东华大学 过程控制 ppt 1 概述

1、estest1 1 概述概述本章学习内容本章学习内容v1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标v1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点v1.3 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标v1.4 过程控制的进展过程控制的进展第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标自动化技术应用于冶金工业自动化技术应用于冶金工业自动化技术应用于石油化工自动化技术应用于石油化工自动化技术应用于电力工业自动化技术应用于电力工业自动化技术应用于轻工业自动化技术应用于轻工业过过 程程 控控 制制 生产过程生产过程物理变化物理变化化学变化化学变化

2、生化反应生化反应物质能量的传递物质能量的传递还原过程还原过程高炉物料流程及设备示意图 是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制。控制。 各种生产过程中的各种生产过程中的温度、压力、流量、液位温度、压力、流量、液位(或或物位物位)、以及成分、以及成分等参数的自动监测和控制问题。等参数的自动监测和控制问题。 在充分了解在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性生产过程的工艺流程和动静态特性的的基础上，应用控制理论对系统进行分析与综合，基础上，应用控制理论对系统进行分析与综合，以

3、生产过程中以生产过程中物流变化信息量作为被控量物流变化信息量作为被控量，选用，选用适宜的技术手段和自动化装置适宜的技术手段和自动化装置，达到优质、高产、，达到优质、高产、低耗的控制目标。低耗的控制目标。 安全性安全性 越限、事故报警；连锁保护；故障预测与诊断；容错越限、事故报警；连锁保护；故障预测与诊断；容错 稳定性稳定性 抑制干扰、保持生产过程的稳定运行抑制干扰、保持生产过程的稳定运行 经济性经济性 低成本、高效益、少能耗低成本、高效益、少能耗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v1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点第一章第一章 概述概

4、述-过程控制过程控制电加热锅炉控制方案电加热锅炉控制方案 电加热锅炉控制方案电加热锅炉控制方案电加热锅炉控制方案电加热锅炉控制方案 电加热锅炉控制方案电加热锅炉控制方案v液位自动控制 LT LC保护保护装置装置检测检测/变送变送控制控制器器执行执行机构机构被控被控对象对象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； 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. .过程控制系统的组

5、成与特点过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点实例：液位控制系统1 1被控过程（或对象）；被控过程（或对象）；2 2用于生产过程参数检测用于生产过程参数检测的检测与变送仪表；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；5 5报警、保护和连锁等其报警、保护和连锁等其它部件它部件. .过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点被控过程（或对象）被控过程（或对象）过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点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；过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点执行机

6、构执行机构过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点控制器控制器工业控制计算机工业控制计算机过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点控制器控制器数字化调节仪表数字化调节仪表过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点实例：温度控制系统实例：流量控制系统过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点控制系统的描述方法v带控制点的工艺流程图(控制流程图)：在工艺流程图上借助图形符号和字符描述的控制方案，其基本规则是：圆圈：表示仪表/仪器实线：传递信号的线缆或管道利用专用符号表示某种特定功能的设备。如各类阀门、检测采样点、特定的检测仪器、电机等。圆圈中用水平实线或虚线/单线或双线

7、表示仪表安装的位置，用字符组合描述每一个控制方案的特征、仪表的作用、及仪表的分组编号。过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点示例：控制流程图过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点示例：控制流程图过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点示例：控制流程图过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点仪表标注符号的含义FIC表示被控量的类型:F流量T 温度L 物位P 压力A 成分表示该仪表的功能：A-报警C-控制I-指示T-传送R-打印/记录E-检测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系统框图-描述系统的工作原理，对系统的工作特性进行分析和比较，其基本规则

8、为：以矩形框表示系统中的每一个环节，两个环节间设一条带箭头的连线表示其相互关系和信号传递方向。Cryre) () (第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制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v1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制一、过程工业的特点一、过程工业的特点v 生产过程的连续性生产过程的连续性v 复杂的大系统，复杂的大系统， 存在不确定性、时变性以及非存在不确定性、时变性以及非线性等因素线性等因素v 生产环境恶劣，生产条件苛刻生产环境恶劣，生产条件苛刻 高温、低温、高压、真空、易爆、有毒高温

