过程控制第一章绪论(广东工大).ppt

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1、过程控制系统Process Control System授课教师：杨玲玲 讲师n n自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。n n过程控制等工程领域自动控制的理论基础是工程控过程控制等工程领域自动控制的理论基础是工程控制论，其奠基性著作是钱学森先生于制论，其奠基性著作是钱学森先生于19541954年发表的年发表的工程控制论工程控制论。n n控制论的四大应用领域：工程控制、生物控制、经控制论的四大应用领域：工程控制、生物控制、经济控制和社会控制。济控制和社会控制。n n控制论的奠基性著作是：控制论的奠基性著作是：N.N.维纳于维纳于19481948年发

2、表的年发表的控制论控制论。n n维纳认为维纳认为“一切有目的的行为都是需要一切有目的的行为都是需要负反馈负反馈的行的行为为”第一章 绪论第一节 过程控制系统的组成及其分类第二节 过程控制系统的特点第三节 过程控制系统的质量指标第四节 过程控制系统的发展概况第一节 过程控制系统的组成及其分类过程控制的概念：通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。8、提高市场竞争能力等过程控制技术的优点：1、自动化技术的重要组成部分2、实现各种最优技术经济指标3、提高经济效益和社会效益4、提高劳动生产率5、节约能源6、改善劳动条件7、保护环境卫生一、过程控制系统的组成过

3、程控制系统：工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。n n 为保证生产安全顺利进行，必须对生产过程的各种参数进 为保证生产安全顺利进行，必须对生产过程的各种参数进行自动控制。行自动控制。n n 过程控制是工业生产过程的自动化（人为干预和控制）。过程控制是工业生产过程的自动化（人为干预和控制）。n n 过程控制系统是工业生产过程参数（过程控制系统是工业生产过程参数（T T、P P、L L、H H）的实）的实时控制自动控制系统。时控制自动控制系统。n n 过程控制系统 过程控制系统=电子技术、自动控制技术、计算机技术、电子技术、自

4、动控制技术、计算机技术、网络通信技术 网络通信技术 1、锅炉过热蒸汽温度控制系统 n n控制系统组成控制系统组成n n控制目标控制目标 n n 过热蒸汽 过热蒸汽=Tc=Tcn n 原因：原因：n n tTc tTc汽轮机寿命 汽轮机寿命n n tTc tTc损坏叶片 损坏叶片n n控制原理控制原理n n T-Tc=e T-Tc=e0 0（冷水）（冷水）n n 锅炉过热蒸汽温度控制框图 n n控制参数：控制参数：n n y(t)y(t)为被控参数；为被控参数；n n q(t)q(t)控制参数；控制参数；n n z(t)z(t)测量信号；测量信号；n n x(t)x(t)给定的信号；给定的信号；

5、n n u(t)u(t)控制信号；控制信号；n n e(t)e(t)偏差信号；偏差信号；e(t)=x(t)-z(t).e(t)=x(t)-z(t).n n锅炉过热蒸汽温度控制框图锅炉过热蒸汽温度控制框图 n n 控制过程：控制过程：从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备，称为 从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备，称为被 被控过程 控过程，可简称过程；作用于过程且使被控参数变化的作，可简称过程；作用于过程且使被控参数变化的作用称为 用称为扰动 扰动。控制参数的作用是使被控参数稳定于给定值。控制参数的作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰动作用企图使被控参数偏离给定 附近，称为

6、内部扰动；扰动作用企图使被控参数偏离给定值，称为 值，称为外部扰动 外部扰动。控制系统中控制作用就是要克服外部。控制系统中控制作用就是要克服外部扰动对被控参数的影响，保证其尽快回到给定值。扰动对被控参数的影响，保证其尽快回到给定值。图1-1 锅炉汽包水位控制原理图1汽包 2省煤器 3过热器 4给水阀门 5蒸汽阀门2、锅炉汽包水位控制系统 2、锅炉水位控制系统框图 图1-2 过程控制系统原理框图3.PH3.PH控制系统控制系统 PHT PHT：检测变送器 检测变送器 PHC PHC：调节器：调节器 被控参数：被控参数：PH PH值 值 控制参数：酸液流量 控制参数：酸液流量 被控过程：液槽 被控

