过控系统概述

1、过控系统概述第1页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三联系方式办公室：电力电子技术实验室 （百工楼428）电子邮箱：手机：第2页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三2关于课程结构自动化仪表过程控制检测仪表 第2章执行器 第3章控制器 第5章过程特性 第4章控制系统 第7、8、9章控制策略 第5、6章第3页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三3控制系统到底做什么？第4页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三4控制工程与其他相关学科第5页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三5本课程的教学要求了解控制系

2、统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法掌握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了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合了解控制系统的设计与实施第6页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三63第1章 过程控制系统概述 过程控制系统的组成和特点 过程控制系统的分类和区别 过程控制的阶跃响应指标主要内容 过程控制的发展 本课程的地位和任务第7页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三7传感测量：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀差压传感变送器电动调节器自动调节阀控制在日常生活中无处不在！1.1

3、过程控制系统组成及特点控制系统的由来1.1.1 过程控制认识第8页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三841.1 过程控制系统组成及特点1.1.1 过程控制认识1.过程控制根据工业生产过程的特点，采用自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。 2.工业生产过程离散过程：火箭、机械加工、汽车制造等连续过程：化工、石油、冶金等温度、压力、流量、物位和成分等变量。被控参数第9页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三91.1 过程控制系统组成及特点3.过程控制的认识EX1: 球磨给矿过程控制工作过程存在问题解决办法第10页，共60

4、页，2022年，5月20日，18点25分，星期三10球磨给矿过程控制系统方框图1.1 过程控制系统组成及特点 以流量为被控参数的工业生产过程控制系统，通过给矿过程的自动控制稳定产量，并为后续工艺质量的控制提供基础。 总结第11页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三111.1 过程控制系统组成及特点第12页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三121.1 过程控制系统组成及特点化工行业硫酸生产工艺中，SO2主风机以前采用手动调节蝶阀开度，控制风机出口压力，压力波动大。采用变频器，调节风机转速来稳定压力，具有显著的节能效果。EX2: 硫酸工艺过程控制第13页，

5、共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三131.1 过程控制系统组成及特点硫酸工艺流程过程控制系统方框图4.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。 第14页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三141.1 过程控制系统组成及特点1.1.2 过程控制系统组成被控变量- CV ( Controlled Variable)设定值 - SP (Setpoint)操纵变量 - MV (Manipulated Variable)扰动变量 - DV (Disturbance Variable)控制变量 - Control Variable

6、测量信号 - Measurement过程控制系统的重要术语第15页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三151.1 过程控制系统组成及特点1.1.2 过程控制系统组成问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？第16页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三161.2 过程控制系统分类及性能指标图示乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯流量使温度控制在（151.5）。EX3: 丙烯冷却器过程控制第17页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三171.2 过程控

7、制系统分类及性能指标1.指出系统中被控过程、被控参数和控制参数各是什么？ 2.试画出该控制系统的组成方块图。被控过程为丙烯冷却器；被控参数为乙烯裂解气的出口温度； 控制参数为气态丙烯的流量。第18页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三18在示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。3.试比较示意图和方块图，说明控制参数的信号流向与 物料的实际流动方向不同。 在方块图中，气态丙烯作为控制参数，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。第19页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三191.1 过程控制系统组成及特点1.1.3 过程控制的特点生产过程传热过程燃烧过程化学

8、过程精馏过程传质过程换热器、加热器、再沸器锅炉、冶炼炉、加热炉各类化学反应设备提纯或分离，精馏塔不同组分的分离与结合第20页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三20板翅式换热器盘管式换热器过程控制生产装置第21页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三21铜矿冶炼炉过程控制生产装置第22页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三22萃取装置污水汽提装置过程控制生产装置第23页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三231.1 过程控制系统组成及特点1.1.3 过程控制的特点被控过程复杂多样。控制方案多样性。控制过程多属缓慢过程

