工業(yè)過程控制精品課件

1、工業(yè)過程控制第1頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三課程名稱：工業(yè)過程控制授課對象：電氣工程及自動化專業(yè)先修課程：電子技術基礎 檢測與信號處理技術 自動控制理論主要教材及參考書：過程控制系統(tǒng)，俞金壽、孫自強 編，機械工業(yè)出版社，2008過程控制，金以慧 主編，清華大學出版社，1998第2頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三第一章 緒論本章主要內容1.1 過程控制的基本概念1.2 過程控制的任務1.3 過程控制系統(tǒng)的組成1.4 過程系統(tǒng)的分類1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標1.6 過程控制的特點1.7 過程控制的發(fā)展狀況1.8 自動化儀表概述第3頁，共50頁

2、，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.1 過程控制的基本概念工業(yè)自動化： 工業(yè)生產中的各種參數(shù)為控制目的，實現(xiàn)各種過程控制。在整個工業(yè)生產中,盡量減少人力的操作,而充分利用自動化裝置對工廠或企業(yè)的生產設備或生產過程進行自動監(jiān)測，自動調節(jié)，自動控制，自動顯示及管理等。 工業(yè)自動化涉及的范圍極廣，可分為：生產過程自動化、電氣傳動自動化、電力系統(tǒng)自動化、生產管理自動化、樓宇自動化等等。 生產過程自動化：主要針對溫度、壓力、流量、液位（物位），成分和物性等參數(shù)的控制問題進行研究。第4頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三人工操作與自動控制比較圖（液位控制）控制速度和精度不能

3、滿足大型現(xiàn)代化生產的需要第5頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.1 過程控制的基本概念2. 過程： 將原料（物質）接收過來，利用能源進行諸如加熱、冷卻等處理，使其發(fā)生化學或物理的變化，最終生產出所需要的物質或能源的系統(tǒng)。3. 過程控制： 為了按所希望的效率，質量和產量產出產品，將過程內各部分的變量控制在所希望的值，即完成對諸如溫度，壓力，流量，液位（物位）等參數(shù)的控制，使其保持為定值或按一定規(guī)律變化，以確保產品質量和生產安全，并使生產過程按最優(yōu)化目標自動進行。第6頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.2 過程控制的任務4. 過程控制的任務： 在了解

4、、掌握工藝流程和被控過程的靜態(tài)與動態(tài)特性的基礎上，應用控制理論分析和設計符合工藝要求的過程控制系統(tǒng)，并采用適宜的技術手段加以實現(xiàn)。需要指出，為適應當前當前生產對控制的要求愈來愈高的趨勢，必須充分注意現(xiàn)代控制技術過程控制中的應用，因此，過程控制是控制理論、工藝知識、計算機技術和儀器儀表等知識相結合而構成的一門應用科學。第7頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)主要由被控過程和自動化儀表兩部分組成，其中自動化儀表負責對被控過程的工藝參數(shù)進行自動測量、自動監(jiān)視和自動控制等。例如：發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 轉爐供氧量控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)（

5、DCS） 水塔液位控制系統(tǒng)第8頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成例1 發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)鍋爐是電力、冶金、石油化工等工業(yè)部門不可缺少的動力設備，其產品是蒸汽。發(fā)電廠從鍋爐汽包中出來的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器繼續(xù)加熱成為過熱蒸汽。過熱蒸汽的溫度是火力發(fā)電廠生產工藝的重要參數(shù)。過熱蒸汽溫度控制是保證汽輪機組（發(fā)電設備）正常運行的重要條件。通常過熱蒸汽的溫度控制在460左右，推動汽輪機做功。第9頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成每種鍋爐與汽輪機組都有一個規(guī)定的運行溫度，在這個溫度下運行，機組的效率最

6、高。如果過熱蒸汽溫度過高，會使汽輪機的壽命大大縮短；如果溫度過低，當過熱蒸汽帶動汽輪機做功時，會使部分過熱蒸汽變成小水滴，小水滴沖擊汽輪機葉片，會造成生產事故。所以必須對過熱蒸汽的溫度進行控制。過熱器之前或中間部分串接一個減溫器，通過控制減溫水流量的大小來控制過熱蒸汽的溫度。第10頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三圖1. 電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制流程圖第11頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成控制過程： 本系統(tǒng)采用DDZ-III型電動單元組合儀表。系統(tǒng)中過熱蒸汽溫度采用熱電阻溫度計1來測量，并經(jīng)過溫度變送器2（TT）將測量信號

