过程控制绪论

1、先进过程控制先进过程控制内蒙古科技大学信息学院内蒙古科技大学信息学院李忠虎李忠虎 教授教授2012.92012.9换热器温度控制系统换热器温度控制系统多多变变量量解解耦耦控控制制热电单元机组热电单元机组大多数控制系统采用大多数控制系统采用PID控制算法控制算法 自自2020世纪世纪8080年代起，先进控制技术就已在工业界开始应用，年代起，先进控制技术就已在工业界开始应用，特别是多变量模型预测控制，现已广泛应用于复杂的炼油、石特别是多变量模型预测控制，现已广泛应用于复杂的炼油、石油化工、电力、冶金等实际工业生产过程，并取得了良好的控油化工、电力、冶金等实际工业生产过程，并取得了良好的控制效果。制

2、效果。 PIDPID控制算法控制算法是人们经过长期实践总结出来的、行之有效是人们经过长期实践总结出来的、行之有效的自动控制算法，目前大量的单变量控制都采用这种算法。然的自动控制算法，目前大量的单变量控制都采用这种算法。然而，现代复杂的工业生产过程，要求高效、低能耗、低污染，而，现代复杂的工业生产过程，要求高效、低能耗、低污染，且受各种扰动时整个生产过程都能平稳运行，这样，常规的单且受各种扰动时整个生产过程都能平稳运行，这样，常规的单回路回路PIDPID控制便不能很好地满足现代化工业生产过程控制的要控制便不能很好地满足现代化工业生产过程控制的要求，因此迫切需要在常规求，因此迫切需要在常规PIDP

3、ID控制算法的基础上，有一个能够控制算法的基础上，有一个能够实现全局稳定控制的算法，这就是实现全局稳定控制的算法，这就是先进控制算法先进控制算法。 章节安排章节安排l1 1 绪论绪论 l2 2 自动化仪表概述自动化仪表概述l3 3 过程控制系统概述过程控制系统概述l4 4 先进过程控制先进过程控制l5 5 典型工业过程控制工程典型工业过程控制工程参考书籍参考书籍l王树青王树青. .先进控制技术应用实例先进控制技术应用实例. .化学工业出版社化学工业出版社 l俞金寿俞金寿. .过程控制系统过程控制系统. .机械工业出版社机械工业出版社l杨斌杨斌. .过程控制过程控制. .清华大学出版社清华大学出

4、版社 l杨为民杨为民. .过程控制系统及工程过程控制系统及工程. .西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社l翁维勤翁维勤. .过程控制系统及工程过程控制系统及工程. .化学工业出版社化学工业出版社 l潘永湘潘永湘. .过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表. .机械工业出版社机械工业出版社1 1 绪论绪论过程控制的定义、特点、要求及功能过程控制的定义、特点、要求及功能 过程控制过程控制是生产过程自动化的简称，它泛指工业生产中连续的或按一定周期是生产过程自动化的简称，它泛指工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。程序进行的生产过程自动控制，是自

5、动化技术的重要组成部分。 过程控制的定义过程控制的定义汽轮发电机组汽轮发电机组火力发电厂外观火力发电厂外观连铸机连铸机大包回大包回转台转台使用常规仪表的中央控制室使用常规仪表的中央控制室早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统现代的现代的DCSDCS控制系统控制系统现代操作室现代操作室HOLLiASHOLLiASMACSMACS系统是由以太系统是由以太网和使用现场总线技术的控制网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站、操作网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通讯控制员站、现场控制站、通讯控制站、数据服务器组成的综合自站、数据服务器组成的综合自动化系统，完成动化系统，完成大型、中型

6、分大型、中型分布式控制系统（布式控制系统（DCSDCS）、大型大型数据采集监控系统（数据采集监控系统（SCADASCADA）功能。功能。和利时产品电厂辅网车间控制系统网络结构图电厂辅网车间控制系统网络结构图 大型供水泵站大型供水泵站SCADA系统解决方案系统解决方案哈尔滨环保局在线监测信息系统整体架构图哈尔滨环保局在线监测信息系统整体架构图 过程控制的特点过程控制的特点 系统由生产过程和系列化生产的自动化仪表组成；系统由生产过程和系列化生产的自动化仪表组成； 被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计； 控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；控制方案丰富多彩，

