過程控制系統(tǒng)基本概念_第1頁
過程控制系統(tǒng)基本概念_第2頁
過程控制系統(tǒng)基本概念_第3頁
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過程控制系統(tǒng)基本概念_第5頁
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文檔簡介

過程控制系統(tǒng)基本概念第1頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月

課程特點(diǎn)課程內(nèi)容涵面廣自動(dòng)控制原理檢測技術(shù)控制儀表及裝置過程計(jì)算機(jī)控制化工過程控制工程集散控制系統(tǒng)內(nèi)容以敘述性為主,理論推導(dǎo)較少第2頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月化工儀表及自動(dòng)化例題習(xí)題集厲玉鳴化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)過程儀表與控制陳詩濤輕工業(yè)出版社自動(dòng)控制原理 李友善國防工業(yè)出版社化工測量儀表盛克仁化學(xué)工業(yè)出版社控制儀表及裝置吳勤勤化學(xué)工業(yè)出版社化工過程控制工程王驥程化學(xué)工業(yè)出版社過程控制工程邵裕森機(jī)械工業(yè)出版社計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)劉寶坤機(jī)械工業(yè)出版社過程計(jì)算機(jī)控制 王錦標(biāo)清華大學(xué)出版社參考文獻(xiàn)第3頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月第一章過程控制系統(tǒng)基本概念第4頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制

自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中起著十分重要的作用,自動(dòng)控制水平的高低也是衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。隨著國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的發(fā)展,自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛,其重要作用也越來越顯著。生產(chǎn)過程自動(dòng)控制(簡稱過程控制)是自動(dòng)控制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、輕工、紡織等生產(chǎn)過程的具體應(yīng)用,是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。第5頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)40年代手工操作狀態(tài),只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程。20世紀(jì)40年代末~50年代過程控制系統(tǒng):多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)自動(dòng)化儀表:采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表(氣動(dòng)Ⅰ

型和電動(dòng)Ⅰ型);控制理論:以反饋為中心的經(jīng)典控制理論第6頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)20世紀(jì)60年代:過程控制系統(tǒng):串級(jí)、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)。自動(dòng)化儀表:單元組合儀表(氣動(dòng)Ⅱ型和電動(dòng)Ⅱ型)成為主流產(chǎn)品。60年代后期,出現(xiàn)了專門用于過程控制的小型計(jì)算機(jī),直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域??刂评碚摚撼霈F(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ),以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為基本特征的現(xiàn)代控制理論,傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域。第7頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月控制理論:形成了大系統(tǒng)理論和智能控制理論。模糊控制、專家系統(tǒng)控制、模式識(shí)別技術(shù)20世紀(jì)70~80年代過程控制系統(tǒng):最優(yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、模糊控制自動(dòng)化儀表:氣動(dòng)Ⅲ型和電動(dòng)Ⅲ型,以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)、工業(yè)PC機(jī)、和數(shù)字控制器等,已成為控制裝置的主流。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)第8頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)控制理論:人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制20世紀(jì)90年代至今:信息技術(shù)飛速發(fā)展過程控制系統(tǒng):管控一體化現(xiàn)場,綜合自動(dòng)化是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制的發(fā)展方向。自動(dòng)化儀表:總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn),引起過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革?,F(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化,形成了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、無紙紀(jì)錄儀第9頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)生產(chǎn)過程的連續(xù)性

在過程控制系統(tǒng)中,大多數(shù)被控過程都是以長期的或間歇形式運(yùn)行,在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動(dòng)的影響。被控過程的復(fù)雜性

過程控制涉及范圍廣,被控對(duì)象較復(fù)雜

控制方案的多樣性

過程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富第10頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范疇

宇航方面:同步衛(wèi)星(隨動(dòng)控制系統(tǒng))衛(wèi)星的發(fā)射與回收(神州5號(hào)飛船,航天飛機(jī))自動(dòng)關(guān)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)軍事方面: 火炮自動(dòng)點(diǎn)火、巡航導(dǎo)彈其他方面:農(nóng)業(yè)(病蟲害防治、專家系統(tǒng)) 社會(huì)科學(xué)(計(jì)劃生育,人口增長模型)現(xiàn)代管理:辦公自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn):自動(dòng)車床、加熱爐、發(fā)酵罐第11頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制的主要內(nèi)容

自動(dòng)檢測系統(tǒng)利用各種檢測儀表對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示或記錄自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng) 自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng):當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍,自動(dòng)發(fā)出聲光信號(hào) 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng):達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài),打開安全閥或切斷某些通路,必要時(shí)緊急停車第12頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng) 自動(dòng)操縱系統(tǒng):根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作 自動(dòng)開停車系統(tǒng):按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過程自動(dòng)的投入運(yùn)行或自動(dòng)停車自動(dòng)控制系統(tǒng):利用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制,使他們?cè)谑艿酵饨鐢_動(dòng)的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí),能自動(dòng)的回到規(guī)定范圍。過程控制的主要內(nèi)容

