過(guò)程控制系統(tǒng)電子教案01

教案教學(xué)內(nèi)容第一章概述備課教師上課時(shí)間教學(xué)目標(biāo).了解過(guò)程控制的要求與任務(wù).掌握過(guò)程控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn).掌握過(guò)程控制系統(tǒng)的指標(biāo)、能夠計(jì)算指標(biāo).了解過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)展及特點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn).過(guò)程控制系統(tǒng)的組成及各部分功能.過(guò)程控制系統(tǒng)的要求及質(zhì)量指標(biāo)教學(xué)難點(diǎn).常用術(shù)語(yǔ)物理意義(控制量與擾動(dòng)量區(qū)別).靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、過(guò)渡過(guò)程概念難點(diǎn)解決辦法結(jié)合工程實(shí)例重點(diǎn)講解教學(xué)內(nèi)容1.1過(guò)程控制的要求與任務(wù)過(guò)程控制(ProcessControl)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(guò)程的自動(dòng)控制。中工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程物料 產(chǎn)品=＞生產(chǎn)過(guò)程=＞物理變化 條件溫度化學(xué)變化 壓力生化及聞 液位物艇潴量的代遞 流求＞過(guò)程控制的任務(wù)：在充分了解生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程和動(dòng)靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，以生產(chǎn)過(guò)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(dòng)化裝置，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)。＞過(guò)程控制的目標(biāo)：安全性越限、事過(guò)程控制的目標(biāo)故報(bào)警；連鎖保護(hù)；故障預(yù)測(cè)與診斷；容錯(cuò)穩(wěn)定性抑制干擾、保持生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性低成本、高效益、少能耗

1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)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(guò)上部的輸汽管供給用戶或下一個(gè)工序，為了及時(shí)補(bǔ)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。槌制儀表變量功彘L(zhǎng)連用槌制儀表變量功彘L(zhǎng)連用T建醫(yī)F及里匚腔制P壓力I指示R記錄口福髻由電加熱爐控制系統(tǒng)可知，過(guò)程控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：.被控過(guò)程（或?qū)ο螅?用于生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的檢測(cè)與變送儀表；.控制器；.執(zhí)行機(jī)構(gòu)；.報(bào)警、保護(hù)和連鎖等其它部件。1.2.2過(guò)程控制系統(tǒng)特點(diǎn).被控過(guò)程的多樣性石油化工過(guò)程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過(guò)程……被控量的多樣性：壓力溫度流量液位……不同于運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）、檢測(cè)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)：?jiǎn)巫兞靠刂葡到y(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)、單回路控制、多回路控制3,被控過(guò)程屬慢過(guò)程、多參數(shù)控制連續(xù)工業(yè)過(guò)程大慣性和大滯后決定了被控過(guò)程為慢過(guò)程被控量有壓力、流量、液位、溫度、成分等多個(gè).定值控制被控參數(shù)的設(shè)定值為一個(gè)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。

1.3過(guò)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(dòng)（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(gè)相鄰?fù)虿ǚ逯抵取：饬空袷庍^(guò)程衰減程度的指標(biāo)。nI?14衰減比等于兩個(gè)相鄰?fù)虿ǚ逯抵取：饬空袷庍^(guò)程衰減程度的指標(biāo)。nI?14程擰；刖系統(tǒng)階嬴響應(yīng)II稅3.最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量最大動(dòng)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(guò)渡過(guò)程開始的第一個(gè)波峰（yl）。最大動(dòng)態(tài)偏差是衡量過(guò)程控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。超調(diào)量為最大動(dòng)態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比。.余差余差是指過(guò)渡過(guò)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(guò)程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。e(8)=r-y(8).調(diào)節(jié)時(shí)間ts和振蕩頻率B調(diào)節(jié)時(shí)間ts是從過(guò)渡過(guò)程開始到結(jié)束的時(shí)間。理論上應(yīng)該為無(wú)限長(zhǎng)。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(shí)間就是調(diào)節(jié)時(shí)間.調(diào)節(jié)時(shí)間是過(guò)程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)口穩(wěn)定性衰減比n=4:1?10:1最佳口準(zhǔn)確性余差C小好口 最大偏差A(yù)小好口快速性過(guò)渡時(shí)間Ts短好振蕩周期T短好1.4過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)隨著過(guò)程控制技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)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(dòng)化儀表技術(shù)的發(fā)展，過(guò)程控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)并日趨完善的過(guò)程。過(guò)程控制裝置的進(jìn)展從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個(gè)階段。.基地式控制階段（初級(jí)階段）20世紀(jì)50年代，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化主要是憑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，局限于一般的控制元件及機(jī)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備就地分散的局部自動(dòng)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(méi)有或很少有聯(lián)系，其功能往往限于單回路控制。過(guò)程控制的目的主要是幾種熱工參數(shù)（如溫度、壓力、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(shí)至今日，這類控制系統(tǒng)仍沒(méi)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(dòng)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(dòng)和氣動(dòng)兩大類。所謂單元組合，就是把自動(dòng)控制系統(tǒng)儀表按功能分成若干單元，依據(jù)實(shí)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(hào)聯(lián)系。氣動(dòng)儀表（QDZ系列）信號(hào)為0.02?0.1MPa氣壓信號(hào)。電動(dòng)儀表信號(hào)為0?10mA直流電流信號(hào)（DDZ-II系列）和4?20mA直流電流信號(hào)（DDZ-III系列）。隨著儀表工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)過(guò)程控制對(duì)象特性的認(rèn)識(shí)、對(duì)儀表及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法等都有了較快的進(jìn)展。但從設(shè)計(jì)構(gòu)思來(lái)看，單元組合儀表過(guò)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(guó)內(nèi)外還廣泛應(yīng)用，特別是隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多型號(hào)的數(shù)顯儀表，數(shù)顯儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)既可以為4?20mA直流電流，也可以為1?5V直流電壓。.計(jì)算機(jī)控制的初級(jí)階段20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，最初是采用單臺(tái)計(jì)算機(jī)的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）實(shí)現(xiàn)集中控制，代替常規(guī)的控制儀表。但由于集中控制的固有