7、过程：液槽 酸液h排放碱液PHTPHCPH*R1Q11Q2HTHC2344.4.液位控制系统液位控制系统 HT HT：液位变送器：液位变送器 HC HC：调节器：调节器 被控参数：水位 被控参数：水位H H 控制参数：进水量 控制参数：进水量Q1 Q1 被控过程：水箱 被控过程：水箱 图1-3 PH控制系统 图1-4 液位控制系统二、过程控制系统的分类（一）按系统的结构分类11反馈控制系统反馈控制系统n n 反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制 反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到消除或减小偏差的目的，的，最终达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的 偏差值

8、是控制的依据 依据。它是最常用、最基本的一种过程控制系统。由于。它是最常用、最基本的一种过程控制系统。由于该系统由 该系统由 被控量的反馈构成一个闭合回路，故又称为 被控量的反馈构成一个闭合回路，故又称为闭环控制系统 闭环控制系统。反馈信号也可有多个，构成一个以上闭。反馈信号也可有多个，构成一个以上闭环回路，称为多回路反馈控制系统。环回路，称为多回路反馈控制系统。22前馈控制系统前馈控制系统n n 前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是 扰动是控制的依据 控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控

9、制系统。它是 控制系统。它是开环控制系统 开环控制系统，无法检查其控制效果，无法检查其控制效果，故不能单独应用。故不能单独应用。33前馈前馈反馈控制系统反馈控制系统n n 前馈控制主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量 前馈控制主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量影响，前馈反馈控制利用反馈控制克服其它扰动，系 影响，前馈反馈控制利用反馈控制克服其它扰动，系统稳定时，使被控量迅速而准确地稳定在给定值上提高 统稳定时，使被控量迅速而准确地稳定在给定值上提高系统的控制质量 系统的控制质量。（二）按给定值信号分类（二）按给定值信号分类1 1定值控制系统 定值控制系统n n 工业生产过程中大多数工

10、艺要求系统的被控量能稳定在某一给 工业生产过程中大多数工艺要求系统的被控量能稳定在某一给定值上，定值控制系统是应用最多的一种控制系统。若由于扰 定值上，定值控制系统是应用最多的一种控制系统。若由于扰动作用，偏差一旦出现，系统便产生控制作用克服扰动对被控 动作用，偏差一旦出现，系统便产生控制作用克服扰动对被控量的影响，使被控量稳定在给定值。量的影响，使被控量稳定在给定值。2 2随动控制系统 随动控制系统n n 随动控制系统是被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。随动控制系统是被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。3 3程序控制系统 程序控制系统n n 程序控制系统被控量的给定值是按预定的时间

11、程序而变化的。程序控制系统被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。二、过程控制系统的分类第二节 过程控制系统的特点11系统由过程检测控制仪表组成系统由过程检测控制仪表组成22被控过程的多样性被控过程的多样性33控制方案的多样性控制方案的多样性44控制过程多属慢过程和参量控制控制过程多属慢过程和参量控制55定值控制是过程控制的一种主要形式定值控制是过程控制的一种主要形式第二节 过程控制系统的特点一、连续生产过程的自动控制连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具

12、，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制一个过程控制系统是由被控和过程检测控制仪表两部分组成。第二节 过程控制系统的特点三、被控过程是多种多样的、非电量的现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性第二节 过程控制系统的特点四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制 因为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制第二节 过程控制系统的特点五、过程控制方案十分丰富单变量

13、控制系统、多变量控制系统；仪表过程控制系统、计算机集散控制系统；复杂控制系统，满足特定要求的控制系统第二节 过程控制系统的特点六、定值控制是过程控制的一种常用方式过程控制的目的：消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低耗能的目标。第二节 过程控制系统的特点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。第三节 过程控制系统的质量指标 最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶最典型

