郑州大学电气工程 过程控制1过程控制的绪论课件

1、Process ControlZhengZhou UniversityLi Xiao yuanE-mail: 过程控制主讲：李晓媛E-mail: Tel:修课程模拟电路检测与转换技术电力电子电机拖动自动控制原理微机接口技术计算机控制原理主要参考资料邵裕森、戴先中，过程控制工程（第2版）M，机械工业出版社，2000涂植英、朱麟章，过程控制系统，机械工业出版社，1988刘元杨，自动检测和过程控制，冶金工业出版社 ，2003金以慧，过程控制，清华大学出版社 ，1998施仁，自动化仪表与过程控制，电子工业出版社 ，2003Curtis Johnson，Process Co

2、ntrol Instrumentation Technology(6th)，Pearson Education目录第1章 绪论第2章 过程控制建模和过程检测仪表第3章 简单控制系统单回路控制 系统的工程设计第4章 复杂控制系统第5章 先进过程控制技术补充： 过程控制系统应用实例一、 什么叫过程控制? 过程控制（Process control）是指连续生产过程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。 连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递

3、。 过程控制目的 抑制外界扰动的影响；确保过程的稳定性；使生产过程的工况最优化。从而达到：实现安全运行；提高产品产量；保证产品质量；节能降耗；改善劳动条件；保护环境卫生；提高管理水平等 。眼看用传感器或变送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进行比较（相减求偏差) ,并按偏差值计算出控制量。手动人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变开度。人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。 过程控制系统的定义： 为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的

4、 一个整体。 图2为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。回风恒温室23送风热水M回水41图2 室温自动控制系统示意图1热水加热器；3控制器；2传感变送器；4执行器TCTT给定值 在讨论控制系统工作原理时，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，一般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、电动调节阀和加热器及房间组成。给定值被控变量干扰f 控制器 变送器调节阀加热器及房间 +e实测值 发电厂球磨过程控制 二、过程控制经历了哪几个发展阶段？主要特点：（ 1）基地式仪表和部分单元组合仪表，大多为气动仪表；（2）单输入单输出控制系统；（3）保持温度、压力、

5、流量、液位等工艺参数的稳定， 确保生产安全运行；（4）分析和综合的理论基础为经典控制理论。 展示仪表图片： 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。1、仪表化与局部自动化阶段(5060年代)基地式仪表 一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内同时具有检测、控制与显示的功能结构简单、价格低廉、使用方便通用性差，信号不易传递一般应用于简单控制系统中。 基地式仪表(压力控制器）基地式仪表(压力控制器）1988年由我国中建三局承建巴基斯坦贾姆肖罗电厂 ，装机容量为4x21万千瓦油气双燃料火力发电机组，占地面积14平方公里。巴基斯坦贾姆肖罗电厂 单元组合仪表流量传感器

6、流量控制器执行器单元组合式仪表将仪表按其功能分成若干单元。各个单元之间以统一的标准信号相互联系。具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可与计算机等设备配合，组合各种复杂的、新型的控制系统。 有气动组合仪表和电动单元组合仪表（QDZ和DDZ仪表）两类。 气动单元组合仪表（QDZ）采用140kPa压缩空气为能源，以20100kPa标准统一信号输出结构简单、价格便宜、性能稳定、工作可靠、安全防火防爆特别适用于石油、化工等易燃易爆场合电动单元组合仪表（DDZ）采用0-10mA 或4-20mA标准统一信号体积小、重量轻、安装维护方便、便于计算机接口部分仪表（如DDZ-型）采取了先进的安全防爆

7、措施，能构成本质安全防爆系统，同样能应用于易燃易爆场合。 电动执行器 DKJ系列电动执行器是DDZ型电动单元组合仪表中的一个单元。它接受变送，调节等单元的信号或操作单元的手控信号，自动操作调节任务。它与DDZ型其它单元配套，广泛地用于电力、化工、石油、冶金、矿山、轻工业等行业。 温度变送器 WR、WZ型系列一体化温度变送器是DDZ-S型电动单元组合仪表中的主要品种之一。按其测温元件不同可分为热电偶变送器和热电阻变送器，通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用，输出4-20mA。直接测量各种生产过程中的-2001800范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。 二、过程控制经历了哪几个发

