過程控制系統(tǒng)課件第一章緒論(PPT 66頁)

1、過程控制系統(tǒng)Process Control System第1頁，共66頁。自動(dòng)化技術(shù)是信息科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)重要分支。過程控制等工程領(lǐng)域自動(dòng)控制的理論基礎(chǔ)是工程控制論，其奠基性著作是錢學(xué)森先生于1954年發(fā)表的工程控制論?？刂普摰乃拇髴?yīng)用領(lǐng)域：工程控制、生物控制、經(jīng)濟(jì)控制和社會控制。控制論的奠基性著作是：N.維納于1948年發(fā)表的控制論。維納認(rèn)為“一切有目的的行為都是需要負(fù)反饋的行為”第2頁，共66頁。第一章 緒論第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成及其分類第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第四節(jié) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況第3頁，共66頁。第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成及其分類過程控制的概

2、念： 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(dòng)化。第4頁，共66頁。8、提高市場競爭能力等過程控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：1、自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分2、實(shí)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(dòng)生產(chǎn)率5、節(jié)約能源6、改善勞動(dòng)條件7、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生第5頁，共66頁。一、過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)：工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度和pH等這樣一些過程變量的系統(tǒng)。第6頁，共66頁。為保證生產(chǎn)安全順利進(jìn)行，必須對生產(chǎn)過程的各種參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。過程控制是工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化（人為干預(yù)和控制）。過程控制系統(tǒng)是

3、工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)（T、P、L、H）的實(shí)時(shí)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)=電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 第7頁，共66頁。1、鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)組成控制目標(biāo) 過熱蒸汽=Tc原因：tTc汽輪機(jī)壽命tTc損壞葉片控制原理T-Tc=e0（冷水）第8頁，共66頁。鍋爐過熱蒸汽溫度控制框圖 控制參數(shù)：y(t)為被控參數(shù)；q(t)控制參數(shù)； z(t)測量信號；x(t)給定的信號； u(t) 控制信號； e(t)偏差信號； e (t) = x(t) - z(t).第9頁，共66頁。鍋爐過熱蒸汽溫度控制框圖 控制過程： 從被控參數(shù)檢測點(diǎn)至調(diào)節(jié)閥之間的管道或設(shè)備，稱為被控過程，

4、可簡稱過程；作用于過程且使被控參數(shù)變化的作用稱為擾動(dòng)?？刂茀?shù)的作用是使被控參數(shù)穩(wěn)定于給定值附近，稱為內(nèi)部擾動(dòng)；擾動(dòng)作用企圖使被控參數(shù)偏離給定值，稱為外部擾動(dòng)。控制系統(tǒng)中控制作用就是要克服外部擾動(dòng)對被控參數(shù)的影響，保證其盡快回到給定值。 第10頁，共66頁。 圖1-1 鍋爐汽包水位控制原理圖1汽包 2省煤器 3過熱器 4給水閥門 5蒸汽閥門2、鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 第11頁，共66頁。2、鍋爐水位控制系統(tǒng)框圖 圖1-2 過程控制系統(tǒng)原理框圖第12頁，共66頁。3. PH控制系統(tǒng) PHT： 檢測變送器 PHC：調(diào)節(jié)器 被控參數(shù)：PH值 控制參數(shù)：酸液流量 被控過程：液槽 酸液h排放堿液PHTPH

5、CPH*R1Q11Q2HTHC2344. 液位控制系統(tǒng) HT：液位變送器 HC：調(diào)節(jié)器 被控參數(shù)：水位H 控制參數(shù)：進(jìn)水量Q1 被控過程：水箱 圖1-3 PH控制系統(tǒng)圖1-4 液位控制系統(tǒng)第13頁，共66頁。二、過程控制系統(tǒng)的分類（一）按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類1反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)被控參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行控制的，最終達(dá)到消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。它是最常用、最基本的一種過程控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)由 被控量的反饋構(gòu)成一個(gè)閉合回路，故又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號也可有多個(gè)，構(gòu)成一個(gè)以上閉環(huán)回路，稱為多回路反饋控制系統(tǒng)。第14頁，共66頁。2前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動(dòng)量的大