9、，存在滞后和非线性。有定值控制和随动控制，定值控制是主要控制形式。控制过程由规范的检测变送、控制和执行装置组成，实现生产过程的自动监控。第24页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三241.2 过程控制系统分类及性能指标1.2.1 过程控制系统的分类按系统的结构特点来分 反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统（前馈-反馈控制系统） 按给定值信号的特点来分 定值控制系统 随动控制系统 第25页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三251.反馈控制系统偏差值是控制的依据，控制目的是减小或消除偏差。属于闭环控制系统，反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统

10、（如串级控制系统）。 1.2 过程控制系统分类及性能指标第26页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三262.前馈控制系统1.2 过程控制系统分类及性能指标扰动量是控制的依据，控制目的是及时抑制干扰。属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。 第27页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三273.闭环与开环系统1.2 过程控制系统分类及性能指标EX4: 列管式换热器过程控制蒸汽流量控制系统进料流量控制系统第28页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三281.2 过程控制系统分类及性能指标闭环控制系统开环控制系统闭环控制系统第29页，共60

11、页，2022年，5月20日，18点25分，星期三29“反馈”是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制！开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。1.2 过程控制系统分类及性能指标总结第30页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三301.2 过程控制系统分类及性能指标4.复合控制系统充分发挥了“前馈”和“反馈”的各自优点。第31页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三311.2 过程控制系统分类及性能指标5.定值和随动控制系统定值控制系统是被控量（温度、压力、流量、液位、成分等）的给定值是固定

12、不变的过程控制系统。有时可在规定的小范围附近不变。 随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。主要作用是克服扰动，使被控量随时跟踪给定值。第32页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三321.2 过程控制系统分类及性能指标1.2.2 过程控制的性能指标过程控制系统的性能由组成系统的结构、被控过程与过程仪表（测量变送、执行器和控制器）各环节特性所共同决定的。控制系统结构（单回路、串级、前馈-反馈控制等）；各组成环节特性：第33页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三331.2 过程控制系统分类及性能指标一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动

13、作用或给定值发生变化后，应能迅速、平稳、准确地达到或趋近给定值。过程控制系统性能的评价指标可概括为： 系统必须是稳定的系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）； 系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。1.过程控制系统的性能评价第34页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三341.2 过程控制系统分类及性能指标2.性能指标的确定和分析方法 过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。需同时注意静态和动态性能指标。分析方法：1.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；2.偏差积分性能指标，计算机仿真时采用。第35页，共60页，2022年，5月20日，18点25分

14、，星期三351.2 过程控制系统分类及性能指标典型的控制系统过渡过程曲线 不稳定稳定第36页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三361.2 过程控制系统分类及性能指标阶跃扰动作用下衰减振荡过渡过程过渡时间稳态误差衰减比给定值稳态值超调量第37页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三371.2 过程控制系统分类及性能指标零或越小越好。 静态性能指标动态性能指标1.衰减比:2.超调量:3.过渡过程时间:稳态误差:取衰减比为4:110:1 越小越好 越小越好 第38页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三381.2 过程控制系统分类及性能指标E

15、X5: 阶跃响应性能指标的求取某发酵过程工艺规定操作温度为805。 试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和过渡过程时间。 第39页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三391.2 过程控制系统分类及性能指标稳态误差ess=80-81= -1衰减比n=B1:B2=7:1 第一个波峰值B1=88-81=7； 第二个波峰值B2=82-81=1；超调量=（88-81）/ 81=8.64%过渡过程时间ts=18min给定值稳态值第40页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三401.2 过程控制系统分类及性能指标阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但如何统筹（兼顾偏

16、差和时间），则比较困难。偏差积分性能指标可综合偏差和时间关系，即可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各单项指标，属于综合性能指标。一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定，在工程应用中使用广泛；而偏差积分性能指标则更便于计算机仿真和理论分析。 3.阶跃响应和偏差积分性能指标的比较第41页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三411.3 过程控制技术的发展1.3.1 控制系统的发展史开大阀门还是逃命？温度指示手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯冷却阀由人直接根据指示来调节阀门第42页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三421.3 过程控制技

