过程装备控制技术PPT课件.ppt

过程装备控制技术 主讲 刘安生 2020 3 21 1 课程简介课程性质 专业方向课计划学时 48考核 平时成绩20 考勤 作业 期末闭卷考试成绩 80 现在点名了 主要教学内容 一 控制系统的基本概念二 过程装备控制基础三 过程检测技术四 过程控制装置五 典型过程控制系统应用方案六 先进过程控制系统简介 2020 3 21 4 生产过程自动化的意义 生产过程自动化是提高社会生产力的有力工具之一 它在确保生产正常运行 提高产品质量 降低能耗 降低生产成本 改善劳动条件 减轻劳动强度等方面具有巨大的作用 自20世纪30年代以来 随着自动控制理论的不断发展以及电子计算机的出现 自动化技术已取得了惊人的成就 在工业生产和科学发展中起到关键的作用 当前 自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分 可以说 如果不配置合适的自动控制系统 大型生产过程是根本无法运行的 实际上 生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志 2020 3 21 5 2020 3 21 6 第一章控制系统的基本概念 1控制系统的基本概念 www L 3 21 2020 7 教学目标和要求 1 了解生产过程自动化系统所包含的内容以及过程装备控制的任务和要求 2 掌握自动控制系统的基本概念 基本组成 3 掌握控制系统的类型划分及性能指标 1控制系统的基本概念 3 21 2020 www L 7 2020 3 21 8 1控制系统的基本概念 学习重点 1 控制系统的组成 结构 分类及其过渡过程和性能指标 2 控制系统的方框图 学习难点 实际问题中控制系统方框图的绘制 www L 3 21 2020 9 教学内容 1 1概述1 2控制系统的组成1 3控制系统的方框图1 4控制系统的分类1 5控制系统的过渡过程及其性能指标 1控制系统的基本概念 3 21 2020 www L 9 2020 3 21 10 1 1概述 过程装备控制是指在过程设备上 配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动 使设计 制造 装配 安装等在不同程度上自动地进行 这种利用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化 1控制系统的基本概念 www L 2020 3 21 11 生产过程自动化 提高产品质量 降低能耗 降低生产成本 改善劳动条件 减轻劳动强度 1控制系统的基本概念 生产正常运行 www L 2020 3 21 12 1控制系统的基本概念 生产过程自动化的发展 仪表自动化 计算机控制 综合自动化 www L 2020 3 21 13 1控制系统的基本概念 仪表自动化阶段 20世纪40年代前后 主要凭生产实际经验 局限于一般的控制元件及机电式控制仪器 实现生产设备就地分散的局部自动控制 20世纪50至60年代 先后出现了电动与气动单元组合仪表和巡回检测装置 采用了集中监控与集中操纵的控制系统 实现了工厂仪表化和局部自动化 采用的是以频率法和轨迹法为主体的经典控制理论 主要解决的单输入 单输出的定值控制系统的分析和综合问题 www L 2020 3 21 14 1控制系统的基本概念 计算机控制阶段 20世纪70至80年代 采用计算机DDC 直接数字控制器 与SCC 监督计算机控制 系统 www L 3 21 2020 15 1控制系统的基本概念 计算机控制阶段 20世纪70至80年代 采用计算机DDC 直接数字控制器 与SCC 监督计算机控制 系统 70年代中期 开发了DCS 分布式计算机控制系统 控制系统 3 21 2020 www L 15 3 21 2020 16 1控制系统的基本概念 计算机控制阶段 20世纪70至80年代 采用计算机DDC 直接数字控制器 与SCC 监督计算机控制 系统 70年代中期 开发了DCS 分布式计算机控制系统 控制系统 采用经典控制理论的同时 现代控制理论开始得到应用 最优控制 推理控制 预测控制 自适应控制等控制方法得到了比较迅速的发展 3 21 2020 www L 16 2020 3 21 17 1控制系统的基本概念 综合自动化阶段 用一对N结构代替一对一结构 互换性 互操作性好 采用了第三代的智能控制理论 智能控制是将人工智能 控制理论和运筹学三大学科相结合得到的一种控制理论 www L 2020 3 21 18 自动检测系统 1 1 1生产过程自动化系统所包含的内容 生产过程自动化系统 采用检测仪表 如热电偶 热电阻 压力传感器等 对温度 压力 流量 液位等进行测量 自动控制的依据 www L 3 21 2020 19 自动检测系统 信号联锁系统 1 1 1生产过程自动化系统所包含的内容 生产过程自动化系统 一种安全装置 包括信号报警和联锁保护 3 21 2020 www L 19 3 21 2020 20 自动检测系统 信号联锁系统 自动操纵系统 1 1 1生产过程自动化系统所包含的内容 生产过程自动化系统 按预先规定的程序周期性操作 