过程控制及仪表(5)

1、第一章第一章 绪绪 论论过程控制及仪表过程控制及仪表（过程控制系统篇过程控制系统篇）生产过程自动化的定义生产过程自动化的定义： 一般是指一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及热力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程材、陶瓷及热力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程自动控制。自动控制。一般不包括一般不包括电力拖动、电机运转等过程的自动控制。电力拖动、电机运转等过程的自动控制。过程控制系统：过程控制系统：把工业生产过程中的某一或某些物理参数（如把工业生产过程中的某一或某些物理参数（如温度、流温度、流量、压力、液位、浓度、成份量、压

2、力、液位、浓度、成份等）作为被控参数的控制系统，叫做过程等）作为被控参数的控制系统，叫做过程控制系统。控制系统。过程控制基本知识过程控制基本知识 生产过程：生产过程：广义的生产过程是动量传递、热量传递、质量传递的过程。广义的生产过程是动量传递、热量传递、质量传递的过程。由于各种干扰因素的影响，过程会出现不稳定，表现为工艺参数（如由于各种干扰因素的影响，过程会出现不稳定，表现为工艺参数（如温度、温度、流量、压力、液位、浓度、成份流量、压力、液位、浓度、成份等）的波动。等）的波动。 举例：水泥生产中的原料制备、炼油、陶瓷生产、原料输送、锅炉、举例：水泥生产中的原料制备、炼油、陶瓷生产、原料输送、锅

3、炉、发电、采矿、城市供水、化工、制药发电、采矿、城市供水、化工、制药 为了稳定参数，必须对某些参数加以控制为了稳定参数，必须对某些参数加以控制生产过程控制系统生产过程控制系统。第一节第一节 过程控制的特点过程控制的特点一、被控对象的多样化一、被控对象的多样化二、对象存在滞后二、对象存在滞后 现象：控制量改变时，输出量经历一段时间才发生变化。现象：控制量改变时，输出量经历一段时间才发生变化。 原因：原因：三、对象特性非线性三、对象特性非线性 四、控制系统比较复杂四、控制系统比较复杂 SeTsKSW1)(千变万化千变万化)S(W时时变变。变变，或或负负荷荷变变化化时时KKK 或无法得到传递函数。或

4、无法得到传递函数。Snn3n2n1nmm3m2m1me) 1ST).(1ST)(1ST)(1ST(S) 1ST).(1ST)(1ST)(1ST(K)S(W第二节第二节 过程控制系统发展概况过程控制系统发展概况一、初级阶段一、初级阶段 40年代，以基地式仪表为主的独立的定值控制系统。年代，以基地式仪表为主的独立的定值控制系统。二、仪表化阶段二、仪表化阶段 50年代，以气动、电动组合仪表和巡检装置为主的集中监控、集中操年代，以气动、电动组合仪表和巡检装置为主的集中监控、集中操作的控制系统。但系统之间的联系仍然较少。作的控制系统。但系统之间的联系仍然较少。三、综合自动化阶段三、综合自动化阶段 60年

5、代至今，各种计算机控制系统年代至今，各种计算机控制系统过程控制系统按过程控制系统按发展阶段发展阶段可以分成以下三个阶段可以分成以下三个阶段：第二节第二节 过程控制系统发展概况过程控制系统发展概况 过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程，展历程，按照过程控制装置与系统的发展过程按照过程控制装置与系统的发展过程也可以将过程控制系统的发也可以将过程控制系统的发展过程分为三个阶段：展过程分为三个阶段：1局部自动化阶段局部自动化阶段 （20世纪世纪 5060年代）年代）q自动化仪表安装在现场生产设自动化仪表安装在现场

6、生产设备上，只具备简单的测控功能。备上，只具备简单的测控功能。q适用于小规模、局部过程控制。适用于小规模、局部过程控制。 2模拟单元仪表控制阶段（模拟单元仪表控制阶段（20世纪世纪6070年代）年代）q自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。控制系统。q控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。q适用于生产规模较大的多回路控制系统

