过程控制与自动化仪表(绪论)ppt课件

1、过程控制与自动化仪表湖南大学电气与信息工程学院涂春鸣.主要内容绪论检测仪表调理器执行器和防爆栅调理对象的特性及实验测定单回路调理系统设计及调理器参数整定复杂调理系统.主要内容绪论检测仪表调理器执行器和防爆栅调理对象的特性及实验测定单回路调理系统设计及调理器参数整定复杂调理系统.绪论 过程控制开展概略过程控制系统组成与分类过程控制特点及性能目的. 过程控制Process control是指用控制手段对延续消费过程的某些物理参数进展自动控制。采用各种检测仪表、调理仪表、控制安装、计算机等对整个消费过程进展自动检测、监视和控制。 石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等

2、许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。 过程控制定义 .过程控制与运动控制的关系 自动控制专业课过程控制运动控制过程控制研讨冶金、化工、石油、电力等工业过程中的温度、压力、流量、液位、成份PH值等六大参数的控制 运动控制研讨速度、位置控制，如电机调速、航天、机器人等 过程控制开展概略.炼油 .钢铁 .煤气 .污水处置.电力.石化.过程控制的开展简况 仪表化与部分自动化阶段20世纪5060年代综合自动化阶段20世纪60-70年代中期 全盘自动化阶段 20世纪70年代中期至今 过程控制开展概略.仪表化与部分自动化阶段5060年代 系统构造大多为单输入-单输出的单回路定值控制系统。过程检测控制

3、仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表，大多为气动仪表。坚持温度、压力、流量、液位等工艺参数的稳定，确保消费平安运转。分析和综合的实际根底为经典控制实际。过程控制开展概略.基地式仪表 普通与检测安装、显示安装一同组装在一个整体内同时具有检测、控制与显示的功能构造简单、价钱低廉、运用方便通用性差，信号不易传送普通运用于简单控制系统 过程控制开展概略压力控制器温度控制器.综合自动化阶段60-70年代中期 工业消费过程出现了一个车间甚至于一个工厂的综合自动化。过程检测控制仪表是单元组合仪表和组装式仪表。逐渐采用数字计算机以及以微处置器为根底的集散控制系统，出现了DDC和SPC。各种复杂的控制系统的出现

4、如串级控制、前馈反响复合控制、Smith预估控制以及比值、均匀、选择性控制等。分析和综合的实际根底开展到了现代控制实际。过程控制开展概略.单元组合仪表流量传感器流量控制器执行器.全盘自动化阶段70年代中期至今 实现了过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合 智能仪表如数字调理器、可编程控制器等，电动单元仪表实现了本质平安防爆；定值控制最优控制、自顺应控制； 单变量多变量； 仪表控制计算机分布式控制。计算机集成过程控制系统CIPS，计算机集成制造系统CIMS，集散控制系统DCS，现场总线控制系统FCS，企业资源规划ERP。经典控制+现代控制+智能控制过程控制开展概略.集中管理，分散控制基于数字

5、控制仪表和计算机与网络技术DCS， Distributed Control System.FCS，Fieldbus Control System由智能仪表构成的现场总线控制系统控制功能彻底下放到现场，依托现场智能仪表便可实现消费过程的检测、控制开放的、规范化的通讯网络.过程控制系统组成 过程控制系统组成：被控过程Process过程检测控制仪表Instrumentation被控过程是指运转中的多种多样的工艺消费设备 过程检测控制仪表包括：丈量变送元件Measurement控制器Controller执行机构Control Element过程控制系统组成与分类.图1为人工控制室温。为保证恒温室温符合

6、要求，操作人员要随时察看温度计的指示值，并随时判别和决议如何操作阀门来保证恒温要求，然后进展操作。 人的动作分三步： 眼看 脑想 手动图1 室温人工控制表示图送风回风恒温室温度计阀门实例 .眼看用传感器将温度信号转换为控制器可接受的信号。脑想控制器将输入的实测温度信号和要求值比较相减求偏向) ,并按偏向值计算出控制量。手动人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改动开度。人工控制受制于阅历和留意力，控制不准确。而自动控制按设定好的方案进展计算控制，可以做到准确的、恰当的控制。. 过程控制系统： 为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联络、制约的一些仪表、安装及工艺对象、设备构成的 一个整体。 图2为

7、室温自动控制系统，自动化仪表替代了人。图2 室温自动控制系统表示图1热水加热器；3控制器；2传感变送器；4执行器回风恒温室23送风热水M回水41TCTT. 在讨论控制系统任务原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，普通用原理框图来表示控制系统。 如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调理阀和加热器及房间组成。给定值被控变量干扰f 控制器 变送器调理阀加热器及房间 +e实测值. 用通用称号表示为： 给定值被控变量干扰f 控制器 变送器执行器被控对象+e实测值 过程控制系统的主要义务是：对消费过程中的重要参数温度、压力、流量、物(液)位、成分、PH值等进展控制，使其坚

8、持恒定或按一定规律变化。 过程控制系统原理方框图广义对象.过程控制常用术语 被控过程Process)：工艺参数需求控制的消费过程、设备或机器等被控参数Controlled Variable) ：被控过程内要求坚持设定数值的工艺参数控制参数Manipulating Variable) ：受控制器支配的，使被控参数坚持设定值的物料量或能量扰动量Interference) ：作用于被控过程并引起被控参数变化的要素过程控制系统组成与分类.过程控制常用术语设定值Set Point:SP) ：被控参数的预定值当前值Present Value:PV)：被控参数的当前实践值偏向Error) ：被控参数的设定值

