《过程控制基础知识》课件

过程控制基础知识过程控制是自动化控制领域的一个重要分支。它涉及使用传感器、控制器和执行器来调节和优化工业过程。什么是过程控制自动控制过程控制是工业生产中常用的自动控制技术，用于调节和优化生产过程中的各种变量。通过传感器、执行器和控制器等装置，实现对生产过程的实时监测和控制，以确保产品质量和生产效率。过程控制的目标和作用提高生产效率过程控制通过优化生产流程，提高产品质量和产量。降低生产成本自动控制系统减少人工操作，降低能源消耗和材料浪费。改善产品质量过程控制系统保证产品质量稳定性，提高产品一致性。增强安全保障自动化控制系统提高生产安全性，减少事故发生率。过程控制的基本原理11.反馈控制控制系统通过传感器获取被控量的实际值，并与设定值进行比较，将偏差信号反馈给控制器，最终调节执行器来改变被控量，实现对过程的控制。22.控制回路过程控制系统通常由传感器、控制器、执行器和被控对象组成一个闭环回路，实现对过程变量的实时控制。33.稳定性过程控制系统的稳定性是指系统在受到扰动后能够恢复到稳定状态，保证过程的正常运行。44.响应速度过程控制系统的响应速度是指系统对扰动做出反应的速度，体现了系统对过程变化的灵敏程度。过程变量的基本概念过程变量过程控制中测量和控制的对象。温度反应器、加热器或冷却器的温度。压力反应器、管道或容器内的压力。流量流体在管道或容器中的流动速度。传感器的类型和特性温度传感器热电偶、热电阻、铂电阻等。测量温度变化，应用于过程控制、环境监测等。压力传感器压力表、应变式压力传感器等。测量压力变化，应用于液体、气体和固体的压力测量。流量传感器涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等。测量流体的流量，应用于管道流体流量的测量和控制。液位传感器浮子液位计、超声波液位计、电容式液位计等。测量液体液位，应用于储罐、反应釜等液位的测量和控制。执行器的类型和特性执行器的类型常用的执行器类型包括电动执行器、气动执行器、液压执行器和电液执行器。每种执行器都有其独特的特点和适用场景。执行器的特性执行器应具有快速响应、高精度、可靠性高、易于维护等特点。执行器的特性直接影响过程控制系统的性能。选择执行器根据控制系统需求，选择合适的执行器类型和特性。需考虑执行器的负载能力、响应速度、精度、可靠性等因素。控制器的基本结构控制器是过程控制系统的核心部分，负责接收来自传感器的信号，并根据设定值和控制算法输出控制信号给执行器。控制器通常由以下几个部分组成：传感器输入模块、设定值输入模块、控制算法模块、输出模块、人机界面等。控制算法模块是控制器最关键的部分，它决定了控制器的性能。控制算法的分类开关控制算法简单直接，适用于开关量控制，例如电机启动/停止。比例控制算法根据偏差大小改变输出，响应速度快，但存在稳态误差。积分控制算法消除稳态误差，但响应速度较慢，容易引起超调。微分控制算法预测偏差变化趋势，提高系统响应速度，抑制超调。比例-积分-微分(PID)控制1微分控制预测未来趋势2积分控制消除稳态误差3比例控制实时调整偏差PID控制是一种广泛应用于工业过程控制的闭环反馈控制算法。它通过控制变量与设定值之间的偏差，进行比例、积分和微分运算，最终输出控制信号。PID控制参数的调整方法1经验方法基于经验值和观察进行调整。2阶跃响应法分析系统对阶跃输入的响应，确定参数。3自整定法控制器自动调整参数，达到最佳控制效果。4频率响应法分析系统在不同频率下的响应，优化参数。PID控制参数的调整方法有很多，每种方法都有其优缺点。实际应用中，通常需要根据具体情况选择合适的方法。离散控制系统的基本概念数字化信号离散控制系统使用数字化信号进行控制，信号在时间上是离散的，即信号只在特定时间点上才被采集或输出。采样和保持连续信号在特定时间点被采集，形成离散信号，然后保持一段时间，再进行下一次采样。控制算法离散控制算法根据采样后的信号进行运算，生成控制指令，并输出到执行机构，控制被控对象。数字控制器数字控制器使用数字信号处理技术，实现控制算法的运算，控制系统的各个部分通过数字信号相互连接，构成一个数字化的控制系统。离散控制系统的采样和保持1采样过程将连续信号转化为离散信号。每个采样点对应时间轴上的一个特定时刻，通过传感器获取数据。2保持过程将采样后的离散值保持一段时间，以便控制系统进行处理和决策。这种保持时间决定了控制系统的响应速度。3采样周期采样周期是指连续两次采样之间的时间间隔，它决定了控制系统对信号变化的敏感程度。Z变换及其应用Z变换将离散时间信号转换到复频域。简化离散时间系统的分析和设计。应用于数字控制系统、数字信号处理等领域。状态空间表示法11.状态向量状态变量集合，描述系统在某时刻的状态。22.状态方程描述系统状态随时间变化的微分方程组。33.输出方程将状态向量与输出变量联系起来。状态空间分析与设计状态空间模型建立系统的状态空间模型，描述系统状态变量之间的关系。系统可控性与可观测性分析系统是否可控和可观测，确保控制系统稳定运行。状态反馈控制设计设计状态反馈控制器，调节系统性能，实现期望的控制效果。