過程控制系統(tǒng)電子教案01

1、教案教學(xué)內(nèi)容第一章概述備課教師上課時間教學(xué)目標(biāo).了解過程控制的要求與任務(wù).掌握過程控制系統(tǒng)的組成及特點.掌握過程控制系統(tǒng)的指標(biāo)、能夠計算指標(biāo).了解過程控制系統(tǒng)發(fā)展及特點教學(xué)重點.過程控制系統(tǒng)的組成及各部分功能.過程控制系統(tǒng)的要求及質(zhì)量指標(biāo)教學(xué)難點.常用術(shù)語物理意義（控制量與擾動量區(qū)別）.靜態(tài)、動態(tài)、過渡過程概念難點解決辦法結(jié)合工程實例重點講解教學(xué)內(nèi)容過程控制的要求與任務(wù)過程控制（Process Control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)過程的自動控制。事工業(yè)生產(chǎn)過程物料產(chǎn)品二生產(chǎn)過程=物慳變化條件 溫度化學(xué)變化，偉力牛化反應(yīng)海位物時健次的件岸流后過程

2、控制的任務(wù)：在充分了解生產(chǎn)過程的工藝流程和動靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用控制理論對系 統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，以生產(chǎn)過程中物流變化信息量作為被控量， 選用適宜的技術(shù) 手段和自動化裝置，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)。過程控制的目標(biāo)：安全性 越限、事過程控制的目標(biāo)故報警；連鎖保護；故障預(yù)測與診斷；容錯穩(wěn)定性抑制干擾、保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行經(jīng)濟性 低成本、高效益、少能耗過程控制系統(tǒng)的組成與特點系統(tǒng)組成電加熱器加熱水產(chǎn)生一定壓力的水蒸汽，并通過上部的輸汽管供給用戶或下 一個工序，為了及時補充因蒸發(fā)而不斷減少的鍋爐水量， 在鍋爐下部用水泵連續(xù) 地加入冷水。表示液位變送窗Q表小液位控制器/ 、被滯儀表*1功能I強后

3、T變誤里C控制力I指重1溫將ht衛(wèi)錄帶控制點的工藝流程圖由電加熱爐控制系統(tǒng)可知，過程控制系統(tǒng)由以下幾部分組成:.被控過程（或?qū)ο螅?用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表；.控制器；.執(zhí)行機構(gòu)；.報警、保護和連鎖等其它部件。1.2.2過程控制系統(tǒng)特點.被控過程的多樣性石油化工過程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過程被控量的多樣性：壓力 溫度流量液位不同于運動控制系統(tǒng)。.控制方案的多樣性系統(tǒng)硬件：調(diào)節(jié)儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）、檢測與變送儀表控制算法：PID控制、復(fù)雜控制、先進(jìn)控制、智能控制等控制方案結(jié)構(gòu)：單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)、單回路控制、多 回路控制.被控過程屬慢過程、多參數(shù)控制連續(xù)工業(yè)過程

4、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.定值控制被控參數(shù)的設(shè)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(shè)定值。過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)基本要求：穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性定值控制系統(tǒng)在于恒定，要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準(zhǔn)、快地 保持接近或等于設(shè)定值。隨動（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是跟蹤，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快地跟蹤設(shè)定值。.衰減比和衰減率衰減比等于兩個相鄰?fù)虿ǚ逯抵?。衡量振蕩過程衰減程度的指標(biāo)。圖1.4過程控制系統(tǒng)階躍晌做曲級y 1V 3.最大動態(tài)偏差和超調(diào)量最大動態(tài)偏差是指在階躍響應(yīng)中，被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，表現(xiàn)在過

5、渡過程開始的第一個波峰（y1）0最大動態(tài)偏差是衡量過程控制系統(tǒng)動態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。超調(diào)量為最大動態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比。.余差余差是指過渡過程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值的差值。 余差是過程 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。e （二）y （二）穩(wěn)定性準(zhǔn)確性快速性.調(diào)節(jié)時間ts和振蕩頻率B調(diào)節(jié)時間ts是從過渡過程開始到結(jié)束的時間。理論上應(yīng)該為無限長。一般認(rèn)為當(dāng)被控量進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的5%范圍內(nèi)所需時間就是調(diào)節(jié)時間.調(diào)節(jié)時間是過程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的單項品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)衰減比n = 4:110:1最佳余差C小好最大偏差A(yù)小好過渡時間Ts短好振蕩周期T短好過程控制的發(fā)展與趨勢隨著過程控制技

6、術(shù)應(yīng)用范圍的擴大和應(yīng)用層次的深入，以及控制理論與技術(shù) 的進(jìn)步和自動化儀表技術(shù)的發(fā)展，過程控制技術(shù)經(jīng)歷了一個由簡單到復(fù)雜， 從低 級到高級并日趨完善的過程。過程控制裝置的進(jìn)展從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，過程控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個階段。.基地式控制階段（初級階段）20世紀(jì)50年代，生產(chǎn)過程自動化主要是憑生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，局限于一般的控 制元件及機電式控制儀器，采用比較笨重的基地式儀表（如自力式溫度控制器、 就地式液位控制器等），實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備就地分散的局部自動控制。在設(shè)備與設(shè)備 之間或同一設(shè)備中的不同控制系統(tǒng)之間，沒有或很少有聯(lián)系，其功能往往限于單回路控制。過程控制的目的主要是幾種熱工參數(shù)（如溫度、壓力、