如PLC程序控制 3 21 2020 www L 20 3 21 2020 21 自动检测系统 信号联锁系统 自动操纵系统 自动控制系统 1 1 1生产过程自动化系统所包含的内容 生产过程自动化系统 根据实际的工艺参数变化进行自动调节 如PID调节器 计算机数控等 3 21 2020 www L 21 2020 3 21 22 1 1 2过程装备控制的任务和要求 过程控制一般是对生产过程中的有关参数进行控制 主要对系统的温度 压力 流量 液位 或物位 成分和物性六大参数进行控制 使其保持为一定值或按照一定规律变化 在保证质量和生产安全的前提下 使生产自动进行下去 过程控制的任务 www L 2020 3 21 23 1 1 2过程装备控制的任务和要求 过程控制的特点 对象复杂多样 对象存在滞后 对象特性的非线性 控制系统较复杂 www L 2020 3 21 24 1 1 2过程装备控制的任务和要求 安全性 经济性 稳定性 过程控制的要求 是指整个生产过程中确保人身和设备的安全 最重要也是最基本的 是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少 也就是要求生产成本低而效率高 是指系统应具有抵抗外部干扰 保持生产过程长期稳定运行的能力 www L 2020 3 21 25 www L 2020 3 21 26 www L 2020 3 21 27 www L 2020 3 21 28 1 1 2过程装备控制的任务和要求 www L 2020 3 21 29 1 2 1过程装备的控制 装置控制要求 汽包水位保持在一定范围内 1 2 1过程装备的控制 www L 2020 3 21 30 自动控制与人工控制比较 在自动控制系统中 测量仪表 控制仪表 自动调节阀分别代替人工控制中人的观察 思考和手动操作 因而大大降低了人的劳动强度 同时由于仪表的信号测量 运算 传输 动作速度远远高于人的观察 思考和操作过程 因此自动控制可以满足信号变化速度快 控制要求高的场合 1 2 1过程装备的控制 www L 2020 3 21 31 1 2 2控制系统的组成 被控对象 在自动控制系统中 工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象 简称对象 各种塔设备 反应器 泵 压缩机以及各种容器 贮罐 贮槽 1 2 2控制系统的组成 www L 2020 3 21 32 1 2 2控制系统的组成 测量元件和变送器 测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号 电流信号或气压信号 的仪器 在系统中起着 眼睛 的作用 要求准确 及时 灵敏 www L 2020 3 21 33 调节器 又称控制器 主要是得到偏差信号 根据运算规律得到控制信号 并将控制信号传送给执行器 1 2 2控制系统的组成 www L 2020 3 21 34 执行器 接受调节器送来的信号 改变阀门的开度 从而改变输送给被控对象的能量或物料量 常用的执行器是气动薄膜调节阀 1 2 2控制系统的组成 www L 2020 3 21 35 在一个自动控制系统中 上述四个部分是必不可少的 除此之外 还有一些辅助装置 例如给定装置 转换装置 显示仪表等 1 2 2控制系统的组成 www L 2020 3 21 36 1 3控制系统的方框图 图中的每一个方框代表控制系统的一个组成部分 称为 环节 给定值信号和干扰信号是输入信号 被控变量或其测量值是系统的输出信号 方框图中的圆圈称为 加法器 用于信号相加或相减 当两个信号相减 即e ys ym 又可称为比较元件 1 3控制系统的方框图 www L 2020 3 21 37 被控变量y指需要控制的工艺参数 如锅炉汽包的水位 反应器的温度 燃料流量等 它是被控对象的输出信号 给定值 或设定值 ys对应于生产过程中被控变量的期望值 最常见的内给定值是一个常数 测量值ym由检测元件得到的被控变量的实际值 1 3控制系统的方框图 控制系统常用术语 www L 2020 3 21 38 操纵变量 或控制变量 m受控于调节阀 用以克服干扰影响 具体实现控制作用的变量称为操纵变量 它是调节阀的输出信号 干扰 或外界扰动 f引起被控变量偏离给定值的 除操纵变量以外的各种因素 最常见的干扰因素是负荷改变 电压 电流的波动 气候的变化 偏差信号e在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差 通常把给定值与测量值的差作为偏差 即e ys ym 控制信号u控制器将偏差按一定规律计算得到的量 1 3控制系统的方框图 www L 2020 3 21 39 1 4控制系统的分类 1 4控制系统的分类 按给定值的特点划分 定值控制系统定值控制系统的给定值是恒定不变的 因此称为 定值 是生产过程控制中最常见的 随动控制系统随动控制系统的给定值是一个不断变化的信号 也就是说给定值的变化是随机的 程序控制系统程序控制系统的给定值是一个不断变化的信号 但这种变化是一个已知的时间函数 即给定值按一定的时间程序变化 