7、。适用于生产规模较大的多回路控制系统。第二节第二节 过程控制系统发展概况过程控制系统发展概况第二节第二节 过程控制系统发展概况过程控制系统发展概况3集散控制阶段（集散控制阶段（20世纪世纪70年代中期至今）年代中期至今） 但但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此，有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此， DDC系统并未得到广泛应系统并未得到广泛应用。用。 80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字的数字控制

8、仪表。基于控制仪表。基于 “集中管理，分散控制集中管理，分散控制” 的理念，在数字控制仪表和计的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（ DCS，Distributed Control System） 。 DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到广泛应用。广泛应用。 计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪

9、表，实现直接数字控制（算机取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（ DDC， Direct Digital Control ） 。 控制层网络控制层网络管理层网络管理层网络远程节点远程节点Web服务器服务器Internet 现场设备层现场设备层 操作站操作站 工程师站工程师站DCS的物理层次示意图的物理层次示意图 随着随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（能化。控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS，Field bus Control Syst

10、em)。 FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。产过程的检测、控制。 而用开放的、标准化的通信网络而用开放的、标准化的通信网络现场总线，将分散在现场的控制现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息集中管理。系统的通信连接起来，实现信息集中管理。第二节第二节 过程控制系统发展概况过程控制系统发展概况过程控制策略与算法发展过程控制策略与算法发展 伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展历程。

11、以经典控制理论为基础的历程。以经典控制理论为基础的PID 控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、值控制、前馈控制、均匀控制、Smith预估控制及选择性控制等控制策略。预估控制及选择性控制等控制策略。 随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。 第二节第二节 过程控制系统发展概况过程控制系统发展概况1、功能综合化，控制与管理一体化已成为

12、趋势，其应用领域和规模越来越大。、功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和规模越来越大。2、技术密集化、系统集成化是智能控制技术、网络通讯技术、计算机技术相结、技术密集化、系统集成化是智能控制技术、网络通讯技术、计算机技术相结合的产物。合的产物。3、系统的智能化程度和性能日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。、系统的智能化程度和性能日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。现代自动控制技术的主要特点现代自动控制技术的主要特点第三节第三节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成例：锅炉水位控制系统。见图例：锅炉水位控制系统。见图1-11-1。输入量输入量=输出量输出量时，系

13、统平衡，时，系统平衡，水位不变。水位不变。第三节第三节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成一、被控对象（被控过程、过程、对象）一、被控对象（被控过程、过程、对象） 生产过程中被控制的工艺设备和装置。生产过程中被控制的工艺设备和装置。如锅炉、加热炉、窑炉、球麽机、如锅炉、加热炉、窑炉、球麽机、分流塔、反应釜、料仓、输送带、管道等。分流塔、反应釜、料仓、输送带、管道等。二、检测元件和变送器二、检测元件和变送器 被控量：被控量：y y 单变量控制系统：只有一个被控量单变量控制系统：只有一个被控量 多变量控制系统：两个以上的被控量和多变量控制系统：两个以上的被控量和( (或或) )操纵量操纵量 被控

14、量由传感器检测，由变送器转换为标准信号。例如将被控量由传感器检测，由变送器转换为标准信号。例如将T T、L L、P P、H H、PHPH等转换成等转换成mVmV、位移信号，由变送器转换成、位移信号，由变送器转换成4-20mA DC4-20mA DC或或20-100kPa20-100kPa输出。输出。 变送器的输出就是被控量的测量值。变送器的输出就是被控量的测量值。控制器执行器控制对象测量元件、变送器设定值r偏差值e+-uqd扰动被控量y测量值z图1-2 过程控制系统原理框图第三节第三节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成三、控制器三、控制器 控制误差控制误差：根据：根据 e = z r 发出

15、控制命令发出控制命令 控制通道控制通道：被控量与输入控制作用之间的联系被称为：被控量与输入控制作用之间的联系被称为“控制通道控制通道”。 干扰通道干扰通道：被控量与扰动之间的联系被称为：被控量与扰动之间的联系被称为“干扰通道干扰通道”。 干扰、扰动干扰、扰动：使被控量发生变化的任何作用。（：使被控量发生变化的任何作用。（控制量作用除外）控制量作用除外） 内扰内扰：产生于控制通道内部，如锅炉给水压力波动引起的水位变化。：产生于控制通道内部，如锅炉给水压力波动引起的水位变化。 外扰外扰：产生于控制通道外部，如蒸气负荷变化引起的水位变化。：产生于控制通道外部，如蒸气负荷变化引起的水位变化。 当扰动产