7、流量及液位） 的定值控制，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的穩(wěn)定。 時至今日，這類控制系統(tǒng)仍沒有被 淘汰，而且還有了新的發(fā)展，但所占的比重大為減少。.單元組合儀表自動化階段20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)， 單元組合儀表有電動 和氣動兩大類。所謂單元組合，就是把自動控制系統(tǒng)儀表按功能分成若干單元， 依據(jù)實際控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合。因此單元組合儀表使用方便、靈 活。單元組合儀表之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號聯(lián)系。 氣動儀表（QDZ系列）信號為0.02 0.1MPa氣壓信號。電動儀表信號為010mA直流電流信號（DDZ-II系列）和4 20 mA直流電流信號（DDZ-III系列）。!單元蛆合錢或

8、 盤作沖總 給工羊二 比不、；、牛之 _ 隨著儀表工業(yè)的迅速發(fā)展，對過程控制對象特性的認(rèn)識、對儀表及控制系統(tǒng) 的設(shè)計計算方法等都有了較快的進(jìn)展。但從設(shè)計構(gòu)思來看，單元組合儀表過程控 制仍處于各控制系統(tǒng)互不關(guān)聯(lián)或關(guān)聯(lián)甚少的定值控制范疇，只是控制的品質(zhì)有較大的提高。單元組合儀表已延續(xù) 50多年，目前國內(nèi)外還廣泛應(yīng)用，特別是隨著 單片機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多型號的數(shù)顯儀表，數(shù)顯儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號既可以為 420 mA直流電流，也可以為15V直流電壓。.計算機控制的初級階段20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了計算機控制系統(tǒng)，最初是采用單臺計算機的直接數(shù)字 控制系統(tǒng)（DDQ實現(xiàn)集中控制，代替常規(guī)的控制儀表。但由于集中控制

9、的固有缺陷，未能普及與推廣就被集散控制系統(tǒng)（DCS所替代。DCS在硬件上將控制 回路分散化，數(shù)據(jù)顯示、實時監(jiān)督等功能集中化，有利于安全平穩(wěn)生產(chǎn)。現(xiàn)場設(shè)備,酒量儀火或變送器互接數(shù)字控制（DDC）系緩一-集中控制系繞集散控制系統(tǒng)（DCS）部分的分布式控制系統(tǒng).綜合自動化階段20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)二級優(yōu)化控制，在DCS的基礎(chǔ)上實現(xiàn)先進(jìn)控制和優(yōu) 化控制。在硬件上采用上位機和 DCS（或電動單元組合儀表）相結(jié)合，構(gòu)成二級 計算機優(yōu)化控制。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，DCS出現(xiàn)了開放式系統(tǒng)，實現(xiàn)多層次計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的管控一體化系統(tǒng) （CIPS）同時，以現(xiàn)場總線為標(biāo)準(zhǔn)，實 現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場儀表與控

10、制系統(tǒng)之間進(jìn)行全數(shù)字化、雙向和多站通信的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（FCFCSa對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來革命性變革，開辟控 制系統(tǒng)的新紀(jì)元。人機界面中央控制富內(nèi)插戶口k測量儀或或交送器 靠警犬越勢.等不現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（MCS）完全的分布式控制系統(tǒng)計算機集成”指出了它的組成特征， 過程系統(tǒng)”指明了它的工作對象，正好 與計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS相對應(yīng)，有人也稱之為過程工業(yè)的 CIMSo可以 認(rèn)為，綜合自動化是當(dāng)代工業(yè)自動化的主要潮流。它以整體優(yōu)化為目標(biāo)，以計算機為主要技術(shù)工具，以生產(chǎn)過程的管理和控制的自動化為主要內(nèi)容，將各個自動化綜合集成為一個整體的系統(tǒng)。1.5.2過程控制策略的進(jìn)展幾十年來，過程控制策

11、略與算法出現(xiàn)了三種類型： 簡單控制、復(fù)雜控制和先 進(jìn)控制。通常將單回路PID控制稱為簡單控制，它一直是過程控制的主要手段。PID控制以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，主要用頻域方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計與綜合。 目前，PID控制仍然得到廣泛應(yīng)用。在許多 DCSffi PLC系統(tǒng)中，均設(shè)有PID控制 算法軟件，或PID控制模塊。從20世紀(jì)50年代開始，過程控制界逐漸發(fā)展了審級控制、 前饋才S制、Smith 預(yù)估控制、比值控制、均勻控制、選擇性控制和多變量解耦控制等策略與算法， 稱之為復(fù)雜控制。它們在很大程度上滿足了復(fù)雜過程工業(yè)的一些特殊控制要求。 它們?nèi)匀灰越?jīng)典控制理論為基礎(chǔ)， 但是結(jié)構(gòu)與應(yīng)用上各有特色，而

12、且目前仍在繼 續(xù)改進(jìn)與發(fā)展。從20世紀(jì)80年代開始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的理論基礎(chǔ)上，針對工業(yè)過程本身的非線性、時變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之 有效的解決方法，如推理控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制等，常統(tǒng)稱為先進(jìn)過程控制。近十年來，以專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 遺傳算法為主要方法的基于知識的智能處理方法已經(jīng)成為過程控制的一種重要 技術(shù)。先進(jìn)控制方法可以有效地解決那些采用常規(guī)控制效果差，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程的控制問題。實踐證明，先進(jìn)控制方法能取得更高的控制品質(zhì)和更 大的經(jīng)濟效益，具有廣闊的發(fā)展前景。本章小結(jié)過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)的控制，具被控變量是溫度、壓 力、流量、液位（或物位）、物理特性和化學(xué)