自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)視和控制。 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

2、許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。 過程控制定義 .過程控制與運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)系 自動(dòng)控制專業(yè)課過程控制運(yùn)動(dòng)控制過程控制研討冶金、化工、石油、電力等工業(yè)過程中的溫度、壓力、流量、液位、成份PH值等六大參數(shù)的控制 運(yùn)動(dòng)控制研討速度、位置控制，如電機(jī)調(diào)速、航天、機(jī)器人等 過程控制開展概略.煉油 .鋼鐵 .煤氣 .污水處置.電力.石化.過程控制的開展簡(jiǎn)況 儀表化與部分自動(dòng)化階段20世紀(jì)5060年代綜合自動(dòng)化階段20世紀(jì)60-70年代中期 全盤自動(dòng)化階段 20世紀(jì)70年代中期至今 過程控制開展概略.儀表化與部分自動(dòng)化階段5060年代 系統(tǒng)構(gòu)造大多為單輸入-單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)。過程檢測(cè)控制

3、儀表為基地式儀表和部分單元組合式儀表，大多為氣動(dòng)儀表。堅(jiān)持溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的穩(wěn)定，確保消費(fèi)平安運(yùn)轉(zhuǎn)。分析和綜合的實(shí)際根底為經(jīng)典控制實(shí)際。過程控制開展概略.基地式儀表 普通與檢測(cè)安裝、顯示安裝一同組裝在一個(gè)整體內(nèi)同時(shí)具有檢測(cè)、控制與顯示的功能構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)錢低廉、運(yùn)用方便通用性差，信號(hào)不易傳送普通運(yùn)用于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) 過程控制開展概略壓力控制器溫度控制器.綜合自動(dòng)化階段60-70年代中期 工業(yè)消費(fèi)過程出現(xiàn)了一個(gè)車間甚至于一個(gè)工廠的綜合自動(dòng)化。過程檢測(cè)控制儀表是單元組合儀表和組裝式儀表。逐漸采用數(shù)字計(jì)算機(jī)以及以微處置器為根底的集散控制系統(tǒng)，出現(xiàn)了DDC和SPC。各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)

4、如串級(jí)控制、前饋反響復(fù)合控制、Smith預(yù)估控制以及比值、均勻、選擇性控制等。分析和綜合的實(shí)際根底開展到了現(xiàn)代控制實(shí)際。過程控制開展概略.單元組合儀表流量傳感器流量控制器執(zhí)行器.全盤自動(dòng)化階段70年代中期至今 實(shí)現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與現(xiàn)代化的集中調(diào)度管理相結(jié)合 智能儀表如數(shù)字調(diào)理器、可編程控制器等，電動(dòng)單元儀表實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)平安防爆；定值控制最優(yōu)控制、自順應(yīng)控制； 單變量多變量； 儀表控制計(jì)算機(jī)分布式控制。計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)CIPS，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS，集散控制系統(tǒng)DCS，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS，企業(yè)資源規(guī)劃ERP。經(jīng)典控制+現(xiàn)代控制+智能控制過程控制開展概略.集中管理，分散控制基于數(shù)字

5、控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)DCS， Distributed Control System.FCS，F(xiàn)ieldbus Control System由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依托現(xiàn)場(chǎng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)消費(fèi)過程的檢測(cè)、控制開放的、規(guī)范化的通訊網(wǎng)絡(luò).過程控制系統(tǒng)組成 過程控制系統(tǒng)組成：被控過程Process過程檢測(cè)控制儀表Instrumentation被控過程是指運(yùn)轉(zhuǎn)中的多種多樣的工藝消費(fèi)設(shè)備 過程檢測(cè)控制儀表包括：丈量變送元件Measurement控制器Controller執(zhí)行機(jī)構(gòu)Control Element過程控制系統(tǒng)組成與分類.圖1為人工控制室溫。為保證恒溫室溫符合

6、要求，操作人員要隨時(shí)察看溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判別和決議如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進(jìn)展操作。 人的動(dòng)作分三步： 眼看 腦想 手動(dòng)圖1 室溫人工控制表示圖送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計(jì)閥門實(shí)例 .眼看用傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號(hào)。腦想控制器將輸入的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)和要求值比較相減求偏向) ,并按偏向值計(jì)算出控制量。手動(dòng)人工閥門換成控制閥，按控制信號(hào)自動(dòng)改動(dòng)開度。人工控制受制于閱歷和留意力，控制不準(zhǔn)確。而自動(dòng)控制按設(shè)定好的方案進(jìn)展計(jì)算控制，可以做到準(zhǔn)確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤? 過程控制系統(tǒng)： 為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)絡(luò)、制約的一些儀表、安裝及工藝對(duì)象、設(shè)備構(gòu)成的 一個(gè)整體。 圖2為