9、、低温、高压、真空、易爆、有毒所以，工业过程控制的特点所以，工业过程控制的特点v 强调实时性和整体性强调实时性和整体性v 全局优化的重要性全局优化的重要性v 安全性要求安全性要求第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制二、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石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程 被控量的多样性：压力被控量的多样性：压力 温度温度 流量流量 液位液位 2. 控制方案的多样性控制方案的多样性 系统硬件系统硬件 调节仪表、控制器、执行机构（调节阀）、检测与变调节仪表、控制器、执行机构（调节阀）、检测与变送仪

10、表送仪表 控制算法控制算法 PID控制、复杂控制、先进控制、智能控制等控制、复杂控制、先进控制、智能控制等 软件设计软件设计第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制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决定了被控过程为慢过程连续工业过程大惯性和大滞后决定了被控过程为慢过程 被控量有压力、流量、液位、温度、成分等多个被控量有压力、流量、液位、温度、成分等多个4. 定值控制定值控制 被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，被控参数的设定值为一个定值，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使被控量尽量保持接近或等于设定值。第一

11、章第一章 概述概述-过程控制过程控制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）控制系统第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制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制系统、分布参数控制系统

12、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 第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制v1.3 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标v稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性 定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系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、快地保持统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于接近或等于设定值。设定值。 随动（伺服）控制系统的主要目标是跟

13、踪，即随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地稳、准、快地跟踪跟踪设定值。设定值。第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制过程控制系统的性能指标v目的：确定系统的快速性、稳定性、准确性v讨论方法：以阶跃输入信号的响应曲线的过渡过程特性为标准。过渡过程曲线分为以下两种类型： 设定值变化：随动控制系统阶跃响应方式 外部干扰影响：定值控制系统阶跃响应方式过程控制系统的性能指标21BB余差余差 系统准确指标系统准确指标衰减比或衰减率衰减比或衰减率 系统稳定性指标系统稳定性指标超调量或最大动态偏差超调量或最大动态偏差 系统稳定性指标系统稳定性指标调节时间或振荡频率调节时间或振荡频率 系统快速

14、性指标系统快速性指标v余差：它是控制系统的最终稳态偏差e()。在阶跃输入作用下，余差为： 定值控制系统中，r =0，因此有：e()= -C。余差是控制系统稳态准确性指标。%1001%10012121BBBBB过程控制系统的性能指标v衰减比：衰减比是控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：v 衰减率也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即： %1001CBCBA13.2 控制系统的性能指标控制系统的性能指标1 (1 (10) 衰减振荡无穷大 (=1) 为非周期过程的理想值410 （ =0.750.9）过程控制系统的性能指标v超调量和最大动态偏

15、差： 随动控制系统中，超调量（Overshoot）定义为： 定值控制系统中采用最大动态偏差A表示超调程度。即： P2min)(0dtteJ3.2 控制系统的性能指标控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标v过渡过程时间ts和振荡频率 ：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值5%或2%范围内的时间称为过渡过程时间ts（Settling time）。过渡过程时间是控制系统的快速性指标。 振荡频率与振荡周期p的关系是 在相同衰减比n下，振荡频率越高，过渡过程时间ts越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，过渡过程时间ts越短。min) (0dtt e tJ3.2 控制系统的性能指标控制系统的性能指标过程控制

16、系统的性能指标v 偏差积分指标：偏差积分指标与前面几项指标不同，它们以目标函数方式表示对控制质量的综合评价，属于综合性指标。偏差绝对积分（IAE）：偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE）：偏差平方值积分（ISE）：时间乘偏差平方值积分（ITSE）：3.2 控制系统的性能指标控制系统的性能指标min)(02dtteJmin)(02dttteJNoImageNoImage过程控制系统的性能指标第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制1.4.1 过程控制装置的进展过程控制装置的进展1.4.2 过程控制策略与算法的进过程控制策略与算法的进展展v1.4 过程控制的进展过程控制的进展第一章第一章 概述概述

