過程控制課件

過程控制系統(tǒng)張亞庭

電控學院自動化

過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質能量的轉換或傳遞。例如室內溫度的控制。1.1過控系統(tǒng)的任務與組成第一章緒論圖1為人工控制室溫。假設在冬季，室內加溫是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風回風恒溫室溫度計閥門圖1室溫人工控制示意圖眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當?shù)目刂啤?/p>

過程控制系統(tǒng)的定義：

為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設備構成的一個整體。圖2為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人?；仫L恒溫室23送風熱水M回水41圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度檢測變送單元、控制器、電動調節(jié)閥和加熱器及房間組成。用通用名稱表示為：

過程控制系統(tǒng)的主要任務是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統(tǒng)原理方框圖過控系統(tǒng)主要組成部分

(1)、被控對象：生產(chǎn)過程中被控制的工藝設備或裝置。

(2)、檢測變送單元：檢測課中已做介紹。

(3)、控制器：實時地對被控系統(tǒng)施加控制作用。

(4)、執(zhí)行器：將控制信號進行放大以驅動控制閥控制進料量。常見的有電動和氣動兩種。 氣動執(zhí)行器有氣開式和氣關式之別。工藝設備

1、被控參數(shù)y：按照生產(chǎn)過程要求，某些變量應該維持在穩(wěn)定的變化范圍內，如果對其施加控制作用，就稱其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。2、控制量u：為調節(jié)器的輸出；根據(jù)偏差值、經(jīng)一定算法得到的輸出值。

3、操縱量q：即調節(jié)介質。如室溫自動控制系統(tǒng)的熱水流量。常用術語：

4、測量值z：被控變量經(jīng)檢測變送后即是測量值。

5、給定值r：即被控變量的設定值。

6、偏差值e：準確地說，應是被控量的給定值與實際值之差。但能夠直接得到的信號是被控量的測量值，故通常把給定值與測量值之差稱作為偏差。7、干擾f:

凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動。圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；2—傳感變送器；

3—控制器；4—執(zhí)行器回風恒溫室23送風熱水M回水41TCTT1.2過程控制的特點1．控制對象復雜、控制要求多樣2．控制方案豐富3．控制對象大多屬于慢過程4．大多數(shù)工藝要求定值控制5．大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置1.3過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設定值的形式或系統(tǒng)的結構特點分類。1.按設定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)——設定值隨時可能變化。3）程序控制系統(tǒng)——設定值按預定的時間程序變化。2.按系統(tǒng)的結構特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結構形式。2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖變送器3）復合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復合控制系統(tǒng)原理框圖1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標。控制系統(tǒng)的性能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。t0y1、衰減比n和衰減率ψ設第一個波振幅為y1、第三個波振幅為y3圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt衰減比n和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應關系：n=4:1~10:1

就相當于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。2、最大動態(tài)偏差A和超調量σ最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即:A

=ymax

-r

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA有時也采用超調量σ來表示被控參數(shù)偏離設定值的程度，σ的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt即:3、余差C過渡過程結束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的指標。C=

y(∞)-r圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt4）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率f

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內，就認為過渡過程結束。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T，其倒數(shù)稱為振蕩頻率f=1/T圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

[例]某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃。在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試求最大偏差、超調量、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。

解：最大偏差A=230-200=30℃超調量

σ=(25/205)×100%=12.2%余差C=205-200=5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=

5:1振蕩周期

T

=20–5

=15（min）設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認為過渡過程結束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點Ts=22min

控制系統(tǒng)的品質指標小結穩(wěn)定性

衰減比n=4:1~10:1最佳*

準確性

余差C小好*最大偏差A或超調量σ小好*快速性

過渡時間Ts

短好*

振蕩周期T

短好各品質指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。1.4過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.4.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1．局部自動化階段（20世紀50～60年代）自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。特點：自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2．模擬單元儀表控制階段（20世紀60～70年代）圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；2—傳感變送器；

3—控制器；4—執(zhí)行器回風恒溫室23送風熱水M回水41TCTT渭河電廠3．集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應用。

80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內裝CPU的數(shù)字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統(tǒng)實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。集散控制系統(tǒng)組成框圖：

管理計算機監(jiān)控計算機監(jiān)控2高速數(shù)據(jù)通道CRT操作站