《zy過程控制》課件

中研院過程控制本課程介紹過程控制的基本原理和應用。涵蓋從反饋控制到現(xiàn)代控制理論的多個主題。課程概述目標學習過程控制原理和應用，了解常見控制方法，掌握PID控制器的設計和參數(shù)調校方法。內容涵蓋過程控制基礎知識，包括反饋控制系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行機構、數(shù)據(jù)采集與控制器等。過程控制概念過程控制是通過調節(jié)控制系統(tǒng)來控制工業(yè)過程，例如化工生產(chǎn)、電力生產(chǎn)或制藥生產(chǎn)。過程控制的目標是使過程輸出保持在期望的設定值，并能消除過程中的擾動，例如原材料質量波動或環(huán)境溫度變化的影響。過程控制在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著至關重要的作用，可以提高產(chǎn)品質量、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，并保障安全和環(huán)境保護。典型工業(yè)過程化工過程化工廠生產(chǎn)涉及復雜的化學反應，需要精確控制溫度、壓力和流量等參數(shù)。煉油過程煉油廠生產(chǎn)汽油、柴油等產(chǎn)品，過程控制涉及復雜的蒸餾、裂解等操作。電力生產(chǎn)過程發(fā)電廠需要控制鍋爐、汽輪機和發(fā)電機等設備，確保穩(wěn)定、高效的電力供應。反饋控制系統(tǒng)1偏差檢測系統(tǒng)實際輸出與設定值的差異2控制算法根據(jù)偏差計算控制信號3執(zhí)行機構根據(jù)控制信號調節(jié)過程反饋控制系統(tǒng)通過測量過程變量，并將其與設定值進行比較，根據(jù)偏差計算控制信號，驅動執(zhí)行機構調節(jié)過程，從而實現(xiàn)對過程的自動控制。傳感器和執(zhí)行機構11.傳感器傳感器將物理量轉換成電信號，例如溫度、壓力、流量、液位等。22.執(zhí)行機構執(zhí)行機構接收控制信號，并將信號轉換為控制動作，例如調節(jié)閥門、改變電機速度等。33.傳感器和執(zhí)行機構的配合傳感器和執(zhí)行機構緊密配合，共同完成對過程的控制。44.傳感器的類型傳感器種類繁多，包括熱電偶、壓力傳感器、流量計、液位計等。數(shù)據(jù)采集與控制器1數(shù)據(jù)采集傳感器收集過程變量數(shù)據(jù)，例如溫度、壓力、流量等。2數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂破?，如現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)。3數(shù)據(jù)處理控制器接收數(shù)據(jù)，進行處理，例如過濾、校準、轉換等。PID控制器比例控制比例控制根據(jù)偏差的大小來調整輸出，偏差越大，輸出越大。積分控制積分控制作用于累積偏差，消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)更加準確。微分控制微分控制根據(jù)偏差變化速率調整輸出，提高系統(tǒng)響應速度。PID控制器參數(shù)調校比例系數(shù)(Kp)Kp控制比例增益，影響輸出對誤差變化的響應速度，Kp過大，系統(tǒng)容易震蕩，Kp過小，系統(tǒng)響應速度慢。積分系數(shù)(Ki)Ki控制積分作用，可以消除靜差，Ki過大，容易造成超調或震蕩，Ki過小，消除靜差的時間過長。微分系數(shù)(Kd)Kd控制微分作用，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，Kd過大，容易產(chǎn)生高頻噪聲，Kd過小，無法有效抑制超調。串級控制1主回路控制主要變量2副回路控制影響主變量的輔助變量3級聯(lián)控制通過副回路改善主回路控制性能串級控制是一種常用的控制策略，通過級聯(lián)兩個或多個控制回路來提高系統(tǒng)的控制精度和抗擾動能力。主回路控制主要變量，副回路控制影響主變量的輔助變量，通過級聯(lián)控制，副回路可以有效地改善主回路的控制性能。級聯(lián)控制級聯(lián)控制是一種常用的控制策略，它將多個閉環(huán)控制系統(tǒng)串聯(lián)起來，以提高控制性能。1主控制器調節(jié)主要控制變量。2從控制器調節(jié)輔助控制變量，影響主要控制變量。3級聯(lián)結構從控制器輸出作為主控制器的設定值。級聯(lián)控制可以提高系統(tǒng)對擾動的抑制能力，并使系統(tǒng)更容易調節(jié)。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，主控制器控制溫度，從控制器控制流量。通過級聯(lián)控制，可以有效地控制溫度，并減少對流量的波動。前饋控制預測干擾前饋控制通過預測干擾的影響，提前采取措施來抵消干擾的影響。