16、生时，当扰动产生时，e = z r ，控制器发出控制命令，对系统进行自动控制。控，控制器发出控制命令，对系统进行自动控制。控制器的输出为制器的输出为 u。 第三节第三节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成四、执行器四、执行器 控制器的输出送至执行器，控制各种阀门调节工艺参数。控制器的输出送至执行器，控制各种阀门调节工艺参数。 执行器的种类：电动、气动、液动执行器的种类：电动、气动、液动五、控制阀五、控制阀 改变操纵量，使被控量受控制。改变操纵量，使被控量受控制。 阀门特性：线性、对数、快开、抛物线等阀门特性：线性、对数、快开、抛物线等 气开阀气开阀：有气（信号压力）便打开的阀称为气开阀，一旦

17、信号中断：有气（信号压力）便打开的阀称为气开阀，一旦信号中断阀便回到当初的原始状态（关闭）。阀便回到当初的原始状态（关闭）。 气关阀气关阀：有气（信号压力）才能关闭的阀称为气闭阀，一旦信号中：有气（信号压力）才能关闭的阀称为气闭阀，一旦信号中断阀便回到当初的原始状态（打开）。断阀便回到当初的原始状态（打开）。第三节第三节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成控制器正、反作用的确定过程控制器正、反作用的确定过程气关e=z-r观察开关分析眼脑手给水蒸气12345a给水蒸气12345定值器控制器变送器b图1-1 锅炉水位控制原理图1-锅筒 2-省煤器 3-过滤器 4-给水阀门 5-蒸气阀门hDhD第

18、三节第三节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成气开阀:KV0气关阀:KV0控制器反作用:Kp0检测量减小变送器输出增大:KM0当=Xi-Xs 时 ，必须满足：KpKvK0KM0控制器正反作用判别依据控制器正反作用判别依据:第四节第四节 过程控制系统的类别过程控制系统的类别 二、二、 按设定值的形式不同分按设定值的形式不同分： （一）、定值控制系统（一）、定值控制系统 设定值不变，以扰动为输入量的系统。设定值不变，以扰动为输入量的系统。系统克服扰动的影响，使被控参数基本保持系统克服扰动的影响，使被控参数基本保持不变。不变。 （二）、随动控制系统（二）、随动控制系统 系统的动态特性好，被控参数能

19、快速的系统的动态特性好，被控参数能快速的跟随设定值的变化。跟随设定值的变化。 （三）、程序控制系统（三）、程序控制系统 使被控对象按规定的程序自动运行。使被控对象按规定的程序自动运行。 常规过程仪表控制常规过程仪表控制系统，传输信号是连续系统，传输信号是连续变化的模拟信号。变化的模拟信号。以定以定值系统为主。值系统为主。一、一、 按是否采用计算机分按是否采用计算机分：常规仪表控制系统、计算机控制系统。：常规仪表控制系统、计算机控制系统。第五节第五节 过程控制系统的品质指标过程控制系统的品质指标 动态：动态：被控量随时间变化的不被控量随时间变化的不平衡状态，也叫瞬态。平衡状态，也叫瞬态。 静态：

20、静态：被控量不随时间变化的被控量不随时间变化的平衡状态。平衡状态。一、递减比一、递减比n（衰减比、递减率）（衰减比、递减率） 表示曲线变化一个周期后的表示曲线变化一个周期后的衰减程度。一般用衰减程度。一般用n ：1表示。表示。 习惯用习惯用4：1，即一周衰减了，即一周衰减了3/4，这样的系统被认为是好的。，这样的系统被认为是好的。21BBn y(t)B1B2C0.02或0.051.00.90.50.10A1TdTcTpTrtA2图1-4 过渡过程的品质指标阶跃扰动响应曲线有时用有时用10：1，如温度过程及其他变化缓慢的过程。，如温度过程及其他变化缓慢的过程。递减比也有用面积比来表示的递减比也有用面积比来表示的,图中相应曲线的递减比图中相应曲线的递减比:n=A1/A2第五节第五节 过程控制系统的品质指标过程控制系统