7、控制要求越来越高； 被控过程大多属于慢变过程与参量控制；被控过程大多属于慢变过程与参量控制； 定值控制是过程控制的主要形式。定值控制是过程控制的主要形式。 要求：要求： 安全性（确保人和设备安全，可采取报警或连锁保护等措施）安全性（确保人和设备安全，可采取报警或连锁保护等措施） 稳定性（具有抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力）稳定性（具有抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力） 经济性（生产成本低而效率高）经济性（生产成本低而效率高） 过程控制的要求及功能过程控制的要求及功能 功能（如图）功能（如图） 测量变送与执行功能测量变送与执行功能 操作安全与环境保护功能操作安全与环境保

8、护功能 常规控制与高级控制功能常规控制与高级控制功能 实时优化功能实时优化功能 决策管理与计划调度功能决策管理与计划调度功能现代过程控制的功能结构图1.2 1.2 被控参数（亦称被控变量）被控参数（亦称被控变量）y(t)： 被控过程内要求保持稳定的工艺参数；被控过程内要求保持稳定的工艺参数； 控制参数（亦称操纵变量）控制参数（亦称操纵变量）q(t)： 使被控参数保持期望值的物料量或能量；使被控参数保持期望值的物料量或能量； 干扰量干扰量 f(t)： 除被控参数外，作用于被控过程并引起除被控参数外，作用于被控过程并引起 被控参数变化的各种因数；被控参数变化的各种因数； 设定值设定值 r(t)：

9、与被控参数相对应的设定值；与被控参数相对应的设定值； 反馈值反馈值 z(t)： 被控参数经测量变送后的实际测量值；被控参数经测量变送后的实际测量值； 偏差偏差 e(t)： 设定值与反馈值之差；设定值与反馈值之差； 控制作用控制作用 u(t)： 控制器的输出值。控制器的输出值。 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 按按被控参数名称可分为：温度控制系统、压力控制系统、流量控制被控参数名称可分为：温度控制系统、压力控制系统、流量控制 系统、系统、 物位控制系统、成分控制系统；物位控制系统、成分控制系统； 按按被控参数的多少可分为：单变量控制系统、多变量控制系统；被控参数的多少可分为：单变量控制系统

10、、多变量控制系统； 按完成特定工艺要求按完成特定工艺要求可分为：比值控制系统、均匀控制系统、分程可分为：比值控制系统、均匀控制系统、分程 控制系统、选择性控制系统；控制系统、选择性控制系统； 按所用自动化工具按所用自动化工具可分为：常规仪表控制系统、计算机控制系统；可分为：常规仪表控制系统、计算机控制系统； 按结构不同按结构不同可分为可分为：反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系 统；统； 按设定值不同按设定值不同可分为可分为：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系定值控制系统、随动控制系统、程序控制系 统。统。1.3 1.3 过程控制系统设计概述过程控制

11、系统设计概述加热炉过程控制系统设计步骤(参考右图) 确定控制目标确定控制目标 热油出口温度稳定热油出口温度稳定 烟道气含氧量稳定烟道气含氧量稳定 热效率最高。热效率最高。 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 选择控制量选择控制量 燃料油流量燃料油流量或冷油流量或冷油流量出口温度出口温度 挡板开度或挡板开度或送风挡板送风挡板含氧量含氧量 确定控制方案确定控制方案 简单与复杂、单输入与多输入、最优简单与复杂、单输入与多输入、最优 控制控制 选择控制策略选择控制策略 PIDPID、高级过程控制、高级过程控制 选择执行器选择执行器 电动与气动电动与气动1.4 1.4 过程控

12、制的发展概况过程控制的发展概况 基于仪表的局部自动化阶段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、4 4大参数稳定、经典大参数稳定、经典控制理论）控制理论） 基于仪表基于仪表/ /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，计算机控制，多输年代，单元组合、组装式，高性能、特殊要求控制，计算机控制，多输入入/ /多输出，现代控制理论）多输出，现代控制理论） 基于网络的全盘自动化阶段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、

13、集散控制、现场总线控制）年代，智能仪表、成分在线、安全防爆、集散控制、现场总线控制） 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；加热炉停车程序：停燃油泵高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵关燃油阀关燃油阀停引风机停引风机切断热油阀切断热油阀 工程化设计工程化设计 用图样资料和文件资料表达控制系统的设计思想和实现过程，并能按图样进行用图样资料和文件资料表达控制系统的设计思想和实现过程，并能按图样进行 施工。施工。 系统投运、调试和整定参数系统投运、调试和整定参数1.5 1.5 过程控制系统的品质指标过程控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。控制系统的过渡过程是衡量

