过程控制 概述

1、北京理工大学珠海学院北京理工大学珠海学院控制器控制阀被控对象给定值x测量值Zepq被控变量y干扰测量变送器Beijing Institute of technology, Zhu Hai钟秋海，教授，备课答疑钟秋海，教授，备课答疑-MC302Tel：134114248451.过程控制是工业自动化、电气自动化专业的主要面向的对象之一2.教学安排3.教材 方康玲等主编，过程控制系统，武汉理工大学出版社，2007年2月第二版4.主要参考书孙洪程等主编，过程控制工程，高等教育出版社，2006年5.作业按时交作业，算平时成绩6.点名：每次课7.考试v考核性质：考核性质：考试,120分钟v考试方法：考试方

2、法：闭卷v成绩评定：成绩评定：按北京理工大学珠海学院考试工作管理规定的要求，期末总评成绩平时（20%）+实验（10%）+期末考试（70%）。主讲教师：钟秋海，教授、博导办公地点：自动化教研室; MC302; Tel: 3622344手机号码mail： ; 欢迎大家使用网络教学平台进行学习交流与答疑！1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点1.3 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标1.4 过程控制的进展过程控制的进展第一章 概述工业过程可以分为：工业过程可以分为：连续过程工业、离散连续过程工业、离

3、散过程工业和间隙过程工业过程工业和间隙过程工业过程控制过程控制主要是指连续过程工业的过程控主要是指连续过程工业的过程控制制v生产过程：生产过程： 是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程程v生产过程的总目标：生产过程的总目标： 将原物料加工成预期的产品将原物料加工成预期的产品. .v过程控制的任务过程控制的任务: 了解工艺流程和动静态特性了解工艺流程和动静态特性. . 实现生产过程的控制目标实现生产过程的控制目标. .1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标v生产过程的要求：生产过程的要求：安全性安全性, ,稳定性稳定性, ,经济性经济性 (1)安

4、全性安全性:生产过程中，确保人身和设备安全生产过程中，确保人身和设备安全 是最重要和最基本的要求是最重要和最基本的要求. . (2)稳定性稳定性:系统抑制外部干扰、保持生产过程系统抑制外部干扰、保持生产过程 长期稳定运行的能力长期稳定运行的能力. . (3)经济性经济性:低成本高效益是过程控制的另一个低成本高效益是过程控制的另一个 目标目标. .1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标1.2.1 系统组成系统组成1.2.2 过程控制系统特点过程控制系统特点1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点v过程控制系统由以下几部分组成：过程控制系统由以下几部分组成： 1 1被控过

5、程（或对象）被控过程（或对象）: : 2 2用于生产过程参数检测的检测与变送仪表；用于生产过程参数检测的检测与变送仪表； 3 3控制器；控制器； 4 4执行机构执行机构( (器器) )； 5 5报警、保护和连锁等其它部件报警、保护和连锁等其它部件. .1.2.1 系统组成系统组成控制器（或称调节器）控制器（或称调节器）根据系统输出量测值与设定根据系统输出量测值与设定 值值r的偏差，按照一定的控制算法输出控制量的偏差，按照一定的控制算法输出控制量u，对，对被控过程进行控制。被控过程进行控制。执行机构（如：调节阀）执行机构（如：调节阀）接受控制器（调节器）送来接受控制器（调节器）送来的控制信息调节

6、被控量，达到预期的控制目标。的控制信息调节被控量，达到预期的控制目标。 过程的输出信号通过检测与变送仪表，反馈到控制过程的输出信号通过检测与变送仪表，反馈到控制器的输入端，构成器的输入端，构成闭环控制系统闭环控制系统。 FT流量变送器FC流量控制器FTFC34251氧气转炉图1.2 转炉供氧控制系统.转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的铁水装入转转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪供给转炉一定的氧气，进行吹氧炉后，通过氧枪供给转炉一定的氧气，进行吹氧。使铁水中的碳氧化燃烧，不断降低铁水中的含。使铁水中的碳氧化燃烧，不断降低铁水中的含碳量。碳量。.控制吹氧量和吹氧时间，可以获