8、展阶段？3、全盘自动化阶段(70年代中期至今)主要特点：（1）全盘自动化或管控一体化；（2）智能单元组合仪表（如数字调节器、可编程控制器等）、电动单元仪表实现了本质安全防爆；（3）定值控制最优控制、自适应控制； 单变量多变量； 仪表控制计算机分布式控制；（4）现代控制理论的全面应用，先进控制策略的应用等；（5）计算机集成过程控制系统（DCS、FBS、CIPS）。返回数字控制仪表积木式结构部分单元采用微电脑技术，可进行数字运算可编程数字调节器（如KMM仪表）是其中最具代表性的单元仪表，特点有：内部结构微机化；运算数字化；编程方法简单；自整定、自诊断的功能；通讯功能。集散控制阶段直接数字控制（ D

9、DC， Direct Digital Control ）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， DDC系统并未得到广泛应用。80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。基于 “集中管理，分散控制” 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（ 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。得到广泛应用。(集散控制系统 DCS）(集散控制系统 DCS）随着CPU进入检测仪表和执行器，自动

10、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（FCS，Fieldbus Control System)。 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产过程的检测、控制。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系统的通信连接起来，实现信息集中管理。总结：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历程。 以经典控制理论为基础的PID （Proportional Integral Derivative）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、Smith

11、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、模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。 现代自动控制技术的主要特点：1、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，是控制技术、通讯技术、计算机技术相结合的产物。3、系统的智能化程度日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。国内外著名仪表生产企业：西安仪表厂、四川仪表公司、上海仪表公司、Foxboro 、 Siemens 、 Yokogawa 、 Rosemount 、 Honeywell 等公司。西安仪表厂渭河电厂巴基斯坦古杜

12、电厂 核电厂 新疆炼油厂 武钢 哈尔滨伊兰煤气 哈尔滨伊兰煤气污水处理厂哈尔滨第三水厂 渭河化肥厂扬子石化扬子石化扬子石化 兰州石化 兰州石化自来水厂控制柜控制柜触摸显示屏控制柜内部控制柜内PLC过程控制实验室 控制仪表和控制理论技术的发展，也推动了过程控制的发展。从仪表发展过程来看，过程控制也经历了如下发展阶段。第一代（PCS）第二代（ACS）第三代（CCS）第四代（DCS）第五代（FCS 、NCS ）FCS“现场总线”自20世纪90年代初出现以来，引起了国内外业界人士的广泛注意和高度重视，并已成为世界范围内的自动化技术发展的热点之一，有人称之为“自动化仪表与控制系统的一次变革”。现场总线的

13、工业过程智能自动化仪表和现场总线的开放自动化系统构成了新一代全开放式自动化控制系统的体系结构。为实现企业“综合自动化”奠定了现场级的过程自动化基础。 目前国际上公认的“现场总线”有12种之多，各有其特点，并在一定范围内得到应用。 注重如何利用现场总线智能仪表进行具体工程应用，如何设计一个基于现场总线的控制系统，以及基于现场总线的控制系统的体系结构等方面是设计重点。 某烟厂制丝线的现场总线控制系统三、过程控制有哪些主要特点？1.连续生产过程的目的2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 3.被控过程多种多样 例如：锅炉、热交换器、电弧炉、热处理炉、精馏塔、化学反应器、流体输送设备 特点：多变量、

14、分布参数、非线性、大惯性、大延时等4.控制方案十分丰富如：PID、先进PID、自适应、预测、推理、模糊、神经网络控制等；有单变量、多变量、常规仪表、计算机、提高控制品质、特殊工艺要求等控制。5.控制过程多属慢过程参量控制6.定值控制是其主要形式工艺参数主要为：T、P、F、L、W等几个常用字母代号：F（Flow）：流量L（Level）：物位P（Pressure）：压力T（Temperature）：温度W（Weight）：重量减小或消除外界扰动对被控参数的影响，确保生产稳定和产品的产量与质量。返回四、过程控制系统组成及其分类 过程控制系统组成：被控过程（Process）过程检测控制仪表（Instr

15、umentation）被控过程是指运行中的多种多样的工艺生产设备 ；过程检测控制仪表包括：测量变送元件（Measurement）控制器（Controller）执行机构（Control Element）过程控制系统框图 过程控制常用术语 被控过程（Process)：工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控参数（Controlled Variable) ：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。控制参数（Manipulating Variable) ：受控制器操纵的，使被控参数保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因素。过程控制常用术

16、语设定值（Set Point:SP) ：被控参数的预定值。当前值（Present Value:PV)：被控参数的当前实际值。偏差（Error) ：被控参数的设定值与当前实际值之差。2 、按被控量多少分为 单变量控制系统、多变量控制系统等；1 、按被控参数的名称分为 温度、压力、流量、液位、成分等； 过程控制系统的类型3 、按控制系统所处理的信号方式来分 模拟控制系统与数字控制系统； 4、按照控制器类型来分， 有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。 5、 按控制策略分为 PID控制、预测控制、推理控制、模糊控制、Smith预估控制、自适应控制等； 按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系

