過(guò)程控制緒論

先進(jìn)過(guò)程控制內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息學(xué)院李忠虎教授2012.9換熱器溫度控制系統(tǒng)多變量解耦控制熱電單元機(jī)組大多數(shù)控制系統(tǒng)采用PID控制算法自20世紀(jì)80年代起，先進(jìn)控制技術(shù)就已在工業(yè)界開(kāi)始應(yīng)用，特別是多變量模型預(yù)測(cè)控制，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的煉油、石油化工、電力、冶金等實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，并取得了良好的控制效果。

PID控制算法是人們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的、行之有效的自動(dòng)控制算法，目前大量的單變量控制都采用這種算法。然而，現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，要求高效、低能耗、低污染，且受各種擾動(dòng)時(shí)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都能平穩(wěn)運(yùn)行，這樣，常規(guī)的單回路PID控制便不能很好地滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的要求，因此迫切需要在常規(guī)PID控制算法的基礎(chǔ)上，有一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)全局穩(wěn)定控制的算法，這就是先進(jìn)控制算法。章節(jié)安排1緒論2自動(dòng)化儀表概述3過(guò)程控制系統(tǒng)概述4先進(jìn)過(guò)程控制5典型工業(yè)過(guò)程控制工程參考書(shū)籍王樹(shù)青.先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例.化學(xué)工業(yè)出版社俞金壽.過(guò)程控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社楊斌.過(guò)程控制.清華大學(xué)出版社楊為民.過(guò)程控制系統(tǒng)及工程.西安電子科技大學(xué)出版社翁維勤.過(guò)程控制系統(tǒng)及工程.化學(xué)工業(yè)出版社潘永湘.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表.機(jī)械工業(yè)出版社1緒論1.1過(guò)程控制的定義、特點(diǎn)、要求及功能

過(guò)程控制是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的簡(jiǎn)稱，它泛指工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。㈠過(guò)程控制的定義汽輪發(fā)電機(jī)組火力發(fā)電廠外觀連鑄機(jī)大包回轉(zhuǎn)臺(tái)使用常規(guī)儀表的中央控制室早期的DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)代的DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)代操作室HOLLiAS—MACS系統(tǒng)是由以太網(wǎng)和使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)連接的各工程師站、操作員站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通訊控制站、數(shù)據(jù)服務(wù)器組成的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，完成大型、中型分布式控制系統(tǒng)（DCS）、大型數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）功能。和利時(shí)產(chǎn)品電廠輔網(wǎng)車(chē)間控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

大型供水泵站SCADA系統(tǒng)解決方案哈爾濱環(huán)保局在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)整體架構(gòu)圖㈡過(guò)程控制的特點(diǎn)

①系統(tǒng)由生產(chǎn)過(guò)程和系列化生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表組成；②被控過(guò)程復(fù)雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)；③控制方案豐富多彩，控制要求越來(lái)越高；④被控過(guò)程大多屬于慢變過(guò)程與參量控制；⑤定值控制是過(guò)程控制的主要形式。①要求：

Ⅰ安全性（確保人和設(shè)備安全，可采取報(bào)警或連鎖保護(hù)等措施）

Ⅱ穩(wěn)定性（具有抑制外部干擾、保持生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力）

Ⅲ經(jīng)濟(jì)性（生產(chǎn)成本低而效率高）㈢過(guò)程控制的要求及功能②功能（如圖）

Ⅰ

測(cè)量變送與執(zhí)行功能

Ⅱ

操作安全與環(huán)境保護(hù)功能

Ⅲ常規(guī)控制與高級(jí)控制功能

Ⅳ

實(shí)時(shí)優(yōu)化功能

Ⅴ

決策管理與計(jì)劃調(diào)度功能現(xiàn)代過(guò)程控制的功能結(jié)構(gòu)圖1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)⑴被控參數(shù)（亦稱被控變量）y(t)：

被控過(guò)程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；⑵控制參數(shù)（亦稱操縱變量）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；⑶干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過(guò)程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；⑷設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值；⑸反饋值z(mì)(t)：被控參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送后的實(shí)際測(cè)量值；⑹偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；⑺控制作用u(t)：控制器的輸出值。㈠過(guò)程控制系統(tǒng)的組成（參考右圖）㈡過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)①按被控參數(shù)名稱可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)；②按被控參數(shù)的多少可分為：?jiǎn)巫兞靠刂葡到y(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)；③按完成特定工藝要求可分為：比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)；④按所用自動(dòng)化工具可分為：常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；⑤按結(jié)構(gòu)不同可分為：反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)；⑥按設(shè)定值不同可分為：定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。1.3過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟(參考右圖)⑴確定控制目標(biāo)