7、得不同品种的钢产控制吹氧量和吹氧时间，可以获得不同品种的钢产品。品。 .由图可见，从节流装置由图可见，从节流装置1采集到的氧气流量，送入流采集到的氧气流量，送入流量变送器量变送器FT2，再经过开方器，再经过开方器3，其结果送到流量，其结果送到流量控制器（调节器）控制器（调节器）FC4作为流量反馈值，与供氧量作为流量反馈值，与供氧量的设定值比较，得到偏差值，经过流量控制器（的设定值比较，得到偏差值，经过流量控制器（调节器）调节器）FC4进行进行PID运算运算，输出控制信号，去控，输出控制信号，去控制调节阀制调节阀5的开度，从而改变供氧量的大小，以满的开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺要求

8、。足生产工艺要求。1.2.1 系统组成系统组成1.2.2 过程控制系统特点过程控制系统特点 1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点一过程工业的特点一过程工业的特点v过程控制是指连续过程工业，过程控制是指连续过程工业，v特点主要指连续过程生产。特点主要指连续过程生产。v过程工业是十分复杂的大系统，过程工业是十分复杂的大系统，v存在不确定性、时变性以及非线性等因素。存在不确定性、时变性以及非线性等因素。v过程控制的难度是显而易见的过程控制的难度是显而易见的.v工业过程生产环境恶劣，生产条件苛刻，工业过程生产环境恶劣，生产条件苛刻，v采用智能控制方法和计算机控制技术。采用智能控制方

9、法和计算机控制技术。二、过程控制系统的特点二、过程控制系统的特点 1.被控过程的多样性被控过程的多样性 石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程、核工石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程。业中的动力核反应过程。过程控制系统中的被控对象（被控量）是多样的过程控制系统中的被控对象（被控量）是多样的.2.控制方案的多样性控制方案的多样性 生产工业的特点、被控过程的多样性决定控生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。制方案的多样性。系统硬件和控制算法、软件设计。系统硬件和控制算法、软件设计。 过程检测控制仪表过程检测控制仪表:调节仪表，控制器、执行机构（调节仪表，控制器

10、、执行机构（调节阀）和检测与变送仪表。调节阀）和检测与变送仪表。仪表控制系统：仪表控制系统：由被控过程和过程检测控制仪表由被控过程和过程检测控制仪表 两部分组成。两部分组成。控制方法上控制方法上:单变量过程控制系统、多变量过程控单变量过程控制系统、多变量过程控 制系统。制系统。控制算法：控制算法：PID控制、智能控制等。控制、智能控制等。3.被控过程属慢过程、多参数控制被控过程属慢过程、多参数控制 连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。被控过程为慢过程。4.定值控制定值控制 被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外被控参数的设定值为一个定

11、值，减小或消除外界干扰，使被控量尽量保持接近或等于设定值。界干扰，使被控量尽量保持接近或等于设定值。5过程控制多种分类方法过程控制多种分类方法v按被控参数分类：按被控参数分类： 温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性控制系统、成分控制系统控制系统、成分控制系统v 按被控量数分类：按被控量数分类： 单变量过程控制系统、多变量过程控制系统单变量过程控制系统、多变量过程控制系统v 按设定值分类：按设定值分类： 定值控制系统、随动（伺服）控制系统定值控制系统、随动（伺服）控制系统v按参数性质分类：按参数性质分类：集中参数控制系统、分布参数控制系统集中参数控

12、制系统、分布参数控制系统v按控制算法分类：按控制算法分类：简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统系统v按控制器形式分类：按控制器形式分类：常规仪表过程控制系统、计算机过程控制系统常规仪表过程控制系统、计算机过程控制系统 v准确性、稳定性和快速性。准确性、稳定性和快速性。v定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系统定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。值。v随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即稳随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地跟踪设