17、-过程控制过程控制1.4.1 过程控制装置的进展过程控制装置的进展1.4.2 过程控制策略与算法的进过程控制策略与算法的进展展v1.4 过程控制的进展过程控制的进展v二十世纪二十世纪40年代以前年代以前 手工操作状态手工操作状态v 二十世纪二十世纪50年代前后年代前后 基地式仪表和部分组合基地式仪表和部分组合仪表（仪表控制和局部仪表（仪表控制和局部自动化）自动化） 多用气动仪表进行测量多用气动仪表进行测量与控制与控制 v 二十世纪二十世纪60年代年代 气动、电动单元组合仪表气动、电动单元组合仪表 “组合组合” 检测、显示、调节和操作等单元仪表的组合检测、显示、调节和操作等单元仪表的组合 气动单

18、元组合仪表以气动单元组合仪表以0.020.1MPa为标准信号为标准信号 电动单元组合仪表以电动单元组合仪表以010mA标准信号标准信号（DDZ型仪表）型仪表）v二十世纪二十世纪60年代中期年代中期 直接数字控制系统直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control） 计算机监控系统计算机监控系统SCC（Supervisory Computer Control） 采用中央仪表控制室对工业生产过程进行操作、监采用中央仪表控制室对工业生产过程进行操作、监视和控制视和控制监督控制系统结构图监督控制系统结构图直接数字控制系统结构图直接数字控制系统结构图v二十世纪二十世纪70年代中期年代

19、中期 标准信号为标准信号为420mA的的DDZ型仪表型仪表 分布式计算机控制系统（集散系统）分布式计算机控制系统（集散系统）DCS（Distributed Control System） 可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）v 80年代以来年代以来 DCS成为流行的过程控制系统成为流行的过程控制系统 国外的国外的DCS系统系统 美国的美国的HONEYWELL、日本的横河、日本的横河YAKOGAWA、德国的德国的SIEMENS 国内的国内的DCS系统系统 北京的和利时、浙大中控北京的和利时、浙大中控集散控制系统的基本结构集散控制系统的基本结构v 近年来近年来 数字化智能变送器和智能化数字执行

20、器数字化智能变送器和智能化数字执行器 实现信息采集、显示、诊断、处理、传输以及优化实现信息采集、显示、诊断、处理、传输以及优化控制等功能；控制等功能； 便于调试、投运、维护和管理。便于调试、投运、维护和管理。 现场总线网络控制系统现场总线网络控制系统FCS（Fieldbus Control System） 以现场总线（以现场总线（Fieldbus）为标准，实现以微处理器）为标准，实现以微处理器为基础，进一步将控制功能分散，增强了系统的灵为基础，进一步将控制功能分散，增强了系统的灵活性和可靠性。活性和可靠性。 FF ( Foundation Fieldbus，基金会现场总线，基金会现场总线 )

21、) Profibus ( Process Fieldbus ), 西门子公司为主西门子公司为主 HART ( Highway Addressable Remote Tranducer，可寻址远程传感，可寻址远程传感器数据通路器数据通路 ) CAN ( Controller Area Network，控制局域网络，控制局域网络 ) LonWorks ( Local Operating Network，局部操作网，局部操作网)现场总线控制系统的硬件配置示意图现场总线控制系统的硬件配置示意图规模由小到大，结构由简单到复杂规模由小到大，结构由简单到复杂分散化、网络化、智能化分散化、网络化、智能化第一章

22、第一章 概述概述-过程控制过程控制1.4.1 过程控制装置的进展过程控制装置的进展1.4.2 过程控制策略与算法的进过程控制策略与算法的进展展 1.4 过程控制的进展过程控制的进展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 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型： 简单控制简单控制 复杂控制复杂控制 先进控制先进控制第一章第一章 概述概述-过程控制过程控制v简单控制简单控制单回路单回路PID控制控制 应用广泛，许多应用广泛，许多DCS和和PLC系统均设有系统均设有PID控控制算法软件，或制算法软件，或PID控制模块。控制模块。v复杂控制复杂控制（50年代始）年代始） 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预估控制等预估控制等v先进过程控制先进过程控制（80年代始）年代始） 解耦控制、推断控制、预测控制、自适应控制解耦控制、推断控制、预测控制、自适应控制制等制等 专家系统、