6、小進(jìn)行控制的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)。由于沒有被控量的反饋，所以是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它是開環(huán)控制系統(tǒng)，無法檢查其控制效果，故不能單獨(dú)應(yīng)用。第15頁，共66頁。3前饋反饋控制系統(tǒng)前饋控制主要優(yōu)點(diǎn)是能迅速及時(shí)克服主要擾動(dòng)對被控量影響，前饋反饋控制利用反饋控制克服其它擾動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，使被控量迅速而準(zhǔn)確地穩(wěn)定在給定值上提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。第16頁，共66頁。（二）按給定值信號分類1定值控制系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程中大多數(shù)工藝要求系統(tǒng)的被控量能穩(wěn)定在某一給定值上，定值控制系統(tǒng)是應(yīng)用最多的一種控制系統(tǒng)。若由于擾動(dòng)作用，偏差一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)便產(chǎn)生控制作用克服擾動(dòng)對被控量的影響，使被控量穩(wěn)定在給定值。2隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制

7、系統(tǒng)是被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。3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(shí)間程序而變化的。二、過程控制系統(tǒng)的分類第17頁，共66頁。第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1系統(tǒng)由過程檢測控制儀表組成2被控過程的多樣性3控制方案的多樣性4控制過程多屬慢過程和參量控制5定值控制是過程控制的一種主要形式第18頁，共66頁。第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)一、連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制連續(xù)控制指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，其被控量需定量控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的第19頁，共66頁。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(jì)算機(jī)等自動(dòng)化技術(shù)工具，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自

8、動(dòng)檢測、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制一個(gè)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。第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第20頁，共66頁。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(dòng)態(tài)特性具有大慣性、大滯后、非線性特性第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第21頁，共66頁。四、過程控制的控制過程多屬慢過程， 而且多半為參量控制 因?yàn)榇髴T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(dòng)檢測和自動(dòng)控制，所以過程控制多半為參量控制第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第22頁，

9、共66頁。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(jì)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)第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第23頁，共66頁。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(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗能的目標(biāo)。第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第24頁，共66頁。當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，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(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快

10、速性。第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第25頁，共66頁。 最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。 階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第26頁，共66頁。給定值被控變量干擾f 控制器 傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值干擾階躍響應(yīng)t0y第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第27頁，共66頁。給定值被控變量干擾f 控制器 傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值給定階躍響應(yīng)0ty第28頁，共66頁。1）余差C 過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是

11、衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。C= y() - r圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第29頁，共66頁。2）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圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第30頁，共66頁。衰減比 n 和衰減率 是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。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(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合適，過渡過程較短。衰減比n與衰

12、減率之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系：n = 4:110:1 就相當(dāng)于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt第31頁，共66頁。最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。 3）最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量 最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即: A = ymax - r 圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTtA第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第32頁，共66頁。 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)波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt第33頁

13、，共66頁。4）過渡過程時(shí)間Ts Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的5% （或2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束。圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3y()TpTSTt第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第34頁，共66頁。調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。過渡過程中相鄰兩同向波峰（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圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3y()TpTSTt第35頁，共66頁。5）峰值時(shí)間Tp 又稱上升時(shí)間，是指過渡過程開始，至被控參數(shù)

14、到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第36頁，共66頁。 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(shí)間。 解：最大偏差 A = 230-200 = 30余差 C= 205-200 = 5衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1第37頁，共66頁。振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205 （