7、送至調節(jié)器（TC）3的輸入端，與過熱蒸汽溫度的給定值進行比較得到其偏差，調節(jié)器按此輸入偏差以某種控制規(guī)律進行運算后輸出控制信號，以控制調節(jié)閥4的開度，從而改變減溫水流量大小，達到控制過熱蒸汽溫度的目的。第12頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三設定值測量值偏差，e(t) = r(t) y (t) 控制作用被控變量操縱變量圖2. 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖第13頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三過程（又稱對象） 被控制的裝置或設備c(t)(或y(t) 被控參數(shù)（系統(tǒng)輸出）：過熱蒸汽的溫度f(t) 擾動作用，作用與被控過程引起被控參數(shù)變化的各種因素q(t)

8、控制參數(shù)（操縱變量）u(t) 控制作用，控制器的輸出值r(t) 給定值（設定值）測量變送器 將c(t)成比例地轉換為測量信號z(t)(反饋值)1.3 過程控制系統(tǒng)的組成Z(t)第14頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成例2 轉爐供氧量控制系統(tǒng)轉爐是煉鋼工業(yè)生產過程中的一種重要設備。熔融的鐵水裝入轉爐后，通過氧槍供給轉爐一定的氧氣量，在氧氣的作用下，鐵水中的碳逐漸氧化燃燒，從而使鐵水中的含碳量不斷地降低，控制吹氧量和吹氧時間就可以控制冶煉鋼水的含碳量，于是可以獲得不同品種的鋼材料。第15頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三控制過程

9、：采用節(jié)流裝置1來測量氧氣流量，并流至變送器（FT）2，再經(jīng)開方器3后作為流量調節(jié)器（FC）4的測量值，其測量值與供氧量的給定值進行比較得到偏差，調節(jié)器按此偏差輸入信號以PID某種控制規(guī)律進行運算并輸出控制信號去控制調節(jié)閥5的開度，從而改變供氧量的大小，以滿足生產工藝要求。圖3. 轉爐供氧量控制系統(tǒng)控制流程圖1.3 過程控制系統(tǒng)的組成第16頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三控制系統(tǒng)均由測量元件、變送器、調節(jié)器、調節(jié)閥和被控過程等環(huán)節(jié)構成。如果把測量元件、變送器、調節(jié)器和調節(jié)閥統(tǒng)稱為過程檢測控制儀表，則一個簡單的過程控制系統(tǒng)是由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成的。1.3

10、 過程控制系統(tǒng)的組成圖4. 轉爐供氧量控制系統(tǒng)控制框圖第17頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成計算機過程控制系統(tǒng)圖5. 計算機過程控制系統(tǒng)框圖計算機代替模擬調節(jié)器 - 計算機過程控制系統(tǒng)。在微型計算機控制系統(tǒng)中，只要運用各種指令，就能編出符合某種控制規(guī)律的程序。微處理器執(zhí)行這樣的程序，就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。第18頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三圖6 計算機控制系統(tǒng)組成框圖生產過程：被控對象，測量變送，執(zhí)行機構等，如下圖所示。接口接口DAAD多路開關反多路開關開關量輸入開關量輸出執(zhí)行機構生產對象打印機顯示終端磁盤驅動器軟

11、件微型計算機實時時鐘操作臺接口接口通用外部設備主機及操作臺外部通道接口檢測及變送控制對象傳感器變送器1.3 過程控制系統(tǒng)的組成第19頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成例3 集散控制系統(tǒng)（DCS）（1）過程輸入-輸出接口（2）過程控制單元（3）數(shù)據(jù)高速通路（4）CRT操作站（5）管理計算機 （-上位機）圖7. 集散控制系統(tǒng)基本組成框圖第20頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成被控對象 實現(xiàn)控制的設備，機器或生產過程。如加熱器，蒸餾塔，反應器或傳輸物料的管路，儲存物料的槽、罐等。（1）被控量 對象內要求進

12、行控制的參量。即y(t)，如過熱蒸汽的溫度。是過程的輸出信號。（2）操縱量（控制參數(shù)） 一般是由工藝決定的，如加熱器溫度控制的燃油量、氧氣量等，受執(zhí)行器（調節(jié)閥）操縱，用以使被控制量獲得有效控制的量（調節(jié)閥輸出，過程的輸入）。第21頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成（2）干擾量 除了操縱量外，作用于對象并能引起被控量變化的各種因素。2. 檢測元件與變送器（1）檢查元件：各類傳感器（2）變送器：用于把被測參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位等物理量）變換為標準電信號的儀表。標準信號：電壓 15V DC 電流 420mA DC 第22頁，共50頁，2022年