7、室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表替代了人。圖2 室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖1熱水加熱器；3控制器；2傳感變送器；4執(zhí)行器回風(fēng)恒溫室23送風(fēng)熱水M回水41TCTT. 在討論控制系統(tǒng)任務(wù)原理時(shí)，為清楚地表示自動(dòng)控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，普通用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。 如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)理閥和加熱器及房間組成。給定值被控變量干擾f 控制器 變送器調(diào)理閥加熱器及房間 +e實(shí)測(cè)值. 用通用稱號(hào)表示為： 給定值被控變量干擾f 控制器 變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值 過程控制系統(tǒng)的主要義務(wù)是：對(duì)消費(fèi)過程中的重要參數(shù)溫度、壓力、流量、物(液)位、成分、PH值等進(jìn)展控制，使其堅(jiān)

8、持恒定或按一定規(guī)律變化。 過程控制系統(tǒng)原理方框圖廣義對(duì)象.過程控制常用術(shù)語 被控過程Process)：工藝參數(shù)需求控制的消費(fèi)過程、設(shè)備或機(jī)器等被控參數(shù)Controlled Variable) ：被控過程內(nèi)要求堅(jiān)持設(shè)定數(shù)值的工藝參數(shù)控制參數(shù)Manipulating Variable) ：受控制器支配的，使被控參數(shù)堅(jiān)持設(shè)定值的物料量或能量擾動(dòng)量Interference) ：作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的要素過程控制系統(tǒng)組成與分類.過程控制常用術(shù)語設(shè)定值Set Point:SP) ：被控參數(shù)的預(yù)定值當(dāng)前值Present Value:PV)：被控參數(shù)的當(dāng)前實(shí)踐值偏向Error) ：被控參數(shù)的設(shè)定值

9、與當(dāng)前實(shí)踐值之差過程控制系統(tǒng)組成與分類.過程控制系統(tǒng)的分類 按系統(tǒng)的構(gòu)造特點(diǎn)來分 反響控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng) 復(fù)合控制系統(tǒng)前饋-反響控制系統(tǒng) 按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來分 定值控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 順序控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)組成與分類.反響控制系統(tǒng) 又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定值的偏向進(jìn)展任務(wù)，偏向值是控制的根據(jù)，最后到達(dá)減小或消除偏向的目的反響信號(hào)能夠有多個(gè)，從而可以構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)如串級(jí)控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)組成與分類.前饋控制系統(tǒng) 也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)展任務(wù)擾動(dòng)是控制的根據(jù)在實(shí)踐消費(fèi)中不能單獨(dú)采用 過程控制系統(tǒng)組成與分類.復(fù)合控制系統(tǒng)前饋-反響控制系統(tǒng) 過程控制

10、系統(tǒng)組成與分類.定值控制系統(tǒng) 定值控制系統(tǒng)是工業(yè)消費(fèi)過程中運(yùn)用最多的一種過程控制系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)被控量溫度、壓力、流量、液位、成份等的給定值是固定不變的有時(shí)在規(guī)定的小范圍附近不變 過程控制系統(tǒng)組成與分類.隨動(dòng)控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)是一種被控量的給定值隨時(shí)間恣意變化的控制系統(tǒng)它的主要作用是抑制一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值 過程控制系統(tǒng)組成與分類.順序控制系統(tǒng) 順序控制系統(tǒng)是被控量的給定量按預(yù)定的時(shí)間程序來變化的控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)組成與分類.過程控制的主要特點(diǎn) 被控過程的多樣性 控制方案的多樣性 有單回路、串級(jí)、前饋-反響、比值、均勻、分程、選擇性、時(shí)滯、數(shù)字和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)等 控制

11、過程屬慢過程、多半屬參量控制 定值控制是主要控制方式 大多運(yùn)用規(guī)范化的檢測(cè)、控制儀表及安裝過程控制特點(diǎn)及性能目的.過程控制的質(zhì)量目的 決議過程控制系統(tǒng)質(zhì)量的環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)構(gòu)造被控過程特性過程檢測(cè)、控制儀表性能良好的過程控制系統(tǒng)，在遭到外來擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)準(zhǔn)確迅速地回復(fù)或趨近到給定值 過程控制特點(diǎn)及性能目的t0y.過程控制的質(zhì)量目的過程控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)目的可概括為 系統(tǒng)必需是穩(wěn)定的平穩(wěn)系統(tǒng)應(yīng)能提供盡能夠好的穩(wěn)態(tài)調(diào)理準(zhǔn)確 系統(tǒng)應(yīng)能提供盡能夠好的過渡過程迅速控制性能目的應(yīng)根據(jù)消費(fèi)工藝過程的實(shí)踐需求確定，通常采用系統(tǒng)階躍呼應(yīng)曲線的性能目的和偏向積分性能目的 過程控制特點(diǎn)及性能目的. 階躍