15、 2） 4.1在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為4.1畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn) Ts = 22min第38頁，共66頁。 控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)穩(wěn)定性 衰減比n = 4:110:1最佳 準(zhǔn)確性 余差C小好 最大偏差 A 小好快速性 過渡時(shí)間 Ts 短好 振蕩周期 T 短好各品質(zhì)指標(biāo)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(shí)間變長。因此，應(yīng)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(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。第39頁，共66頁。二、誤差（偏差）性能指標(biāo) 單項(xiàng)指標(biāo)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(shí)間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)

16、指標(biāo)，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第40頁，共66頁。tyrCy()yrCy()t偏差積分的原始定義：IE= e (t) dt0偏差的定義存在分歧： e (t) = y(t) - y() 不能表達(dá)余差 e (t) = y(t) - y(r) 如有余差則積分無窮大第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第41頁，共66頁。偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：偏差積分IE（Integral of Error）圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt缺點(diǎn)：不能保證

17、系統(tǒng)是衰減振蕩。第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第42頁，共66頁。絕對偏差積分IAE （Integral Absolute value of Error） 圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt 排除了正負(fù)偏差抵消的可能。第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第43頁，共66頁。圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt 平方偏差積分ISE（Integral of Squared Error）對大偏差敏感 第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第44頁，共66頁。時(shí)間與絕對偏差乘積積分ITAE （Integral of Tim

18、e multiplied by the Absolute value of Error） 對調(diào)節(jié)時(shí)間敏感 圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt第三節(jié) 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第45頁，共66頁。控制系統(tǒng)的誤差性能指標(biāo)小結(jié)采用不同的積分公式意味著估計(jì)整個(gè)過渡過程優(yōu)良程度時(shí)的側(cè)重點(diǎn)不同。 ISE著重于一直過渡過程中的大誤差； ITAE著重懲罰過渡過程拖得過長。誤差積分指標(biāo)的缺點(diǎn)：不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減率，而衰減率是人們首先關(guān)注的。第46頁，共66頁。第四節(jié) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段一、儀表化與局部自動(dòng)化階段 年代：5060年代組成：

19、基地儀表（多數(shù)是氣動(dòng)儀表）機(jī)構(gòu)部件特點(diǎn)：單輸入單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)；對生產(chǎn)過程的熱工參數(shù)，如溫度，壓力，流量和液位進(jìn)行自動(dòng)控制；控制目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定。 理論：頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論 。第47頁，共66頁。二、綜合自動(dòng)化階段（局部自動(dòng)化、智能化）年代：7080年代組成：電子儀表、智能儀表（多數(shù)是電動(dòng)）機(jī)構(gòu)部件特點(diǎn)：大量采用單元組合儀表（包括氣動(dòng)和電動(dòng)）和組裝式儀表 ；實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面采用復(fù)雜控制系統(tǒng)，例如，串級、比值、均勻和前饋反饋控制等 。 理論：除經(jīng)典控制理論外，現(xiàn)代控制理論以解決實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的更為復(fù)雜的問題。

20、第四節(jié) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況第48頁，共66頁。三、全盤自動(dòng)化階段（集散系統(tǒng)、現(xiàn)場總線）年代：90組成：微型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：對整個(gè)工藝流程，全工廠，乃至整個(gè)企業(yè)集團(tuán)公司進(jìn)行集中控制和經(jīng)營管理以及應(yīng)用多臺微機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和多參數(shù)綜合控制。 在檢測變送方面，除了熱工參數(shù)的檢測變送以外，粘度、濕度、PH值及成分的在線檢測與數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用日益廣泛。 模擬過程檢測控制儀表的品種、規(guī)格增加，可靠性提高，具有安全火花防爆(DDZ)性能，可用于易燃易爆場合。第49頁，共66頁。三、全盤自動(dòng)化階段（集散系統(tǒng)、現(xiàn)場總線）特點(diǎn)：以微處理器為核心的單元組合儀表正向著微型化，數(shù)字化，智能化和具有通訊能力方向發(fā)展。 過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，也從單參數(shù)單回路的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到多參數(shù)多回路的微機(jī)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互