第13頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)檢測元件(裝置)控制器執(zhí)行器(裝置)檢測被控制的物理量將設(shè)定值與測量信號(hào)進(jìn)行比較,求出它們之間的偏差,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果作為控制信號(hào)送給執(zhí)行裝置作用是接受控制器的控制信號(hào),直接推動(dòng)被控對(duì)象,使被控變量發(fā)生變化第14頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的兩種表示形式方框圖方框、信號(hào)線、比較點(diǎn)、引出點(diǎn)組成控制系統(tǒng)或系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的功能和信號(hào)流向的圖解表示帶有輸入輸出信號(hào)的方框比較點(diǎn)分支點(diǎn)

第15頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月繪制方框圖注意事項(xiàng)過程控制系統(tǒng)的兩種表示形式通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端反饋負(fù)反饋正反饋第16頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的兩種表示形式連接線通用的儀表信號(hào)線和能源線的符號(hào)是細(xì)實(shí)線。連接線表示相連及交叉時(shí),可采用圖(a)(b)形式。在復(fù)雜系統(tǒng)中,當(dāng)有必要表明信息流動(dòng)方向時(shí),應(yīng)在信號(hào)線符號(hào)上加箭頭,如圖(c)所示。

(a)(b)(c)第17頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的主要類型閉環(huán)控制系統(tǒng)指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):不管任何擾動(dòng)引起被控變量偏離設(shè)定值,都會(huì)產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn):由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生,當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時(shí),控制作用對(duì)擾動(dòng)的克服不及時(shí),從而使其控制質(zhì)量大大降低。第18頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的主要類型閉環(huán)控制系統(tǒng)分類根據(jù)設(shè)定值分為定值控制系統(tǒng),隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)特點(diǎn):設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

作用:克服擾動(dòng)的影響,使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上第19頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的主要類型隨動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn):設(shè)定值是一個(gè)未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。放大器被測電壓ut可逆電機(jī)指示記錄儀滑線電阻Eup

作用:以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化自動(dòng)平衡電位差計(jì)的方框圖

第20頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的主要類型程序控制系統(tǒng)特點(diǎn):設(shè)定值是變化的,且按一定時(shí)間程序變化的時(shí)間函數(shù)程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特殊情況,其分析研究方法與隨動(dòng)控制系統(tǒng)相同。

作用:以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化第21頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求常見典型信號(hào)

階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、加速度信號(hào)和正弦信號(hào)等。

階躍信號(hào)A

0t≥0

t<0數(shù)學(xué)表達(dá)式為:當(dāng)A=1時(shí)稱為單位階躍信號(hào)。特點(diǎn)易產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)輸出影響大便于分析和計(jì)算第22頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月在階躍信號(hào)作用下,被控變量隨時(shí)間的變化有以下幾種形式y(tǒng)tt①y

t②yt③y

t④y

t⑤1.發(fā)散振蕩過程——曲線①所示5.非振蕩發(fā)散過程——曲線⑤所示3.等幅振蕩過程——曲線③所示4.衰減振蕩過程——曲線④所示2.非振蕩衰減過程——曲線②所示過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求第23頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求在比較不同控制方案時(shí),應(yīng)首先規(guī)定評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣程度的性能指標(biāo),一般情況下,主要采用以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標(biāo)??刂葡到y(tǒng)最理想的過渡過程應(yīng)具有什么形狀,沒有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn),主要依據(jù)工藝要求而定,除少數(shù)情況不希望過渡過程有振蕩外,大多數(shù)情況則希望過渡過程是略帶振蕩的衰減過程。第24頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月在階躍信號(hào)作用下常以下面幾個(gè)特征參數(shù)作為質(zhì)量指標(biāo)。⑴衰減比這是表示衰減過程響應(yīng)曲線衰減程度的指標(biāo)。數(shù)值上等于同方向兩個(gè)相鄰波峰值之比,即:B:B’顯然:n=1為等幅振蕩;

n<1為發(fā)散振蕩;

n>1為衰減振蕩。為保持系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定程度,工程上常取衰減比為4:1~10:1。⑵峰值時(shí)間tp

峰值時(shí)間是指過渡過程曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。Tp愈小表明控制系統(tǒng)反應(yīng)愈靈敏。這是反映系統(tǒng)快速性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。第25頁,課件共27頁,創(chuàng)作于2023年2月(3)過渡時(shí)間ts

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