13、，5月20日，3點31分，星期三1.3 過程控制系統(tǒng)的組成3. 控制器（調節(jié)器） 將測量值與事先設定的給定值比較，產生偏差信號。根據(jù)偏差信號自動地進行運算，并將結果輸出到執(zhí)行機構上，達到自動調節(jié)的目的。（1）設定值：采用標準信號。（2）測量值：要求與被控量具有相應關系的標準信號。（3）偏差量：正偏差或負偏差4. 執(zhí)行器（調節(jié)閥） 過程自動化中用的執(zhí)行器均為調節(jié)閥 調節(jié)閥由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成。第23頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類1. 按被控量分類 溫度控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) 流量控制系統(tǒng) 液位控制系統(tǒng)等2. 按完成的功能分類 比值控制系統(tǒng)（

14、特殊的多變量控制） 分程控制系統(tǒng)（一個調節(jié)器帶幾個閥） 選擇性控制系統(tǒng)（非線性切換控制）第24頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類3. 按調節(jié)器控制規(guī)律分類 比例（P）控制系統(tǒng) 比例積分（PI）控制系統(tǒng) 比例積分微分（PID）控制系統(tǒng)4. 按被控量的多少分類 單變量控制系統(tǒng) 多變量控制系統(tǒng)第25頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類5. 按系統(tǒng)的結構分類 反饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng) 復合控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)第26頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)

15、的分類（1）反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)的一種最基本的控制結構形式。反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量的偏差進行工作的，偏差值是控制的依據(jù)，最后達到消除或減小偏差的目的。 如過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)就是一個反饋控制系統(tǒng)。 反饋信號可以有多個，從而構成多個閉合回路，稱其為多回路控制系統(tǒng)。第27頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類（2）前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)是直接根據(jù)擾動量的大小進行工作，擾動是控制的依據(jù)。由于它沒有被控量的反饋，所以也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖7. 前饋控制框圖擾動f(t)是引起被控量y(t)變化的原因，前饋調節(jié)器FFC是根據(jù)擾動f(

16、t)進行工作的，可以及時克服擾動對被控量y(t)的影響。但是，前饋控制是開環(huán)控制，不能檢查控制精度，因此，在實際工業(yè)生產過程自動化中不能單獨使用。第28頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類（3）前饋-反饋（復合）控制系統(tǒng) 開環(huán)的前饋控制的最主要的優(yōu)點是能針對主要擾動及時迅速地克服其對被控參數(shù)的影響；對其余次要擾動，利用反饋控制予以克服，使控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時能準確地使被控量控制在給定值上。圖8. 前饋-反饋控制系統(tǒng)第29頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類6. 按給定信號的特點分類 定值控制系統(tǒng) 程序（順序

17、）控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)（1）定值控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)被控量的給定值保持在規(guī)定值不變，或在小范圍附近不變。 例如：過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、轉爐供氧量控制系統(tǒng)均為一個定值控制系統(tǒng)。 第30頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類6. 按給定信號的特點分類 定值控制系統(tǒng) 程序（順序）控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)（2）程序控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)被控量的給定值按預定的時間程序變化工作的?？刂颇康木褪鞘瓜到y(tǒng)被控量按工藝要求規(guī)定的程序（順序）自動變化的。 例如：同期作業(yè)的加熱設備（機械、冶金工業(yè)中的熱處理爐），一般工藝要求加熱升溫、保溫、逐次降溫等程序，給定值就按此程序自動地變化，

18、控制系統(tǒng)也按此程序自動工作，達到控制的目的。 第31頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.4 過程控制系統(tǒng)的分類6. 按給定信號的特點分類 定值控制系統(tǒng) 程序（順序）控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)（3）隨動控制系統(tǒng)： 它是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。主要作用是克服一切擾動，使被控量快速跟隨給定值變化。 例如：加熱爐燃燒過程，生產工藝要求空氣量隨燃料量的變化而成比例的變化，而燃料量是隨生產負荷而變化，其變化規(guī)律是任意的。隨動控制系統(tǒng)就是要使空氣量跟隨燃料量的變化自動控制空氣量的大小，達到加熱爐最佳燃燒。第32頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1

19、.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標1.過程控制系統(tǒng)運行的兩種狀態(tài)穩(wěn)態(tài)：此時系統(tǒng)沒有受到任何外來干擾或外來干擾恒定，同時給定值亦保持不變，因而被控參數(shù)也不會隨時間變化，整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。動態(tài)：當系統(tǒng)受到變化的外來干擾的影響或者在改變了給定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，被控參數(shù)也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時間變化。 第33頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價動態(tài)過程：從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程稱為過 渡過程。系統(tǒng)性能評價：主要看它受到外來擾動作用或給定值 發(fā)生變化后，能否快速地、準確地、