14、品质的依据。 多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。过程形式讨论控制系统的品质指标。 最大偏差最大偏差A A被控变量偏离给定值的最大数值被控变量偏离给定值的最大数值 A=230A=230200=30200=30（） 超调量超调量B B第一个波峰值与新稳定值之差第一个波峰值与新稳定值之差 B=230B=230205=25205=25（） 衰减比衰减比B B：BB 相邻两个波峰值之比相邻两个波峰值之比 B B：B= B= （230230205205）/ /（210210205205）=5=5：1 1 习惯上表示为习惯

15、上表示为 n n：1 1 ， 一般一般 n n 取取 4 4 10 10 之间之间 余差余差C C过渡过程终了时被控变量的新稳定值过渡过程终了时被控变量的新稳定值 与给定值之偏差与给定值之偏差 C=205C=205200=5200=5（ ） C = 0 C = 0 为无差调节系统为无差调节系统 C0 C0 为有差调节系统为有差调节系统 稳定时间稳定时间从干扰作用发生时刻起，直到建立从干扰作用发生时刻起，直到建立 新的平衡状态所需的时间。新的平衡状态所需的时间。 表示法：表示法：22min 22min （ 2% 2% ） 振荡周期或频率振荡周期或频率过渡过程同向两个波峰间间隔时过渡过程同向两个波

16、峰间间隔时 间为周期，周期的倒数为频率。间为周期，周期的倒数为频率。 T=20-5=15T=20-5=15（minmin） f=1/T=1/f=1/T=1/（60601515）0.0011(Hz)0.0011(Hz) 综合以上指标，对调节过程的调节效果进行评价时，一般可从综合以上指标，对调节过程的调节效果进行评价时，一般可从稳稳定性、准确性定性、准确性和和快速性快速性三方面考虑。这三方面往往相互矛盾。稳定性三方面考虑。这三方面往往相互矛盾。稳定性是首要考虑的因素，一般要求被控变量波动具有一定的衰减比（是首要考虑的因素，一般要求被控变量波动具有一定的衰减比（4 4：1 11010：1 1），也即

17、经过一到两个周期后就看不出明显的波动了，在稳），也即经过一到两个周期后就看不出明显的波动了，在稳定的前提下尽量满足准确性和快速性的要求。定的前提下尽量满足准确性和快速性的要求。1.6 1.6 联络信号和传输方式联络信号和传输方式 联络信号联络信号是指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号的类型和数值。是指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号的类型和数值。 联络信号类型：联络信号类型： 气动仪表：气动仪表：2020100KPa 100KPa 电动仪表：模拟信号电动仪表：模拟信号4 420mA DC20mA DC及及1 15V DC5V DC， 数字数字信号信号、频率信号、频率信号 说明：说

18、明： 信号下限从零开始有利于模拟量运算；信号下限从某值开始（活零点）信号下限从零开始有利于模拟量运算；信号下限从某值开始（活零点） 便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。 信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和 仪表防爆。仪表防爆。 联络信号联络信号 直流电流传输方式直流电流传输方式 电流信号传输时仪表之间的连接电流信号传输时仪表之间的连接R0I0IiRiRiRcm发送仪表接收仪表 电信号传输方式电信号传输方式00000000()100%icmicmicmiRIIIIRR

19、nRIIRnRRRnR为保证传输误差为保证传输误差在允许范围之内，应要求在允许范围之内，应要求R0Rcm+nRi，故有，故有 0100%cmiRnRR为减小传输误差，要求为减小传输误差，要求 R0足够大，而足够大，而Rcm 及及Ri 应比较小应比较小 直流电流传输误差分析直流电流传输误差分析 直流电流传输的特点直流电流传输的特点优点：优点：发送仪表输出电阻大，故电流信号适于远距传输。电流回发送仪表输出电阻大，故电流信号适于远距传输。电流回 路中串入一电阻，取压方便。路中串入一电阻，取压方便。缺点：缺点：回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作。各台仪回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作

20、。各台仪 表没有公共接地点，若要和计算机联用表没有公共接地点，若要和计算机联用, ,则应在仪表输入输则应在仪表输入输 出端采取直流隔离措施。出端采取直流隔离措施。 直流电压传输直流电压传输方式方式 电压信号传输时仪表之间的连接电压信号传输时仪表之间的连接接收仪表发送仪表RiRcmR0U0RcmIiRiRi00000000/)1 0 0 %/iicmicmcmiRnUUUURRRnUURRRRRn 为减小传输误差为减小传输误差,应满足应满足Ri/n R0 + Rcm ，故有，故有 0100%cmiRRnR 为减小传输误差，要求为减小传输误差，要求R0和和Rcm 尽量小，尽量小，Ri 大些。大些。