状态观测器设计设计状态观测器，估计系统状态，实现对系统状态的实时监控。典型过程的建模一阶滞后过程一阶滞后过程是工业过程中最常见的过程之一，例如液体加热过程和储罐液位的控制。一阶滞后过程的传递函数可以用时间常数和增益来描述。二阶过程二阶过程通常由两个或多个一阶过程组成，例如压力容器的温度控制或反应器的流量控制。二阶过程的传递函数可以用时间常数、阻尼系数和增益来描述。死时间过程死时间过程是指在输入信号发生变化后，输出信号需要经过一段时间的延迟才能发生变化。例如，管道中的液体流动的控制，由于管道的长度，控制信号需要经过一段延迟才能影响液位变化。非线性过程非线性过程是指其输入输出关系不能用线性方程来描述。例如，反应器中化学反应的控制，由于反应速率随温度变化而发生变化，因此反应器控制是非线性的。一阶滞后过程的控制一阶滞后过程是过程控制中常见的类型，其特征是输出变量对输入变量的变化有延迟响应。1控制目标消除偏差，使系统稳定2控制策略比例控制、积分控制3调节参数比例系数、积分时间4性能指标超调量、稳定时间控制目标是消除系统偏差，使系统稳定运行。常见的控制策略包括比例控制和积分控制。调节参数包括比例系数和积分时间，影响系统响应速度和稳定性。性能指标用来评估控制系统的效果，包括超调量和稳定时间等。二阶过程的控制1系统建模确定二阶过程的传递函数2参数优化选择合适的控制参数3性能评估根据实际响应进行调整二阶过程控制需要根据具体系统特点进行建模，并通过参数优化和性能评估来实现最佳控制效果。例如，对于一个具有惯性和延迟的热过程，可以使用二阶传递函数来描述其动态特性。多输入多输出过程的控制1复杂控制系统多输入多输出过程通常指具有多个控制变量和多个受控变量的复杂控制系统。它们广泛存在于化工、电力、冶金等领域。2协调控制多输入多输出控制的目标是在多个变量之间实现协调控制，以达到最佳的性能。例如，在化工生产中，需要控制温度、压力和流量等多个变量，才能获得高质量的产品。3先进控制技术多输入多输出过程的控制需要采用先进的控制技术，例如模型预测控制、自适应控制、鲁棒控制等。这些技术可以更好地处理复杂系统中存在的相互作用、非线性、噪声和不确定性。非线性过程的控制线性化将非线性过程模型转化为近似的线性模型，应用线性控制理论进行控制。非线性控制直接设计非线性控制器，根据过程特性进行定制，实现更精确的控制。自适应控制根据过程变化自适应调整控制参数，适应非线性过程的动态特性。人工智能控制利用机器学习等人工智能技术，实现非线性过程的智能控制。车间现场总线技术连接现场总线技术用于连接车间内不同设备和系统，实现数据传输和控制。实时性现场总线技术支持实时数据传输，确保控制系统的快速响应和稳定运行。兼容性多种设备和系统能够通过现场总线技术连接，实现互操作性和数据共享。灵活性现场总线技术可以灵活地配置和扩展，满足不同车间自动化需求。现场总线类型及其特点FoundationFieldbus(FF)FF是一种数字通信协议，支持实时和非实时数据传输。FF提供了灵活的拓扑结构，包括星形、总线形和树形。FF广泛应用于过程控制系统，例如化工、石油和天然气行业。ProfibusProfibus是一种开放式现场总线协议，用于自动化控制系统。Profibus支持多种数据传输速率，适用于不同的应用场景。Profibus广泛应用于自动化控制系统，例如汽车制造和食品加工行业。ControlNetControlNet是一种用于实时控制应用的现场总线协议。ControlNet提供了高带宽和低延迟，适用于高性能控制系统。ControlNet广泛应用于机器人控制和运动控制系统。EtherNet/IPEtherNet/IP是一种基于以太网的现场总线协议。EtherNet/IP提供了标准的以太网连接，易于集成到现有的网络基础设施。EtherNet/IP广泛应用于各种工业自动化应用中。DCS和PLC在过程控制中的应用DCS系统DCS系统应用于大型过程控制系统，可实现复杂过程的集中监控与管理。PLC系统PLC系统适用于中小型过程控制应用，具有编程灵活、可靠性高、成本低等优点。协同应用DCS和PLC可以协同工作，实现更高效的生产过程控制和管理。控制系统的故障诊断与维护1故障诊断及时识别并分析控制系统故障，确定故障类型和原因。2故障排除根据诊断结果，采取相应的措施，排除故障，恢复系统正常运行。3系统维护定期对控制系统进行维护，包括清洁、检查、调整和更换部件，确保系统长期稳定运行。4安全措施制定安全操作规程，加强安全培训，预防事故发生，确保人身安全。控制系统的安全保护措施安全开关在紧急情况下，安全开关可立即切断系统电源，防止事故发生。安全阀安全阀在压力过高时自动打开，释放过量的压力，防止设备损坏。报警系统报警系统及时提醒操作人员注意危险情况，以便采取措施避免事故。联锁系统联锁系统保证操作步骤的安全顺序，防止错误操作导致危险。过程控制自动化的发展趋势智能化人工智能、机器学习等技术应用于过程控制，实现更精准、高效、自主的控制。网络化无线通信、云计算、边缘计算等技术集成，形成互联互通的控制系统，提高系统效率。绿色化节能环保技术应用，降