过程控制课程讲义1

ProcessControl

过程控制※课程体系基础课程：数学、英语、机械类、电子类本专业课程：自动控制、计算机控制。。。※几个问题：1、学习过与控制有关的课程有那些？2、自动控制原理的本质？你们知道那些控制方法？3、计算机控制本质？如何理解采样周期？

给出实时控制的框图。4、自控系统的研究对象是什么？与自动控制原理有何区别？5、学过那些建模方法，简述其机理。6、PID控制的概念？给你一个温度对象，该如何操作？专业知识自动控制原理现代控制理论计算机控制智能控制飞行控制自动控制系统过程控制课程的目标了解过程控制的基本概念、基本理论和基本方法了解过程控制的发展动态和前沿问题了解过程控制的典型对象锻炼综合运用知识的能力:掌握常用工具：matlab，labwin等软件课程内容绪论过程控制的基本概念(分类、特点、应用领域）生产过程自动化发展概况和趋势过程控制的任务和要求第一篇 简单控制系统分析生产过程的动态特性及建模比例积分微分控制及调节过程（PID，单回路）简单控制系统的整定第二篇 复杂控制系统串级控制系统与比值控制系统利用补偿原理提高系统的控制品质(大林和smith算法）解耦控制前馈控制第三篇 高等过程控制系统模糊过程控制系统神经网络过程控制系统第四篇 基于现场总线的集散控制系统/物联网(简单介绍/论文）实验：利用所学算法，实现数字（PID及模糊）双容水箱的液位控制。课程内容绪论

过程控制概述一.什么是过程控制二.过程控制的发展三.简单过程控制系统的基本构成四.过程控制系统的任务五.过程控制面临的问题一、什么是过程控制

1、什么是过程（Process）--生产过程连续过程(ContinuousProcess)(供油压力）批量（间歇）过程(BatchProcess)离散过程(DiscreteProcess)流程工业(FlowManufacturingIndustry)离散制造业(DiscreteIndustry)从原料到产品加工过程（生产硝酸）历经一段时间（液位控制）伴随物质能量变化（温度控制）2、过程（Process）的分类3、过程控制运动控制(MotionControl)离散过程：位置、速度、加速度、尺寸过程控制(ProcessControl)连续过程针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分（如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。温度T温度T4、被控参数种类以及涉及的对象测量范围宽、原理多样、物性复杂温度压力流量液位成分（氧含量，产品组份等）物性（粘度，干点，冰点等）罐、釜塔管道炉被控对象存在多样性，滞后性，非线性

连续工业生产过程伴随着物理化学反应，相变过程及能量的转换和传递，因而是一个复杂的工业大系统。系统本身的复杂性，不确定性及非线性等因素决定了控制的困难程度。大滞后非线性：难建数学模型连续生产过程中常伴随十分苛刻的生产条件和环境，如高温高压易燃易爆有毒等，所以安全性很重要，对关键设备关键生产过程必须有预报和诊断，有时还需要连锁保护和自启停。连续生产过程强调生产过程的实时性整体性，所以从全局出发协调和处理装置间复杂的耦合制约关系，采用集成及智能理论和技术处理这类问题，以求全局最优。5、所涉及的应用领域石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨电力：火电厂冶金：冶金加热炉，热处理炉生化：啤酒，制药轻工：食品，漂染环境：水处理，大气监测其它：农业，养殖业6、控制内容自动检测：传感，测量自动监视：计算机人机界面，显示仪表，电视监视器自动调节：控制器，调节器顺序控制：可编程控制器自动保护：报警，连锁保护装置级甚至厂级生产过程的平稳控制控制手段：各种类型的计算机系统二、过程控制的发展被控对象（过程和设备）、控制理论、控制工具的交替发展与相互促进汇成过程控制发展的主旋律（见下表）历经从简单到复杂，从单变量到多变量，从单一回路到整个装置乃至是全厂，从单纯控制到综合自动化等等的变化过程规模炼油装置：250万吨：1000万吨乙烯装置：10万吨30万吨60万吨100万吨企业集成系统的功能模型分层经营决策Marketing&Decision

信息管理InformationManagement

计划调度Planning&Scheduling

过程监控SCC（SupervisoryComputerControl)

现场控制FCS（FieldControlSystem）

被控生产过程Processes五层结构的Purdue模型企业集成系统的三层结构ERP/MES/PCSERP(EnterpriseResourcePlanning)企业资源规划层PCS(ProcessControlSystem)过程控制层MES(ManufacturingExecutionSystem)制造执行层网络化的控制系统----现场总线

现场总线是联接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。RVDMS总体结构布局RVDMS总体控制方案三、简单过程控制系统的基本构成简单温度控制系统示例基本组成部分被控过程测量变送控制器执行机构单回路反馈控制系统框图1、控制系统的组成液位控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（液位）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测液位控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

1、控制系统的组成压力控制系统的示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（压力）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测压力控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

1、控制系统的组成温度控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（温度）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

2、控制系统的框图

控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成传递函数被控对象变送器计算机检测元件控制器执行器3、时域控制性能指标1）.衰减比n：衰减比（Subsidenceratio）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：n<1扩散振荡即不稳定n=1等幅振荡n.>1衰减振荡n无穷大为非周期过程衰减率ψ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：2）超调量和最大动态偏差：控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：

定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：3）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（Steady-stateerror）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。4）回复时间和振荡频率：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间作为过渡过程的回复时间Ts（Settlingtime）。回复时间是控制系统的快速性指标。振荡频率ω与振荡周期T的关系是

在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。5）偏离度：控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最大偏差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。4、控制系统运行的重要准则针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分（如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。大延迟、大时间常数、非线性

采样周期1—30秒各种控制方法应用四、过程控制系统的任务与设计目标任务：保证生产过程的安全性：使操作压力、温度等在规定的许可范围保障人身、设备、过程安全稳定性：保证连续生产过程的平稳操作，各参数维持在允许的波动范围经济性：提高产品的产量、质量降低原、材料与能源消耗，降低成本要求：抑制外部干扰对过程参数的影响确保连续过程的稳定生产工况达到最优（次优）自控系统设计初步控制系统设计的基本出发点物料平衡；能量平衡；质量指标；经济指标控制系统设计步骤1)确定控制目标：满足平衡关系或某项指标2)选择被控参数：直接可测，间接可测3)选择调节量：用以控制被控参数的介质4)确定控制系统结构：单回路串级前馈反馈5)确定控制算法：PID，模糊，自适应，优化，预测6)选择控制系统的组成硬件：传感测量控制仪表， 调节阀，计算机及其接口五、过程控制面临的问题及解决方法1过程建模2软测量技术3控制方法4过程的优化5生产管理与调度6动态系统故障诊断7实用软件的开发过程建模1、过程建模的难点：对过程控制越来越高的要求与过程内在机理的复杂性的矛盾2、建模方法：机理法：根据能量、物质守恒系统辨识法：时域法、频域法，最小二乘法，极大似然法等先进辨识方法：人工神经元网络建模，模糊建模，小波建模，混沌建模等软测量技术

在过程控制中，一些需要控制的过程变量在现在的技术条件下难于直接测量或不易快速在线测量，为实现直接质量控制要求而产生了采用离线或在线实验数据建立模型的软测量方法，其实质为建立被测量参数与影响该参数的其他操作参数之间的数学模型。（实时测速）控制方法1、PID控制器：结构简单，易调整，最常用2、预测控制:对过程不确定系统进行控制的有效方法

3、容错控制与鲁棒（Ro