9、与当前实践值之差过程控制系统组成与分类.过程控制系统的分类 按系统的构造特点来分 反响控制系统 前馈控制系统 复合控制系统前馈-反响控制系统 按给定值信号的特点来分 定值控制系统 随动控制系统 顺序控制系统 过程控制系统组成与分类.反响控制系统 又称为闭环控制系统根据系统被控量与给定值的偏向进展任务，偏向值是控制的根据，最后到达减小或消除偏向的目的反响信号能够有多个，从而可以构成多回路控制系统如串级控制系统 过程控制系统组成与分类.前馈控制系统 也称为开环控制系统。根据扰动量的大小进展任务扰动是控制的根据在实践消费中不能单独采用 过程控制系统组成与分类.复合控制系统前馈-反响控制系统 过程控制

10、系统组成与分类.定值控制系统 定值控制系统是工业消费过程中运用最多的一种过程控制系统在运转时，系统被控量温度、压力、流量、液位、成份等的给定值是固定不变的有时在规定的小范围附近不变 过程控制系统组成与分类.随动控制系统 随动控制系统是一种被控量的给定值随时间恣意变化的控制系统它的主要作用是抑制一切扰动，使被控量随时跟踪给定值 过程控制系统组成与分类.顺序控制系统 顺序控制系统是被控量的给定量按预定的时间程序来变化的控制系统 过程控制系统组成与分类.过程控制的主要特点 被控过程的多样性 控制方案的多样性 有单回路、串级、前馈-反响、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等 控制

11、过程属慢过程、多半属参量控制 定值控制是主要控制方式 大多运用规范化的检测、控制仪表及安装过程控制特点及性能目的.过程控制的质量目的 决议过程控制系统质量的环节控制系统构造被控过程特性过程检测、控制仪表性能良好的过程控制系统，在遭到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳准确迅速地回复或趋近到给定值 过程控制特点及性能目的t0y.过程控制的质量目的过程控制系统的评价目的可概括为 系统必需是稳定的平稳系统应能提供尽能够好的稳态调理准确 系统应能提供尽能够好的过渡过程迅速控制性能目的应根据消费工艺过程的实践需求确定，通常采用系统阶跃呼应曲线的性能目的和偏向积分性能目的 过程控制特点及性能目的. 阶跃

12、信号的输入忽然，对被控变量的影响也最大。假设一个控制系统可以有效地抑制这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地抑制。 阶跃信号的方式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多运用阶跃信号。如图，输入信号在 t = 0时，阶跃上升幅度为 A ，其后坚持。表达为 f (t) = A ( t )Atft. 在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种方式： 单调衰减过程 被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。 振荡衰减过程 被控变量上下动摇，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。t0a0a.等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回动摇，且动摇幅度坚持不变。 振荡发散过程

13、被控变量来回动摇，且动摇幅度逐渐变大，离给定值越来越远。t0aa0t.1. 系统阶跃呼应的单项性能目的 单项性能目的包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。 控制性能目的有单项目的和综合目的两类 单项性能目的以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能目的，而偏向积分性能目的那么是一种综合性目的。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程方式为例，讨论控制系统的质量目的。.1衰减比n和衰减率设第一个波振幅为 y1、第三个波振幅为 y3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3Cy()TpTSTt阶跃呼应性能目的 .衰减比 n 和衰减率 是表示系

14、统稳定程度的目的。n大于1，那么系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。实验证明：衰减比在 4: 1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度适宜，过渡过程较短。衰减比n与衰减率之间有简单的对应关系：n = 4:110:1 就相当于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt.最大动态偏向是控制系统动态准确性目的。 2最大动态偏向A和超调量 最大动态偏向表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即: A = ymax - r 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3Cy()TpTSTtA. 有时也采用超调量来表示被控参数偏离设定值的程度， 的定义是第一个波振幅

15、与最终稳态值y()之比。即 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3Cy()TpTSTt.3余差C 过渡过程终了后，被控参数的稳态值y()与设定值之间的剩余偏向叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的目的。C= y() - r 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3Cy()TpTSTt.4调理时间Ts和振荡频率 Ts是指从过渡过程开场到过渡过程终了所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏向进入稳态值的5% 或2%范围内，就以为过渡过程终了。 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3y()TpTSTt.调理时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的目的过渡过程中

16、相邻两同向波峰或波谷之间的时间间隔叫振荡周期T ，其倒数称为振荡频率 f = 1/ T 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3y()TpTSTt. 另外还有峰值时间Tp又称上升时间，是指过渡过程开场，至被控参数到达第一个波峰所需求的时间。也是衡量控制系统快速性的目的。 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3Cy()TpTSTt. 控制系统的单项质量目的小结稳定性 衰减比n = 4:110:1最正确 准确性 余差C小好 最大偏向 A 小好快速性 过渡时间 Ts 短好 振荡周期 T 短好各质量目的之间既有联络、又有矛盾。例如，过分减小最大偏向，会使过渡时间变长。因此，应根据详细工艺情况分清主次，对消费过程有决议性意义的主要质量目的应优先予以保证。. 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的呼应曲线yry1y3Cy()TpTSTt2. 系统阶跃呼应的综合性能目的偏向积分 单项目的虽然明晰明了，但如何统筹思索比较困难。而偏向幅度和偏向存在的时间都与偏向积分有关，因此用偏向积分一个目的，就可以全面反映控