①熱油出口溫度穩(wěn)定②煙道氣含氧量穩(wěn)定③熱效率最高。⑵選擇被控參數(shù)

直接參數(shù)與間接參數(shù)⑶選擇控制量

①燃料油流量或冷油流量→出口溫度②擋板開(kāi)度或送風(fēng)擋板→含氧量⑷確定控制方案

簡(jiǎn)單與復(fù)雜、單輸入與多輸入、最優(yōu)控制⑸選擇控制策略

PID、高級(jí)過(guò)程控制⑹選擇執(zhí)行器電動(dòng)與氣動(dòng)1.4過(guò)程控制的發(fā)展概況㈠基于儀表的局部自動(dòng)化階段

（50年代，基地、單元組合、氣動(dòng)式，單輸入/單輸出、4大參數(shù)穩(wěn)定、經(jīng)典控制理論）㈡基于儀表/計(jì)算機(jī)的綜合自動(dòng)化階段

（60年代，單元組合、組裝式，高性能、特殊要求控制，計(jì)算機(jī)控制，多輸入/多輸出，現(xiàn)代控制理論）㈢基于網(wǎng)絡(luò)的全盤(pán)自動(dòng)化階段

（70年代，智能儀表、成分在線、安全防爆、集散控制、現(xiàn)場(chǎng)總線控制）⑺設(shè)計(jì)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

高、低限值；加熱爐停車(chē)程序：停燃油泵→關(guān)燃油閥→停引風(fēng)機(jī)→切斷熱油閥⑻工程化設(shè)計(jì)用圖樣資料和文件資料表達(dá)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并能按圖樣進(jìn)行施工。⑼

系統(tǒng)投運(yùn)、調(diào)試和整定參數(shù)1.5過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過(guò)程，在此取這種過(guò)程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。②最大偏差A(yù)—被控變量偏離給定值的最大數(shù)值

A=230—200=30（℃）③超調(diào)量B—第一個(gè)波峰值與新穩(wěn)定值之差

B=230—205=25（℃）①衰減比B：B′—相鄰兩個(gè)波峰值之比B：B′=（230—205）/（210—205）=5：1習(xí)慣上表示為n：1，一般n取4～10之間④余差C—過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)被控變量的新穩(wěn)定值與給定值之偏差

C=205—200=5（℃）C=0為無(wú)差調(diào)節(jié)系統(tǒng)C≠0為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)

⑤穩(wěn)定時(shí)間—從干擾作用發(fā)生時(shí)刻起，直到建立新的平衡狀態(tài)所需的時(shí)間。

表示法：22min（±2%）⑥振蕩周期或頻率—過(guò)渡過(guò)程同向兩個(gè)波峰間間隔時(shí)間為周期，周期的倒數(shù)為頻率。

T=20-5=15（min）f=1/T=1/（60×15）≈0.0011(Hz)

綜合以上指標(biāo)，對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的調(diào)節(jié)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，一般可從穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面考慮。這三方面往往相互矛盾。穩(wěn)定性是首要考慮的因素，一般要求被控變量波動(dòng)具有一定的衰減比（4：1～10：1），也即經(jīng)過(guò)一到兩個(gè)周期后就看不出明顯的波動(dòng)了，在穩(wěn)定的前提下盡量滿足準(zhǔn)確性和快速性的要求。1.6聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式⑴聯(lián)絡(luò)信號(hào)是指在成套儀表系列中，儀表之間采用的傳輸信號(hào)的類(lèi)型和數(shù)值。⑵聯(lián)絡(luò)信號(hào)類(lèi)型：氣動(dòng)儀表：20～100KPa電動(dòng)儀表：模擬信號(hào)4～20mADC及1～5VDC，數(shù)字信號(hào)、頻率信號(hào)⑶說(shuō)明：