13、定值。、准、快地跟踪设定值。1.3过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标1衰减比和衰减率衰减比和衰减率v衰减比衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。等于两个相邻同向波峰值之比。v衡量振荡过程衰减程度的指标衡量振荡过程衰减程度的指标。31yy 衰减率衰减率经过一个周期以后，波动幅度衰减的百经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数分数 衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。 131yyy v过程控制系统的衰减比为过程控制系统的衰减比为4：1到到10：1，v相当于衰减率相当于衰减率=0.75到到0.9。v若衰减率若衰减率=0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。大约振荡两

14、个波系统进入稳态。 2.最大动态偏差和超调量最大动态偏差和超调量v最大动态偏差最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的第一个波峰第一个波峰.v超调量超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。v最大动态偏差是过程控制系统动态准确性的衡量最大动态偏差是过程控制系统动态准确性的衡量指标。指标。3.余差余差v余差余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。设定值的差值。v它是过程控制系统稳态

15、准确性的衡量指标。它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。4.调节时间调节时间ts和振荡频率和振荡频率v调节时间调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间。是从过渡过程开始到结束的时间。v理论上它应该为无限长。一般认为当被控量进入理论上它应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳态值的其稳态值的 5%范围内，就算过渡过程已经结束范围内，就算过渡过程已经结束，这时所需时间就是调节时间，这时所需时间就是调节时间. 调节时间是过程控制系统快速性的指标。调节时间是过程控制系统快速性的指标。v过渡过程的过渡过程的振荡频率振荡频率是振荡周期的倒数，即是振荡周期的倒数，即 p2v在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节

16、时间越在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调节时短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调节时间越短。间越短。v振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标。统快速性的指标。1.4.1 过程控制装置进展过程控制装置进展 在二十世纪在二十世纪40年代以前，处于手工操作状态，操年代以前，处于手工操作状态，操作工人通过对火候、冷热、色泽、形状等的观察作工人通过对火候、冷热、色泽、形状等的观察来调整生产过程。来调整生产过程。 二十世纪二十世纪50年代前后，实现仪表控制和局部自动年代前后，实现仪表控制和局部自动化

17、。采用的是基地式仪表和部分组合仪表，化。采用的是基地式仪表和部分组合仪表， 二十世纪二十世纪60年代随着电子技术的迅速发展，采用年代随着电子技术的迅速发展，采用单元组合仪表（包括气动与电动）以及组装仪表单元组合仪表（包括气动与电动）以及组装仪表。以。以420mA和和010mA电动模拟信号为统电动模拟信号为统一标准信号的电动模拟控制系统。一标准信号的电动模拟控制系统。 1.4过程控制的进展过程控制的进展与此同时，计算机开始用于过程控制领域。与此同时，计算机开始用于过程控制领域。1946年世界上第一台计算机诞生。年世界上第一台计算机诞生。1959年工业控制计算机（年工业控制计算机（Process

18、Control Computer,如如TR300等）便在化肥厂和炼油厂等）便在化肥厂和炼油厂试用于控制生产过程。试用于控制生产过程。v60年代中期，出现了用计算机实现的直接数字控年代中期，出现了用计算机实现的直接数字控制制DDC（Direct Digital Control ）系统和计）系统和计算机监控算机监控SCC(Supervisory Computer Control)系统。系统。1.4.1 过程控制装置进展过程控制装置进展 v二十世纪二十世纪70年代中期，推出了分布式计算机控制年代中期，推出了分布式计算机控制系统系统DCS（Distributed Control System，集散系统

