北邮过程控制第1节

1、Beijing University of Posts and Telecommunications*1过过 程程 控控 制制李忠明李忠明homework_Beijing University of Posts and Telecommunications*2教材教材 ：过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 第第2版版学时：学时：32学时学时 （选修考试）（选修考试）成绩分配：平时成绩分配：平时40 (出勤、课堂练习、期中考试出勤、课堂练习、期中考试) 期末考试期末考试60期末考试：闭卷期末考试：闭卷潘永湘潘永湘 机械工业出版社机械工业出版社 2011Beijing University

2、of Posts and Telecommunications*3本课程的教学要求 掌握常见自动化仪表的原理和过程对象的建模方法 掌握PID类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案 掌握常见过程控制系统（串级、前馈、大时延过程的补偿控制）的设计方法。 掌握特殊要求的过程控制系统（比值、均匀、分程、选择性控制）的基本类型与性能指标选择性控制系统的基本概念、工作过程分析 。 了解复杂过程控制系统以及先进控制算法，熟悉其设计思想、概念、特点及适用场合Beijing University of Posts and Telecommunications 第第1 1章章 绪论绪论1 1）掌

3、握过程控制的定义、要求和任务，）掌握过程控制的定义、要求和任务， 了解过程控制的发展状况；了解过程控制的发展状况；2 2）掌握过程控制系统的组成、特点、类型及其性）掌握过程控制系统的组成、特点、类型及其性能指标；能指标；3 3）了解过程控制系统设计步骤和仪表的类型与发）了解过程控制系统设计步骤和仪表的类型与发展；展；4 4）掌握仪表的信号制及防爆系统的构成。）掌握仪表的信号制及防爆系统的构成。Beijing University of Posts and Telecommunications*5 一、什么是过程控制？它有何作用？适用的生产过程一、什么是过程控制？它有何作用？适用的生产过程 生产

4、过程自动化的简称生产过程自动化的简称 生产工程系统（流程工业）生产工程系统（流程工业） 控制温度、压力、流量、液位、成分等控制温度、压力、流量、液位、成分等 Beijing University of Posts and Telecommunications*6二、过程控制的特点、任务及功能要求二、过程控制的特点、任务及功能要求 （一）（一） 过程控制的特点过程控制的特点 1.组成（过程，系列化仪表）组成（过程，系列化仪表） 2.设计难（过程的复杂性，模型的不精确性）设计难（过程的复杂性，模型的不精确性） 3.要求高（控制方案丰富）要求高（控制方案丰富） 4.慢过程、参量控制慢过程、参量控制

5、5.定值控制定值控制Beijing University of Posts and Telecommunications*7（二）（二） 过程控制的要求、功能过程控制的要求、功能 1.要求要求 安全性、稳定性、经济性安全性、稳定性、经济性 2.功能功能 （1）测量变送与执行；）测量变送与执行； （2）操作安全与环保；）操作安全与环保； （3）常规与高级控制；）常规与高级控制； （4）实时优化；）实时优化； （5）决策与计划）决策与计划Beijing University of Posts and Telecommunications*8加热炉首位字母首位字母FLPT EA后续字母后续字母TC

6、流量物位压力温度 电压分析传送控制 Beijing University of Posts and Telecommunications*9三三 设计步骤设计步骤1.确定控制目标确定控制目标 1）热油出口温度稳定）热油出口温度稳定 2）出口温度与烟道气含）出口温度与烟道气含 氧量稳定氧量稳定 3）温度稳定与热效率最高）温度稳定与热效率最高Beijing University of Posts and Telecommunications*102.2.选择被控参数选择被控参数 直接参数与间接参数直接参数与间接参数3 3 选择控制量选择控制量 燃料油流量与冷油流量燃料油流量与冷油流量出口温度出口温

7、度 挡板开度与送风挡板挡板开度与送风挡板含氧量含氧量Beijing University of Posts and Telecommunications*114.确定控制方案确定控制方案 简单与复杂简单与复杂 单输入与多输入单输入与多输入 最优控制最优控制5.选择控制策略选择控制策略 PID 高级过程控制高级过程控制6.选择执行器选择执行器 气动与电动气动与电动Beijing University of Posts and Telecommunications*12开大阀门还是逃命？温度指示l手动操作l气动设备l电动设备冷却阀由人直接根据指示来调节阀门Beijing University of

8、 Posts and Telecommunications*137.设计报警与联锁保护系统设计报警与联锁保护系统 高、低限值高、低限值 加热炉停车程序：停燃油泵加热炉停车程序：停燃油泵关关燃油阀燃油阀停引风机停引风机切断热油阀切断热油阀8.工程化设计工程化设计9.系统投运、调试和整定参系统投运、调试和整定参数数Beijing University of Posts and Telecommunications*14（一）基于仪表的局部自动化阶段（一）基于仪表的局部自动化阶段 5050年代，基地、单元组合、气动式，单输入年代，基地、单元组合、气动式，单输入/ /单输出、单输出、 经典控制理论经典

9、控制理论（二）基于仪表（二）基于仪表/ /计算机的综合自动化阶段计算机的综合自动化阶段 6060年代，单元组合、组装式，高性能、特殊要求控制，年代，单元组合、组装式，高性能、特殊要求控制，计算机控制，多输入计算机控制，多输入/ /多输出，现代控制理论多输出，现代控制理论（三）基于网络的全盘自动化阶段（三）基于网络的全盘自动化阶段 7070年代，智能仪表、成分在线、安全防爆、集散控制、年代，智能仪表、成分在线、安全防爆、集散控制、现场总线控制、现场总线控制、CIPSCIPSBeijing University of Posts and Telecommunications*15中央控制室现场显示