這是一種積極的控制策略。減少誤差前饋控制在干擾發(fā)生之前就進行調整，可以有效減少控制誤差，提高控制精度。應用廣泛前饋控制廣泛應用于化學過程、電力系統(tǒng)、機械制造等領域，可以有效提升控制效果。模型預測控制模型預測控制(MPC)是一種先進的過程控制策略，它利用模型預測未來系統(tǒng)的行為并優(yōu)化控制策略。MPC可以處理多變量系統(tǒng)、約束條件和干擾，在工業(yè)過程控制中具有廣泛的應用。1預測模型建立系統(tǒng)動態(tài)模型2優(yōu)化控制優(yōu)化未來控制行動3滾動優(yōu)化周期性地更新預測4反饋校正將實際測量值與預測值進行比較MPC的優(yōu)勢在于能夠處理多變量系統(tǒng)、約束條件和干擾，并實現(xiàn)最優(yōu)控制。然而，MPC的實現(xiàn)需要建立準確的模型，并進行參數(shù)調整和計算，因此在實際應用中需要仔細考慮。模糊邏輯控制基于規(guī)則的控制模糊邏輯控制利用模糊集合和模糊規(guī)則來模擬人類專家的經(jīng)驗和直覺，實現(xiàn)控制目標。處理不確定性模糊邏輯控制可以有效地處理工業(yè)過程中的不確定性和噪聲，提高控制系統(tǒng)的魯棒性。適應性強模糊邏輯控制器可以根據(jù)實際情況進行在線調整，適應不同的運行環(huán)境和控制目標。易于實現(xiàn)模糊邏輯控制算法相對簡單，易于理解和實現(xiàn)，特別適用于復雜系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡控制自適應能力神經(jīng)網(wǎng)絡可以根據(jù)過程變化進行調整。非線性建模處理復雜的工業(yè)過程模型。學習能力通過數(shù)據(jù)訓練，提升控制性能。過程故障診斷11.故障識別實時監(jiān)測過程變量，分析偏差，判斷故障發(fā)生。22.故障隔離確定故障源，將其與其他故障因素區(qū)分。33.故障診斷識別故障類型，并進行精確診斷，確定具體原因。44.故障恢復采取措施解決故障問題，恢復正常運行。過程優(yōu)化控制1提高效率優(yōu)化過程控制，以實現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化，并減少浪費和資源消耗。2降低成本通過優(yōu)化控制，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質量，并減少能源消耗。3安全生產(chǎn)優(yōu)化控制系統(tǒng)，提高生產(chǎn)過程的安全性，減少事故和故障。分布式控制系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線工業(yè)現(xiàn)場總線是連接設備和系統(tǒng)的標準，它用于傳輸過程數(shù)據(jù)和控制命令。架構DCS通常由多個控制器、人機界面（HMI）和通信網(wǎng)絡組成，每個控制器管理特定的過程部分。工業(yè)應用DCS廣泛應用于化工、石油、電力、冶金等行業(yè)，提高了生產(chǎn)效率和安全性。工業(yè)現(xiàn)場總線技術標準化工業(yè)現(xiàn)場總線技術統(tǒng)一了不同設備之間的通信協(xié)議，提高了系統(tǒng)互操作性和集成性。多種總線標準可供選擇，例如PROFIBUS、CANopen、Modbus等，滿足不同應用需求。高可靠性采用冗余機制和錯誤檢測糾正技術，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴？垢蓴_能力強，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行。實時性數(shù)據(jù)傳輸延遲低，滿足實時控制系統(tǒng)的要求。支持高速數(shù)據(jù)傳輸，提高控制系統(tǒng)的響應速度。連續(xù)時間系統(tǒng)定義連續(xù)時間系統(tǒng)是指系統(tǒng)變量在時間上連續(xù)變化的系統(tǒng)，例如物理系統(tǒng)、化學反應過程等。它們可以用微分方程來描述。特點系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化，可以用導數(shù)來表示狀態(tài)變化率。適用于描述各種連續(xù)變化的物理過程。應用應用于各種物理系統(tǒng)，例如機械系統(tǒng)、熱力學系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。廣泛應用于工業(yè)過程控制。分析方法可以使用微分方程、拉普拉斯變換、狀態(tài)空間方法等來進行分析和設計。可以應用于模型預測控制等領域。離散時間系統(tǒng)離散時間系統(tǒng)是使用數(shù)字信號進行控制的系統(tǒng)。它們在現(xiàn)代過程控制中非常普遍，因為它們提供了許多優(yōu)勢，例如精度、靈活性和可靠性。