14、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。跃信号，观察其阶跃响应的品质。阶阶跃跃响响应应分分给给定定阶阶跃跃响响应应和和干干扰扰阶阶跃跃响响应应两两类类。其其阶阶跃跃响响应应曲曲线线有有所所不不同同，但但反反映映的的控控制制系系统的性能指标是一致的。统的性能指标是一致的。第三节第三节 过程控制系统的质量指标过程控制系统的质量指标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(a)干扰阶跃响应t0y第三节第三节 过程控制系统的质量指标过程控制系统的质量指标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(b)给定阶跃响应0ty1）余差C 过渡过程结束

15、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1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标2）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图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标衰减比 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

16、：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%yry1y3Cy()TpTSTt最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。3）最大动态偏差A和超调量 最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即:A=ymax-r 图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTtA第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标 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1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰

17、动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt4）过渡过程时间Ts Ts是指从过渡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1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标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1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt5）峰值时间Tp 又称上升时间，是指过渡过程开

18、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1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标 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

19、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q 稳定性 衰减比n=4:110:1最佳 q 准确性 余差C小好 最大偏差 A 小好q 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分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。二、误差（偏差）性能指标 单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的

20、响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标tyrCy()yrCy()t偏差积分的原始定义：IE=e(t)dt0偏差的定义存在分歧：e(t)=y(t)-y()不能表达余差 e(t)=y(t)-y(r)如有余差则积分无穷大第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标偏差积分指标有以下几种形式：偏差积分IE（Integral of Error）图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt缺点：不能保证系统是衰减振荡。第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标绝对偏差

21、积分IAE（Integral Absolute value of Error）图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt 排除了正负偏差抵消的可能。第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt 平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）对大偏差敏感 第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标时间与绝对偏差乘积积分ITAE（Integral of Time multiplied by the Absolute

22、 value of Error）对调节时间敏感 图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第三节 第三节 过程控制系统的质量指标 过程控制系统的质量指标控制系统的误差性能指标小结n n采用不同的积分公式意味着估计整个过渡过程优采用不同的积分公式意味着估计整个过渡过程优良程度时的侧重点不同。良程度时的侧重点不同。ISE ISE着重于一直过渡过程中的大误差；着重于一直过渡过程中的大误差；ITAE ITAE着重惩罚过渡过程拖得过长。着重惩罚过渡过程拖得过长。n n误差积分指标的缺点：不能保证控制系统具有合误差积分指标的缺点：不能保证控制系统具有合适的衰减率，而

23、衰减率是人们首先关注的。适的衰减率，而衰减率是人们首先关注的。第四节 过程控制系统的发展概况n n 发展经历三个阶段 发展经历三个阶段 一、仪表化与局部自动化阶段一、仪表化与局部自动化阶段 n n 年代：年代：5060 5060年代 年代n n 组成：基地仪表（多数是气动仪表）组成：基地仪表（多数是气动仪表）机构部件 机构部件n n 特点：单输入 特点：单输入 单输出的单回路定值控制系统；对 单输出的单回路定值控制系统；对生产过程的热工参数，如温度，压力，流量和液位 生产过程的热工参数，如温度，压力，流量和液位进行自动控制；控制目的是保持这些参数的稳定。进行自动控制；控制目的是保持这些参数的稳

24、定。n n 理论：频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论 理论：频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。二、综合自动化阶段（局部自动化、智能化）二、综合自动化阶段（局部自动化、智能化）n n 年代：年代：7080 7080年代 年代n n 组成：电子仪表、智能仪表（多数是电动）组成：电子仪表、智能仪表（多数是电动）机 机构部件 构部件n n 特点：大量采用单元组合仪表（包括气动和电动）特点：大量采用单元组合仪表（包括气动和电动）和组装式仪表 和组装式仪表；实现直接数字控制；实现直接数字控制(DDC)(DDC)和设定值 和设定值控制 控制(SPC)(SPC)；系统结构方面采用复杂控制系统，例如，；系

