過程控制工程課件

過程控制工程概述過程控制工程是化學工程、機械工程、電子工程等學科交叉融合的產(chǎn)物，旨在優(yōu)化生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質量和經(jīng)濟效益。過程控制系統(tǒng)的組成測量系統(tǒng)傳感器、變送器等，用于獲取過程變量信息。控制系統(tǒng)控制器、執(zhí)行器等，用于根據(jù)設定值對過程進行調節(jié)。過程測量溫度測量熱電偶、熱電阻等，用于測量溫度變化。壓力測量壓力傳感器、壓力變送器等，用于測量壓力變化。流量測量流量計、渦街流量計等，用于測量流體流量變化。液位測量液位計、超聲波液位計等，用于測量液位變化。過程檢測與誤差分析信號檢測對測量信號進行預處理，識別異常值。誤差分析分析測量誤差來源，評估誤差影響。過程調節(jié)器及其分類比例調節(jié)器調節(jié)輸出與偏差成比例關系。積分調節(jié)器調節(jié)輸出與偏差的積分值成比例關系。微分調節(jié)器調節(jié)輸出與偏差的變化率成比例關系。PID調節(jié)原理1比例控制快速響應偏差變化。2積分控制消除靜差，提高控制精度。3微分控制預測偏差變化趨勢，抑制振蕩。PID參數(shù)的動態(tài)調整1參數(shù)整定根據(jù)系統(tǒng)特性，調整PID參數(shù)以優(yōu)化控制性能。2自適應控制根據(jù)系統(tǒng)變化，自動調節(jié)PID參數(shù)，提高控制效果。3模糊控制使用模糊邏輯，對PID參數(shù)進行非線性調整。離散化PID算法1采樣將連續(xù)信號轉換為離散信號。2計算根據(jù)PID算法，計算控制輸出。3保持將控制輸出保持一段時間，直到下次采樣。過程建模數(shù)學模型通過數(shù)學方程描述過程的動態(tài)特性。統(tǒng)計模型基于歷史數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)計模型預測過程行為。過程響應特性1階躍響應：輸入信號為階躍函數(shù)，觀察輸出信號變化。2脈沖響應：輸入信號為脈沖函數(shù)，觀察輸出信號變化。3頻率響應：輸入信號為正弦函數(shù)，觀察輸出信號變化。一階系統(tǒng)及其應用時間常數(shù)反映系統(tǒng)響應速度快慢。應用溫度控制、液位控制等。二階系統(tǒng)及其應用阻尼比影響系統(tǒng)響應的振蕩程度。應用機械振動、電氣振蕩等。高階系統(tǒng)及其應用多輸入多輸出具有多個輸入和輸出信號的系統(tǒng)。應用復雜工業(yè)過程、航空航天控制等。傳遞函數(shù)的頻率特性頻域分析方法1幅頻特性描述系統(tǒng)對不同頻率信號的放大倍數(shù)。2相頻特性描述系統(tǒng)對不同頻率信號的相位滯后。3奈奎斯特曲線用于判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，并分析系統(tǒng)性能。系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)勞斯判據(jù)基于特征方程系數(shù)，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。根軌跡法繪制根軌跡，分析系統(tǒng)動態(tài)性能。閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能指標1上升時間響應從初始值上升到設定值的所需時間。2峰值時間響應達到峰值所需時間。3超調量響應超過設定值的百分比。4調節(jié)時間響應穩(wěn)定在設定值附近所需時間。控制系統(tǒng)的設計1確定控制目標和性能指標。2建立過程模型，分析系統(tǒng)特性。3選擇合適的控制策略，設計控制器參數(shù)。4進行仿真驗證，優(yōu)化控制性能?？刂葡到y(tǒng)的校正比例校正調整控制器比例增益，提高響應速度。積分校正添加積分環(huán)節(jié)，消除靜差。微分校正添加微分環(huán)節(jié)，抑制振蕩。階躍響應法設計PID參數(shù)分析階躍響應觀察系統(tǒng)響應的上升時間、峰值時間、超調量、調節(jié)時間等。調整PID參數(shù)根據(jù)階躍響應特征，調整比例增益、積分時間、微分時間。頻域法設計PID參數(shù)分析頻率響應觀察系統(tǒng)的幅頻特性、相頻特性。調整PID參數(shù)根據(jù)頻率響應特征，優(yōu)化控制器參數(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)概述1采樣與重構將連續(xù)信號轉換為離散信號。2數(shù)字控制器使用數(shù)字處理器實現(xiàn)控制算法。3執(zhí)行器將數(shù)字控制信號轉換為連續(xù)控制信號。數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣與重構1采樣周期決定數(shù)字控制系統(tǒng)的響應速度。2重構將離散信號恢復為連續(xù)信號。數(shù)字控制系統(tǒng)的建模與分析1離散化模型將連續(xù)系統(tǒng)模型轉換為離散模型。2Z變換用于分析離散系統(tǒng)的動態(tài)特性。3數(shù)字仿真驗證數(shù)字控制系統(tǒng)的性能指標。Z變換及其應用離散信號變換將離散信號轉換為Z域函數(shù)。系統(tǒng)分析利用Z變換，分析數(shù)字系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和頻率特性。數(shù)字PID控制算法1離散化PID算法，適用于數(shù)字控制器。2考慮采樣周期，保證控制精度和穩(wěn)定性。3可根據(jù)實際需求，選擇不同的數(shù)字PID算法實現(xiàn)。離散化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性Z域分析利用Z變換，分析數(shù)字系統(tǒng)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性判據(jù)基于數(shù)字系統(tǒng)特征方程，判斷穩(wěn)定性。數(shù)字控制系統(tǒng)的設計與調試系統(tǒng)設計選擇合適的硬件平臺、軟件環(huán)境，設計數(shù)字控制器算法。調試優(yōu)化通過實際測試，調整數(shù)字控制器參數(shù)，優(yōu)化控制性能。過程控制典型應用案例化工生產(chǎn)溫度、壓力、流量控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。電力系統(tǒng)電壓、電流、頻率控制，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。生物醫(yī)藥溫度、濕度、流量控制，保證產(chǎn)品質量和安全。過程控制工程前沿技術人工智能機器學習、深度學習等技術應用于過程控制，提高控制精度和智能化水平。云計算