①信號(hào)下限從零開(kāi)始有利于模擬量運(yùn)算；信號(hào)下限從某值開(kāi)始（活零點(diǎn)）便于檢驗(yàn)儀表是否斷電，并可實(shí)現(xiàn)兩線制。②信號(hào)上限高，產(chǎn)生的電磁平衡力大；信號(hào)上限低有利于減少功率損耗和儀表防爆。㈠聯(lián)絡(luò)信號(hào)⑴直流電流傳輸方式①電流信號(hào)傳輸時(shí)儀表之間的連接R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表接收儀表㈡電信號(hào)傳輸方式為保證傳輸誤差ε在允許范圍之內(nèi)，應(yīng)要求R0》Rcm+nRi，故有為減小傳輸誤差，要求R0足夠大，而Rcm及Ri應(yīng)比較小②直流電流傳輸誤差分析③直流電流傳輸?shù)奶攸c(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：發(fā)送儀表輸出電阻大，故電流信號(hào)適于遠(yuǎn)距傳輸。電流回路中串入一電阻，取壓方便。缺點(diǎn)：回路中增減接收儀表時(shí)，將影響其它儀表的工作。各臺(tái)儀表沒(méi)有公共接地點(diǎn)，若要和計(jì)算機(jī)聯(lián)用,則應(yīng)在儀表輸入輸出端采取直流隔離措施。⑵直流電壓傳輸方式①電壓信號(hào)傳輸時(shí)儀表之間的連接接收儀表發(fā)送儀表RiRcm／２R0U0Rcm／２IiRiRi為減小傳輸誤差,應(yīng)滿足Ri/n》R0+Rcm，故有

為減小傳輸誤差，要求R0和Rcm盡量小，Ri大些。②直流電壓傳輸誤差分析③電壓傳輸?shù)奶攸c(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：增加或取消某個(gè)接收儀表不影響其他儀表的工作。各接收儀表可設(shè)置公共接地點(diǎn)，可和計(jì)算機(jī)聯(lián)用。缺點(diǎn)：要在引線電阻上產(chǎn)生電壓降,信號(hào)受一定損失,且因接收儀表輸入阻抗很高，易于引入干擾，所以電壓信號(hào)不適于遠(yuǎn)距離傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)，控制室內(nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)。㈢現(xiàn)場(chǎng)與控制室內(nèi)儀表間的信號(hào)傳輸

要實(shí)現(xiàn)兩線制，必須采用活零點(diǎn)的電流信號(hào)。因電源線和信號(hào)線公用，電源供給變送器的功率是通過(guò)信號(hào)電流提供的。變送器輸出電流為下限值時(shí)，應(yīng)保證它內(nèi)部的半導(dǎo)體器件仍能正常工作。故信號(hào)電流下限值不能過(guò)低。電源裝置現(xiàn)場(chǎng)控制室四線制兩線制現(xiàn)場(chǎng)電源裝置控制室接收儀表接收儀表變送器變送器1.7安全防爆基本知識(shí)和防爆措施㈠安全防爆基本知識(shí)⑴爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分依據(jù)：爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間0區(qū)(Zone0)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所。1區(qū)(Zone1)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場(chǎng)所。2區(qū)(Zone2)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也是短時(shí)間存在的場(chǎng)所。⑵爆炸性氣體的分級(jí)按最大試驗(yàn)安全間隙MESG(火焰不能傳播的最大間隙)和最小點(diǎn)燃電流比MICR來(lái)分級(jí)：可分為A、B、C三級(jí)。⑶爆炸性物質(zhì)的分組

組別引燃溫度t/℃T1t

>450T2450≥t>300

T3300≥t>200

組別引燃溫度t/℃T4T5135≥t>100T6100≥t>85200≥t>135按引燃溫度可分為六組⑷防爆電氣設(shè)備的分類(lèi)、分組防爆電氣設(shè)備分為兩大類(lèi)：

Ⅰ類(lèi)：煤礦用電氣設(shè)備Ⅱ類(lèi)：工廠用電氣設(shè)備

Ⅱ類(lèi)電氣設(shè)備可進(jìn)一步分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級(jí)。工廠用電氣設(shè)備防爆型式有以下八種：

隔爆型(d)、本質(zhì)安全型(i)、增安型(e)、正壓型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、澆封型(m)和無(wú)火花型(n)。本質(zhì)安全型設(shè)備又可以分為ia和ib兩個(gè)等級(jí)。⑸防爆標(biāo)志及其含義防爆標(biāo)志由以下5個(gè)部分構(gòu)成：標(biāo)志EX－表示該設(shè)備為防爆電氣設(shè)備。結(jié)構(gòu)型式－表明該設(shè)備采用何種措施進(jìn)行防爆，如d為隔爆型，i為本安型等。設(shè)備類(lèi)別－I為煤礦井下用電設(shè)備，II為工廠用設(shè)備。防爆級(jí)別－為A、B、C三級(jí)，表明防爆能力強(qiáng)弱。溫度組別－為T(mén)1～T6六組，說(shuō)明該設(shè)備的最高表面溫度允許值。例如EXiaIICT5表示II類(lèi)本質(zhì)安全型ia等級(jí)B級(jí)T5組。⑴隔爆型儀表

具有隔爆外殼，儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內(nèi)。它能承受儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生爆炸性氣體混合物的爆炸壓力。這類(lèi)儀表適用于