1采樣測量連續(xù)過程信號的值。2量化將模擬信號轉換為數(shù)字信號。3計算使用數(shù)字算法執(zhí)行控制操作。4保持將數(shù)字信號轉換為模擬信號，用于控制執(zhí)行機構。通過離散時間系統(tǒng)，我們可以實現(xiàn)精確控制，并靈活地調整控制算法以適應不同的過程需求。狀態(tài)空間建模1狀態(tài)變量描述系統(tǒng)行為的最小變量集合。狀態(tài)變量必須是獨立的，可以唯一地描述系統(tǒng)的狀態(tài)。2狀態(tài)方程描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間的變化規(guī)律，用一階微分方程或差分方程表示。3輸出方程描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量之間的關系，表示系統(tǒng)輸出如何由狀態(tài)變量確定。穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性穩(wěn)定性分析是判斷一個系統(tǒng)是否能夠保持平衡狀態(tài)，即使受到外部擾動也能恢復到正常狀態(tài)。分析方法常用的分析方法包括：根軌跡法、頻率響應法和狀態(tài)空間法。它們能夠分析系統(tǒng)的動態(tài)特性，評估系統(tǒng)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性判據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)是判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的標準。例如，奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)、勞斯-赫維茨穩(wěn)定性判據(jù)和李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)等。頻域分析頻域分析頻域分析是通過頻率來研究系統(tǒng)特性。頻率響應系統(tǒng)對不同頻率信號的響應，可以反映系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。Bode圖Bode圖是將頻率響應以圖形形式表示，便于分析系統(tǒng)的頻率特性。極點和零點極點和零點決定了系統(tǒng)的頻率響應特性，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。安全與環(huán)境保護安全生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設計和實施必須遵循安全生產(chǎn)規(guī)范，確保操作人員和設備的安全。環(huán)境保護過程控制可以優(yōu)化生產(chǎn)過程，減少污染排放，符合環(huán)保要求。應急措施過程控制系統(tǒng)應包括應急機制，確保在緊急情況下及時響應和安全處理。工廠自動化自動化生產(chǎn)機器人和自動化系統(tǒng)在制造、包裝和物流中提高生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)驅動決策實時數(shù)據(jù)收集和分析優(yōu)化流程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。人機協(xié)作人類操作員與自動化系統(tǒng)協(xié)作，提高安全性和靈活度。物聯(lián)網(wǎng)在過程控制中的應用物聯(lián)網(wǎng)技術為過程控制帶來了革新，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、智能決策等功能。通過傳感器和執(zhí)行機構，將生產(chǎn)流程與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時共享和分析，提高效率和效益。物聯(lián)網(wǎng)技術在過程控制中應用廣泛，包括遠程監(jiān)測、故障預警、生產(chǎn)優(yōu)化、能源管理等方面，為傳統(tǒng)工業(yè)轉型升級提供支持。過程控制前沿技術人工智能與機器學習人工智能和機器學習正在改變過程控制。它們可以用于構建更復雜和更精確的模型，并改善決策能力。數(shù)字孿生數(shù)字孿生技術可用于創(chuàng)建過程控制系統(tǒng)的虛擬模型。它可以幫助工程師模擬不同場景并優(yōu)化操作策略。云計算云計算可以提供強大的計算能力和存儲空間，以便支持大型過程控制系統(tǒng)。它還可以提高系統(tǒng)靈活性。邊緣計算邊緣計算可以將數(shù)據(jù)處理從云端遷移到現(xiàn)場，以減少延遲并提高實時性。課程總結11.過程控制基礎系統(tǒng)地學習過程控制