21、 直流电压传输误差分析直流电压传输误差分析 电压传输的特点电压传输的特点优点：优点：增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。 各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。缺点：缺点：要在引线电阻上产生电压降要在引线电阻上产生电压降, 信号受一定损失信号受一定损失, 且因接收仪表且因接收仪表 输入阻抗很高，易于引入干扰，所以电压信号不适于远距离输入阻抗很高，易于引入干扰，所以电压信号不适于远距离 传输。传输。 现场与控制室仪表之间采用直流电流信号，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号， 控制室内部仪表之间

22、采用直流电压信号。控制室内部仪表之间采用直流电压信号。 现场与控制室内仪表间的信号传输现场与控制室内仪表间的信号传输 要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因电源线和因电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流 提供的。提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的 半导体器件仍能半导体器件仍能正常工作。故正常工作。故信号电流下限值不能过低。信号电流下限值不能过低。电源装置现场现场控制室控制室四线制四线制两线制两线制现场现场电源装置控制室控制室接收仪表接

23、收仪表变送器变送器1.7 1.7 安全防爆基本知识和防爆措施安全防爆基本知识和防爆措施 安全防爆基本知识安全防爆基本知识 爆炸危险场所的区域划分爆炸危险场所的区域划分依据：依据：爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间0 0区区(Zone 0)(Zone 0)：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、频繁：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、频繁 地出现或长时间存在的场所。地出现或长时间存在的场所。1 1区区(Zone 1)(Zone 1)：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的 场所。场所。2 2区区(Zone 2)

24、(Zone 2)：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现， 或即使出现也是短时间存在的场所。或即使出现也是短时间存在的场所。 爆炸性气体的分级爆炸性气体的分级 按最大试验安全间隙按最大试验安全间隙MESG(MESG(火焰不能传播的最大间隙火焰不能传播的最大间隙) )和最小点燃电流比和最小点燃电流比MICRMICR来分级：可分为来分级：可分为A A、B B、C C三级。三级。 爆炸性物质的分组爆炸性物质的分组 组别组别引燃温度引燃温度 t/T T1 1t 450 T T2 2450t 300 T T3 3300t 200 组别组别引燃温度引燃温度 t

25、/T T4 4T T5 5135t 100 T T6 6100t 85 200t 135 按引燃温度可分为六组按引燃温度可分为六组 防爆电气设备的分类、分组防爆电气设备的分类、分组防爆电气设备分为两大类：防爆电气设备分为两大类： 类：类：煤矿用电气设备煤矿用电气设备 类：类：工厂用电气设备工厂用电气设备 类电气设备可进一步分为类电气设备可进一步分为A、B、C三级。三级。 工厂用电气设备防爆型式有以下八种：工厂用电气设备防爆型式有以下八种： 隔爆型隔爆型(d)、本质安全型、本质安全型(i)、增安型、增安型(e)、正压型、正压型(p)、 充油型充油型(o)、充砂型、充砂型(q)、浇封型、浇封型(m

26、)和无火花型和无火花型(n)。 本质安全型设备又可以分为本质安全型设备又可以分为ia和和ib两个等级。两个等级。 防爆防爆标志及其含义标志及其含义防爆标志由以下防爆标志由以下5 5个部分构成：个部分构成： 标志标志 EXEX表示该设备为防爆电气设备。表示该设备为防爆电气设备。 结构型式结构型式表明该设备采用何种措施进行防爆，如表明该设备采用何种措施进行防爆，如 d d为隔爆型，为隔爆型，i i为本安型等。为本安型等。 设备类别设备类别I I为煤矿井下用电设备，为煤矿井下用电设备，IIII为工厂用设备。为工厂用设备。 防爆级别防爆级别为为A A、B B、C C三级，表明防爆能力强弱。三级，表明防爆能力强弱。 温度组别温度组别为为T1T1T6T6六组，说明该设备的最高表面六组，说明该设备的最高表面 温度允许值。温度允许值。例如例如EX iaEX ia II C T5 II C T5表示表示IIII类本质安全型类本质安全型iaia等级等级B B级级T5T5组。组。 隔爆型仪表隔爆型仪表 具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内。具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内。它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力。这类它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力。这类仪表适