17、统） 将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。如： 给定值被控变量干扰f 控制器 变送器执行器被控对象+e实测值反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。2）前馈控制系统（开环控制系统） 控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。如：测量值被控量干扰f 控制器执行器被控对象 开环控制系统原理框图3）复合控制系统 前馈与反馈相结合，优势互补。如：给定值被控变量干扰f 控制器1 变送器1执行器被控对象+e实测值 变送器2控制器2+前馈-反馈复合控制系统原理框图按设定值的形式分类1）定值控制系统 设定值恒定不变。2）随动控制系统设定值随时可能变化。3）程序控制

18、系统设定值按预定的时间程序变化。给定值被控变量干扰f 控制器 变送器执行器被控对象+e实测值六、过程控制系统的性能指标当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。t0y 稳态与动态 1、稳态把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态）。 当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种相对稳定的平衡状态 ，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。 静态

19、特性静态时系统各环节的输入输出关系。 静态静态动态ty静态静态动态ty2、动态把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡过程。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。动态特性在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。控制系统的过渡过程 控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。 系统的过渡响应受内部和外部两种因素的影响。给定值被控量干扰f 控制器 传感器执行器被控对象 +e实测值1、内部因素：系统特性 系统的特

20、性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。 2、外部因素：输入信号 在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。 生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。 阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。 阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在 t = 0时，阶跃上升幅度为 A ，其后保持。表达为 f (t) = A ( t )At

21、f（t） 在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式： 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 被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。t0C(t)0C(t)t等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。 振荡发散过程 被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。t0aa0t过渡过程的分类 （1）稳定的过渡过程 单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。 衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。 单调过程的过渡过程较慢 ，被控变量长时间地偏

22、离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。（2）不稳定过渡过程 发散振荡过程中，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。（3）临界过渡过程 处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。只是某些控制要求不高的场合，如位式控制时，只能达到这种效果。 控制系统的性能指标 对控制系统的性能评价，是根据工艺对控制过程和结果的要求来衡量的。控制系统的过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。 最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃信号，观察其阶跃响应的品质。 阶跃响应分给定阶跃响应和干扰阶跃响应

23、两类。其阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的性能指标是一致的。干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别：给定值被控变量干扰f 控制器 传感器执行器被控对象+e实测值干扰阶跃响应t0y给定值被控变量干扰f 控制器 传感器执行器被控对象+e实测值给定阶跃响应0ty1. 系统阶跃响应的单项性能指标 单项性能指标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。 控制性能指标有单项指标和综合指标两类 单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。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形式为例，讨论控制系统的品质指标。1

24、）衰减比n和衰减率 P142设第一个波振幅为 B1、第二个周期振幅为B2图3.2 定值控制系统阶跃扰动的响应曲线yy(0)B1B2y()TpTSTtC图3.3 随动控制系统对阶跃给定的响应曲线yrB1B2Cy()TpTSTt衰减比 n 和衰减率 是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：衰减比在 4: 1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，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% 最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。 2）最大动态偏差A和超调量 最大动

25、态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即: A = Bmax - r 图1.3 控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yrB1B2Cy()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与最终稳态值y()之比。即图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yrB1B2Cy()TpTSTt3）余差C 过渡过程结束后，被控参数的稳态值y()与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。C= y() - r图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yrB1B2Cy()TpTSTt4）调节时间Ts和振荡频率 Ts是指从过渡

26、过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的5% （或2%）范围内，就认为过渡过程结束。图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yrB1B2y()TpTSTt调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。过渡过程中相邻两同向波峰（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图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yrB1B2y()TpTSTt 另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线y

27、rB1B2y()TpTSTt 例 某换热器的温度控制系统给定值为200 。 在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。 解：最大偏差 A = 230-200 = 30余差 C= 205-200 = 5衰减比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1振荡周期 T = 20 5 = 15 （min）设被控变量进入稳态值的土2，就认为过渡过程结束，则误差区域=205 （ 2） 4.1在新稳态值（205）两侧以宽度为4.1画一区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min 控制系统的单项品质指标小结稳定性 衰减比n = 4:110:1最佳 准确性 余差C小好 最大偏差 A 小好快速性 过渡时间 Ts 短好 振荡周期 T 短好各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况