25、统结构方面采用复杂控制系统，例如，串级、比值、均匀和前馈 串级、比值、均匀和前馈 反馈控制等 反馈控制等。n n 理论：除经典控制理论外，现代控制理论以解决实 理论：除经典控制理论外，现代控制理论以解决实际生产过程中遇到的更为复杂的问题。际生产过程中遇到的更为复杂的问题。第四节 第四节 过程控制系统的发展概况 过程控制系统的发展概况三、全盘自动化阶段（集散系统、现场总线）三、全盘自动化阶段（集散系统、现场总线）n n 年代：年代：90 90n n 组成：微型计算机 组成：微型计算机n n 特点：特点：对整个工艺流程，对整个工艺流程，全工厂，乃至整个企业集团公 全工厂，乃至整个企业集团公司进行集

26、中控制和经营管理以及应用多台微机对生产过 司进行集中控制和经营管理以及应用多台微机对生产过程进行控制和多参数综合控制。程进行控制和多参数综合控制。在 在检测变送方面 检测变送方面，除了热工参数的检测变送以外，除了热工参数的检测变送以外，粘度、湿度、粘度、湿度、PH PH值及成分的在线检测与数据处理的应用 值及成分的在线检测与数据处理的应用日益广泛。日益广泛。模拟过程检测控制仪表 模拟过程检测控制仪表的品种、规格增加，可靠 的品种、规格增加，可靠性提高，具有安全火花防爆 性提高，具有安全火花防爆(DDZ)(DDZ)性能，可用于易 性能，可用于易燃易爆场合。燃易爆场合。三、全盘自动化阶段（集散系统

27、、现场总线）三、全盘自动化阶段（集散系统、现场总线）n n 特点：以微处理器为核心的 特点：以微处理器为核心的单元组合仪表 单元组合仪表正向着微型化，正向着微型化，数字化，智能化和具有通讯能力方向发展。数字化，智能化和具有通讯能力方向发展。过程控制系统的结构方面，过程控制系统的结构方面，也从单参数单回路 也从单参数单回路的仪表控制系统发展到多参数多回路的微机控制系统。的仪表控制系统发展到多参数多回路的微机控制系统。n n 现场总线控制系统 现场总线控制系统是一种全分散、全数字化、智能 是一种全分散、全数字化、智能化、双向、互联、多变量、多点和多站的通讯和控 化、双向、互联、多变量、多点和多站的

28、通讯和控制系统。它的出现给过程控制系统带来了一次全新 制系统。它的出现给过程控制系统带来了一次全新的革命性的变化。是过程控制系统的发展方向。的革命性的变化。是过程控制系统的发展方向。n n 理论：除经典控制理论外，现代控制理论以解决实际生 理论：除经典控制理论外，现代控制理论以解决实际生产过程中遇到的更为复杂的问题。产过程中遇到的更为复杂的问题。电厂集控室 渭河电厂巴基斯坦古杜电厂 核电厂 武钢 哈尔滨伊兰煤气 污水处理厂扬子石化 自来水厂控制柜控制柜内部控制柜内PLC过程控制实验室“过程控制系统”课程的性质和任务一、过程控制系统课程的性质1、是自动化专业的专业课2、自动化仪表、微型计算机是构成过程控制的重要自动化技术工具，是实现工业生产过程自动化的重要装置，也是实现过程控制的前提3、在工业生产过程中，将生产过程控制在最佳的工况下运行，减少原材料和动力的消耗，降低成本，实现优质、高产、低耗，保证安全生产，防止事故发生，延长设备使用寿命，提高设备利用率，减轻劳动强度，改善劳动条件，保护环境卫生，维护生态平衡二、过程控制系统课程的任务1、了解连续工业过程的生产特点及要求2、应用自动控制理论、控制技术和自动化仪表来设计过程控制系统及实际工程中的有关问题3、能过解决过程控制工程中的一般问题，具有分析和设计比较复杂的过程控制系统能力作业n n 习题 1-2