17、术的发展手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯浮子用来测量液位闸门的位置决定流量支点的位置决定：闸门的变化/液位变化怎样改变设定值？变量的值由装置的位置来表达1.3.1 控制系统的发展史第43页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三431.3 过程控制技术的发展1.3.1 控制系统的发展史手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯管道中的信号为3-15psi的气压气压改变阀门开度怎样执行PID计算？变量大小与气压成比例(50 150 = 3 15psi)。第44页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三441.3 过程控制技术的发展

18、1.3.1 控制系统的发展史手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯电线中的信号为4-20mA的电流电流转变为气压来操纵阀门怎样执行PID计算？变量大小与电流或电压成比例(50 150 = 4 20mA)。第45页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三45手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯电线中的信号为4 - 20mA的电流电流转变为气压来操纵阀门采用电动信号传输进行数字计算1.3 过程控制技术的发展1.3.1 控制系统的发展史第46页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三461.3 过程控制技术的发展1.3.1 控制系统的

19、发展史手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯电流转变为气压来操纵阀门数字PID信号采用数字传输信号在局域网中传输，传感器和阀门也可带有微处理器！第47页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三471.3 过程控制技术的发展控制在哪里实现？现场显示现场调节电缆，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第48页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三481.3 过程控制技术的发展1.3.2 过程控制仪表的发展年代工业发展状况仪表技术20世纪50年代化工、冶金、造纸等规模较小电子管时代仪表信号标准：20

20、100kPa气动信号基地式仪表气动单元组合式仪表气动仪表控制器20世纪60年代分立元件的半导体技术计算机大型电站过程工业大型化电动仪表开始使用，DDZ-型，010mA仪表控制室电动单元组合式仪表DDC20世纪70年代集成电路技术微处理器工业现代化微机广泛使用DDZ-型，信号标准：420mACAD机器人DCS，PLC20世纪80年代办公自动化数字化技术通信、网络技术数字化智能化仪表各种通信协议，RS232/485/422等DCS功能扩展20世纪90年代智能控制工业控制高要求现场总线；分析仪器的在线应用；优化控制；管理与控制的集成第49页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三49

21、1.3.3 计算机在过程控制中的应用及发展1.3 过程控制技术的发展年代计算机应用技术20世纪60年代计算机开始应用于自动控制集中控制及直接数字控制（DDC）20世纪70年代微型计算机产生微处理机技术用于工业控制集散控制系统（DCS）产生小型机开始在企业管理中应用20世纪80年代微机在企业管理信息系统（MIS）中应用DCS在过程控制中推广应用先进控制技术在工业上应用20世纪90年代工业生产过程自动化（PA），工厂自动化（FA）计算机集成过程控制系统（CIPS）企业资源规划（ERP）现场总线技术发展（Field Bus）管控一体化技术（MCIS）优化控制软件包第50页，共60页，2022年，5月

22、20日，18点25分，星期三501.3.4 过程控制理论的发展1.3 过程控制技术的发展上世纪40年代至60年代，经典控制理论为主。60年代后，现代控制理论在生产过程控制中得到了越来越多的应用。近年来，控制理论界已形成一个包括智能控制等在内的多角度、多方位的研究态势。 第51页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三511.3 过程控制技术的发展1.3.5 我国过程控制技术的发展上世纪50年代末期，主要采用机械式和气动仪表；60年代，广泛采用型电动单元组合仪表；70年代中期，型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品；80年代初，开始采用型电动单元组合仪表 ，相继引进了集散

23、控制系统（DCS）、可编程序控制器（PLC）和工业PC机（IPC）等。目前，控制系统以DCS和PLC-SCADA系统为主。我国已有DCS、PLC的研发和生产能力。第52页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三521.3 过程控制技术的发展现场总线控制系统FCSPLC-SCADA系统的应用研究远程监督与控制智能控制应用研究过程控制与管理信息集成过程控制的几个发展方向第53页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三531.4 本课程的地位和任务1.4.1 本课程的地位1.4.2 本课程的任务过程控制和运动控制的区别。第54页，共60页，2022年，5月20日，18点25分，星期三54确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（