20、 平穩(wěn)地（非劇烈振蕩）回復（趨近） 到原（新）給定值上。評價指標：系統(tǒng)階躍響應性能指標 偏差積分性能指標 第34頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（1）系統(tǒng)階躍響應性能指標 a.余差（靜態(tài)偏差、殘差）- 準確性 余差是過渡過程結束后給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。（靜態(tài)指標） 第35頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（1）系統(tǒng)階躍響應性能指標 b.衰減比n（衰減率）- 穩(wěn)定性 兩個相鄰的同向波峰值之比:n=B1/B2(注意都是相 對于穩(wěn)態(tài)值的大小) n

21、大振蕩劇烈 n小穩(wěn)定性高 第36頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（1）系統(tǒng)階躍響應性能指標 c.衰減率- 快速性 衰減率定義為一個周期后波動幅度衰減的程度。 衰減比與衰減率的單值對應關系，如衰減比為4：1 或10：1時，則衰減率為0.75或0.9。 =(B1-B2)/B2第37頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（1）系統(tǒng)階躍響應性能指標 d.最大動態(tài)偏差及超調量被控參數(shù)偏離給定值程度 系統(tǒng)第一個峰值超出穩(wěn)態(tài)值的幅度。 超調量 第38頁，共50頁，

22、2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（1）系統(tǒng)階躍響應性能指標 e.過渡過程時間ts 衡量快速性 擾動后，被控量進入新的穩(wěn)態(tài)值的5%的范圍內所 經(jīng)歷的時間 注：性能指標之間的矛盾精度高，不穩(wěn)定；穩(wěn)定性好，快速性差；分清主次，對主要的控制指標優(yōu)先保證。第39頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（2）偏差積分性能指標 過渡過程中，被控量偏離其新穩(wěn)態(tài)值的誤差沿時間軸的積分。可見，無論誤差幅度大，還是時間長，都會使積分增大，所以它是綜合指標。 a.偏差絕對值積分（IAE）

23、第40頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（2）偏差積分性能指標 b.偏差絕對值與時間乘積積分（ITAE） 抑制過渡過程時間，突出快速性 c.偏差平方值積分（ISE） 抑制過渡過程中大的偏差 第41頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.5 過程控制系統(tǒng)的性能指標2.過程控制系統(tǒng)的評價（2）偏差積分性能指標 d.時間乘偏差積分（ITSE） 抑制過渡過程中大的偏差和過渡時間過長。不同積分指標對動態(tài)過渡過程的要求側重點不同。 第42頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.6 過程控制的特

24、點連續(xù)生產過程的自動控制 -被控量需要定量控制且連續(xù)可調 過程控制一般是指連續(xù)生產過程的自動控制，其被控量需定量地控制，而且應是連續(xù)可調的。2.系統(tǒng)由被控過程和自動化儀表組成 過程控制是通過各種檢測儀表、控制儀表（電動儀表、氣動儀表、模擬儀表、智能儀表等）和電子計算機（看作一臺儀表)等自動化技術工具，對整個生產過程進行自動監(jiān)測、自動控制。過程檢測控制儀表包括檢測元件、變送器、調節(jié)器（包括計算機）、調節(jié)閥等。第43頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.6 過程控制的特點3. 被控過程（對象）是非電量的 被控過程復雜多樣，如石油化工過程中的精餾塔、化學反應器、流體傳輸設備；熱

25、工過程中的鍋爐、熱交換器；冶金過程中的轉爐、平爐；機械工業(yè)中的熱處理爐等。涉及石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、制藥等行業(yè)。這些生產過程，往往采用物理量和化學量（如溫度、壓力、流量、液位、成分、PH值等）來表征生產過程是否正常，因此需要對上述過程參數(shù)進行自動檢測和自動控制，故過程控制多為非電量控制。第44頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.6 過程控制的特點4. 控制過程多為慢過程的參量控制 由于被控過程具有大慣性、大滯后（大延遲）等特性，因此決定了過程控制的控制過程多為慢過程。它的動態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大滯后、非線性特性。有些機理復雜（如發(fā)酵、生化過程等）的過程至今尚未被人們所認識，所以很難用目前機理建模方法建立起精確的數(shù)學模型，因此設計能適應各種過程的控制系統(tǒng)并非易事。第45頁，共50頁，2022年，5月20日，3點31分，星期三1.6 過程控制的特點5. 控制方案豐富 過程控制系統(tǒng)的設計是以被控過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的復雜、多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等。為了滿足上述特點與工藝要求，過程控制中