10、现场调节电缆，可能有几百米长中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门传感器、现场显示和阀门都在生产现场Beijing University of Posts and Telecommunications*16（1）被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；（2）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；（3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；(一）一）五五 Beijing University of Posts and Telecommunications*17（4）设定值r(t)：与被控参

11、数相对应的设定值；（5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；（6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的输出值。(一）一）五五 自动化仪表自动化仪表Beijing University of Posts and Telecommunications*18（二）过程控制系统的分类（二）过程控制系统的分类1.1.分类方法分类方法（被控量名称、多少、特定工艺、工具）；（被控量名称、多少、特定工艺、工具）；2.2.按结构分类：按结构分类：1）反馈控制；）反馈控制；2）前馈控制；）前馈控制；3）复合控制。）复合控制。3.3.按设定值分类：按设定值分类：1）定值控

12、制；）定值控制；2）伺服控制；）伺服控制；3）顺序控制。）顺序控制。Beijing University of Posts and Telecommunications*19 （1）调节时间）调节时间 上升时间上升时间 振荡频率振荡频率 tstspBeijing University of Posts and Telecommunications*20()( )100%( )pyyyt%1001n（3）最大动态偏差和超调量）最大动态偏差和超调量: 二阶系统：B1（2）残余偏差（稳态误差、静差）残余偏差（稳态误差、静差）:)()(yreBeijing University of Posts an

13、d Telecommunications*21衰减率定义为一个周衰减率定义为一个周期后波动幅度衰减的期后波动幅度衰减的程度程度:12BnB131BBB(2)衰减比衰减比n（衰减率（衰减率）两个相邻的同向波两个相邻的同向波峰值之比峰值之比:衰减比与衰减率的单值对应关系衰减比与衰减率的单值对应关系n 4:110:1 0.750.9Beijing University of Posts and Telecommunications*22min)(0dtteIAEmin)(02dtteISEmin)(0dttetITAEmin)(02dttteITSEBeijing University of Pos

14、ts and Telecommunications*23Beijing University of Posts and Telecommunications*24DDZBeijing University of Posts and Telecommunications*25数字式仪表：数字式仪表：能源供给能源供给直流集中供电的优点：直流集中供电的优点：1 1）体积）体积、重量、重量、温升、温升2 2）防停电能力）防停电能力 3 3）无交流，易于防爆）无交流，易于防爆不统一不统一信息格式、编码方式、信号发送与接收、接口标准等信息格式、编码方式、信号发送与接收、接口标准等Beijing Unive

15、rsity of Posts and Telecommunications*262 2）安全火花型防爆等级：）安全火花型防爆等级：30V DC;30V DC;最小引爆电流最小引爆电流（三）（三） 防爆仪表与防爆系统防爆仪表与防爆系统1.安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念 1）防爆性能：本质安全与非本质安全；）防爆性能：本质安全与非本质安全；级别级别最小引爆电流（最小引爆电流（mAmA）爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类i i120120甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，一氧化碳等甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，一氧化碳等7070i120i120乙烯，乙醚，丙烯腈等乙烯，乙醚，丙烯

16、腈等i70i70氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等如如DDZ-型仪表防爆等级为型仪表防爆等级为“He”：“H”-安全火花型；安全火花型；“”最小引爆电流为最小引爆电流为级，即低于级，即低于70mA；e-周围气体自燃温度为周围气体自燃温度为100，低于此温度，即可保证在低于此温度，即可保证在e组气体中不自燃起爆。组气体中不自燃起爆。Beijing University of Posts and Telecommunications*272.安全火花型防爆系统安全火花型防爆系统 条件条件: 现场仪表为安全火花型；安全防爆栅隔离。现场仪表为安全火花型；安全防

17、爆栅隔离。Beijing University of Posts and Telecommunications*28基本原理：基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流行限压、用固定电阻进行限流 。齐纳式安全栅齐纳式安全栅 安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。等。 当输入电压当输入电压Vi在正常范围（在正常范围（24V）内时，齐纳二极管

18、）内时，齐纳二极管VD不导通；不导通；当电压高于当电压高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压（约并达到齐纳二极管的击穿电压（约28V）时，齐纳二）时，齐纳二极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝使快速熔断丝FU很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻隔断。固定电阻R的作用是限制流往现场的电流。的作用是限制流往现场的电流。 Beijing University of Posts and Telecommunications检测仪表检测仪表B

19、eijing University of Posts and Telecommunications*30 axx %)100%(100 xxa（2 2）绝对误差）绝对误差xa仪表的实测值与仪表的实测值与“真值真值”之差之差Beijing University of Posts and Telecommunications*31 %100minmaxxxBeijing University of Posts and Telecommunications*32 2.2.检测误差的规律性检测误差的规律性（1 1）系统误差）系统误差 对同一被测参数进行多次重复测量时，按对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。一定规律出现的误差。 （2）随机误差或统计误差：统计计算、滤波消除）随机误差或统计误差：统计计算、滤波消除Beijing University of Posts and Telecommunica