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(shí)時(shí)監(jiān)督等功能集中化，有利于安全平穩(wěn)生產(chǎn)?？刂萍坝脩艚缑?X接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)工程維態(tài)H-t M，人ML界面DCS控制及用戶界面1X接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)工程維態(tài)H-t M，人ML界面DCS操作站j;I:tI業(yè)理，場(chǎng)UU中火控告.室控副收J(rèn)/l?I-中出-1-20mA柒散控制系統(tǒng)(DCS)―-部分的分電式控制系統(tǒng) ［防，棚.綜合自動(dòng)化階段20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)二級(jí)優(yōu)化控制，在DCS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制和優(yōu)化控制。在硬件上采用上位機(jī)和DCS(或電動(dòng)單元組合儀表)相結(jié)合，構(gòu)成二級(jí)計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制。隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，DCS出現(xiàn)了開放式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多層次計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的管控一體化系統(tǒng)(CIPS)。同時(shí)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行全數(shù)字化、雙向和多站通信的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS)。FCS將對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)革命性變革，開辟控制系統(tǒng)的新紀(jì)元。J程組態(tài)DCS操作站 人機(jī)界面1］J程組態(tài)DCS操作站 人機(jī)界面1］阿橋/聞美中央控制室一防熱士棚 "』PI口運(yùn)算現(xiàn)場(chǎng)鴕備測(cè)履儀衣城直送錯(cuò)

根怦及趁勢(shì)，等等現(xiàn)場(chǎng)鴕備現(xiàn)場(chǎng)翦線控制系統(tǒng)［⑶S)-—完全的分布式控制系統(tǒng)

工業(yè)密.班，各戰(zhàn)網(wǎng)處工業(yè)密.班，各戰(zhàn)網(wǎng)處〃計(jì)算機(jī)集成〃指出了它的組成特征，〃過(guò)程系統(tǒng)〃指明了它的工作對(duì)象，正好與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）相對(duì)應(yīng)，有人也稱之為過(guò)程工業(yè)的CIMS?？梢哉J(rèn)為，綜合自動(dòng)化是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要潮流。它以整體優(yōu)化為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)工具，以生產(chǎn)過(guò)程的管理和控制的自動(dòng)化為主要內(nèi)容，將各個(gè)自動(dòng)化綜合集成為一個(gè)整體的系統(tǒng)。1.5.2過(guò)程控制策略的進(jìn)展幾十年來(lái)，過(guò)程控制策略與算法出現(xiàn)了三種類型：簡(jiǎn)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(jiǎn)單控制，它一直是過(guò)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(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)與綜合。目前，PID控制仍然得到廣泛應(yīng)用。在許多DCS和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(guò)程控制界逐漸發(fā)展了串級(jí)控制、前饋控制、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?cè)诤艽蟪潭壬蠞M足了復(fù)雜過(guò)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(duì)工業(yè)過(guò)程本身的非線性、時(shí)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(cè)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(guò)程控制。近十年來(lái)，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(shí)的智能處理方法已經(jīng)成為過(guò)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(wú)法控制的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的控制問(wèn)題。實(shí)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(jì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。本章小結(jié)過(guò)程控制主要是指連續(xù)過(guò)程工業(yè)的控制，其被控變量是溫度、壓力、流量