12、信號(hào)的輸入忽然，對(duì)被控變量的影響也最大。假設(shè)一個(gè)控制系統(tǒng)可以有效地抑制這種干擾，那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地抑制。 階躍信號(hào)的方式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多運(yùn)用階躍信號(hào)。如圖，輸入信號(hào)在 t = 0時(shí)，階躍上升幅度為 A ，其后堅(jiān)持。表達(dá)為 f (t) = A ( t )Atft. 在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種方式： 單調(diào)衰減過程 被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。 振蕩衰減過程 被控變量上下動(dòng)搖，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。t0a0a.等幅振蕩過程 被控變量在給定值附近來回動(dòng)搖，且動(dòng)搖幅度堅(jiān)持不變。 振蕩發(fā)散過程

13、被控變量來回動(dòng)搖，且動(dòng)搖幅度逐漸變大，離給定值越來越遠(yuǎn)。t0aa0t.1. 系統(tǒng)階躍呼應(yīng)的單項(xiàng)性能目的 單項(xiàng)性能目的包含了對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評(píng)價(jià)。 控制性能目的有單項(xiàng)目的和綜合目的兩類 單項(xiàng)性能目的以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項(xiàng)特征量作為性能目的，而偏向積分性能目的那么是一種綜合性目的。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方式為例，討論控制系統(tǒng)的質(zhì)量目的。.1衰減比n和衰減率設(shè)第一個(gè)波振幅為 y1、第三個(gè)波振幅為 y3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt階躍呼應(yīng)性能目的 .衰減比 n 和衰減率 是表示系

14、統(tǒng)穩(wěn)定程度的目的。n大于1，那么系統(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。實(shí)驗(yàn)證明：衰減比在 4: 1到10:1之間時(shí)，過渡過程的衰減程度適宜，過渡過程較短。衰減比n與衰減率之間有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：n = 4:110:1 就相當(dāng)于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt.最大動(dòng)態(tài)偏向是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性目的。 2最大動(dòng)態(tài)偏向A和超調(diào)量 最大動(dòng)態(tài)偏向表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即: A = ymax - r 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTtA. 有時(shí)也采用超調(diào)量來表示被控參數(shù)偏離設(shè)定值的程度， 的定義是第一個(gè)波振幅

15、與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt.3余差C 過渡過程終了后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)定值之間的剩余偏向叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的目的。C= y() - r 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt.4調(diào)理時(shí)間Ts和振蕩頻率 Ts是指從過渡過程開場(chǎng)到過渡過程終了所需的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏向進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的5% 或2%范圍內(nèi)，就以為過渡過程終了。 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3y()TpTSTt.調(diào)理時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的目的過渡過程中

16、相鄰兩同向波峰或波谷之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期T ，其倒數(shù)稱為振蕩頻率 f = 1/ T 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3y()TpTSTt. 另外還有峰值時(shí)間Tp又稱上升時(shí)間，是指過渡過程開場(chǎng)，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需求的時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的目的。 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt. 控制系統(tǒng)的單項(xiàng)質(zhì)量目的小結(jié)穩(wěn)定性 衰減比n = 4:110:1最正確 準(zhǔn)確性 余差C小好 最大偏向 A 小好快速性 過渡時(shí)間 Ts 短好 振蕩周期 T 短好各質(zhì)量目的之間既有聯(lián)絡(luò)、又有矛盾。例如，過分減小最大偏向，會(huì)使過渡時(shí)間變長(zhǎng)。因此，應(yīng)根據(jù)詳細(xì)工藝情況分清主次，對(duì)消費(fèi)過程有決議性意義的主要質(zhì)量目的應(yīng)優(yōu)先予以保證。. 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的呼應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt2. 系統(tǒng)階躍呼應(yīng)的綜合性能目的偏向積分 單項(xiàng)目的雖然明晰明了，但如何統(tǒng)籌思索比較困難。而偏向幅度和偏向存在的時(shí)間都與偏向積分有關(guān)，因此用偏向積分一個(gè)目的，就可以全面反映控