19、）和可编程序控制器（集散系统）和可编程序控制器（PLC）.v二十世纪二十世纪80年代以来，一方面分布式计算机控制年代以来，一方面分布式计算机控制系统系统DCS成为流行的过程控制系统；另一方面，成为流行的过程控制系统；另一方面，兼顾连续控制和逻辑控制兼顾连续控制和逻辑控制/顺序控制功能的复合顺序控制功能的复合控制系统控制系统HCS（Hybrid Control System）得到发展。它可以是基于得到发展。它可以是基于DCS而增添逻辑顺序功而增添逻辑顺序功能的系统，也可以是基于能的系统，也可以是基于PLC而增添连续控制功而增添连续控制功能的系统。能的系统。 1.4.1 过程控制装置进展过程控制装

20、置进展 v另外，各厂家相继推出了各种数字化智能变送器和另外，各厂家相继推出了各种数字化智能变送器和智能化数字执行器，以现场总线（智能化数字执行器，以现场总线（Fieldbus）为）为标准，实现以微处理器为基础的现场总线网络控制标准，实现以微处理器为基础的现场总线网络控制系统系统FCS（Fieldbus Control System）。现）。现场总线控制系统场总线控制系统FCS进一步将控制功能分散，增强进一步将控制功能分散，增强了系统的灵活性和可靠性。了系统的灵活性和可靠性。1.4.1 过程控制装置进展过程控制装置进展 v在控制装置发展的同时，产生出许多智能传感器在控制装置发展的同时，产生出许多

21、智能传感器和执行器。能提供仪表状态和诊断的信息，具有和执行器。能提供仪表状态和诊断的信息，具有通讯功能，便于调试、投运、维护和管理。通讯功能，便于调试、投运、维护和管理。 v一些重要的生产过程逐渐采用技术先进在线分析一些重要的生产过程逐渐采用技术先进在线分析仪器，如：近红外、质谱、色谱、专用生化过程仪器，如：近红外、质谱、色谱、专用生化过程传感器等等。随着各种光、机、电传感技术以及传感器等等。随着各种光、机、电传感技术以及厚膜电路等先进加工工艺的广泛应用，使工业仪厚膜电路等先进加工工艺的广泛应用，使工业仪表显得异彩纷呈。表显得异彩纷呈。 1.4.1 过程控制装置进展过程控制装置进展 v近年来，

22、以太网技术逐渐渗入到工业自动化领域近年来，以太网技术逐渐渗入到工业自动化领域。随着高速以太网的到来，智能以太网交换机的。随着高速以太网的到来，智能以太网交换机的使用和耐工业环境（防尘、防潮、防爆、耐腐蚀使用和耐工业环境（防尘、防潮、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等）以太网器件的面市，工业以太、抗电磁干扰等）以太网器件的面市，工业以太网将会更加广泛地在工业自动化中得到应用，从网将会更加广泛地在工业自动化中得到应用，从而使过程控制系统更为灵活、方便和经济。而使过程控制系统更为灵活、方便和经济。1.4.1 过程控制装置进展过程控制装置进展 v过程控制策略与算法出现了三种类型：过程控制策略与算法出现了三种类

23、型：简单控制、复杂控制与先进控制简单控制、复杂控制与先进控制.v通常将单回路通常将单回路PID控制称为简单控制。控制称为简单控制。PID控制控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合。目前，系统进行分析设计与综合。目前，PID控制仍然控制仍然得到广泛应用。在许多得到广泛应用。在许多DCS和和PLC系统中，均设系统中，均设有有PID控制算法软件，或控制算法软件，或PID控制模块。控制模块。1.4.2 过程控制策略与算法的进展过程控制策略与算法的进展v从二十世纪从二十世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了年代开始，过程控制界逐渐发

24、展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制预估控制等控制策略与算法，称之为等控制策略与算法，称之为复杂复杂控制。控制。v二十世纪二十世纪70年代中后期，出现了以年代中后期，出现了以DCS和和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。了强有力的硬件与软件平台。1.4.2 过程控制策略与算法的进展过程控制策略与算法的进展v从从80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程本身的非线性、时的理论基础上，针对工业过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行变性、耦合性和不确