www L 2020 3 21 40 1 4 2按系统输出信号对操纵变量影响划分 控制系统输出信号对操纵变量影响划分 闭环控制在闭环控制系统中 系统输出信号的改变会返回影响操纵变量 所以操纵变量不是独立的力量 它依赖于输出变量 闭环控制系统的最常见形式是负反馈控制系统 开环控制开环控制系统的操纵变量不受系统输出信号的影响 人工控制即为开环控制系统 图1 1 a 中的人工控制即为开环控制系统 www L 2020 3 21 41 1 4 3按系统的复杂程度划分 按系统的复杂程度划分 简单控制系统一般称图1 2所示的控制系统为简单控制系统 这类控制系统只有一个简单的反馈回路 复杂控制系统包含多个调节器 检测变送器或执行器 从而形成系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个输出信号 www L 2020 3 21 42 1 4 3按系统的复杂程度划分 www L 2020 3 21 43 1 4 3按系统的复杂程度划分 图中TC为温度调节器 TT温度测量变送器 www L 2020 3 21 44 1 4 4按系统克服干扰的方法划分 按系统克服干扰的方法划分 反馈控制系统当干扰f使系统的被控变量发生改变时 被控变量反馈至系统输入端与给定值相比较得到偏差信号 经调节器及调节阀影响操纵变量以减弱或消除被控变量的变化 www L 2020 3 21 45 前馈控制系统当干扰f引起被控对象的输出y2改变时 控制系统测得干扰信号的大小 并输入前馈补偿器 或称前馈控制器 由前馈补偿器的输出去控制操纵变量m 引起被控对象输出y1的改变 并且y1与y2的方向相反由此减弱或消除被控变量y受干扰影响而产生的变化 当前馈完全补偿时 有y y1 y2 0 1 4 4按系统克服干扰的方法划分 www L 2020 3 21 46 前馈 反馈控制系统当以上两种控制系统复合在一起时 就构成前馈 反馈控制系统 这种系统当受到干扰f的影响时 可以通过前馈控制器使被控变量不变 若前馈补偿不完全 还可以通过反馈控制系统加以修正 1 4 4按系统克服干扰的方法划分 www L 2020 3 21 47 1 5控制系统的过渡过程及其性能指标 处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用后 被控变量会发生变化而偏离给定值 系统进入过渡过程 过渡过程的概念 从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起 调节器开始发挥作用 使被控变量回复到给定值附近 这个过程就是控制系统的过渡过程 1 5控制系统的过渡过程及其性能指标 www L 2020 3 21 48 1 5 1控制系统的过渡过程 生产过程中 干扰的形式是多样的 而且大部分都属于随机性质 其中阶跃干扰对控制系统的影响最大 且最为多见 在阶跃干扰的作用下 控制系统的过渡过程有如图1 9所示的几种基本形式 www L 2020 3 21 49 1 5 1控制系统的过渡过程 发散振荡过程一种不稳定的过渡过程 因此要尽量避免 www L 2020 3 21 50 1 5 1控制系统的过渡过程 等幅振荡过程被控变量在某稳定值附近振荡 而振荡幅度恒定不变 一般不采用 www L 2020 3 21 51 1 5 1控制系统的过渡过程 衰减振荡过程被控变量在稳定值附近上下波动 经过两三个周期就稳定下来 这是一种稳定的过渡过程 www L 2020 3 21 52 1 5 1控制系统的过渡过程 非振荡的单调过程它表明被控变量最终稳定下来了 是一个稳定的过渡过程 其回复到平衡状态的速度慢 时间长 一般不采用 www L 2020 3 21 53 1 5 2控制系统的性能指标 1 以阶跃响应曲线形式表示的质量指标最大偏差A 对一个定值控制系统来说 最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差 或超调量 在随动控制系统中 通常采用超调量 1 5 2控制系统的性能指标 www L 2020 3 21 54 1 5 2控制系统的性能指标 衰减比n是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比 即B1 B2 一般用n 1表示 一般希望n在4 1 10 1之间 中国多习惯采用4 1 www L 2020 3 21 55 1 5 2控制系统的性能指标 回复时间 也称过渡时间 是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔 给定值 www L 3 21 2020 56 1 5 2控制系统的性能指标 余差e 是指过渡过程终了时 被控变量新的稳态值与设定值之差 3 21 2020 www L 56 3 21 2020 57 1 5 2控制系统的性能指标 振荡周期T过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔称为振荡周期 3 21 2020 www L 57 2020 3 21 58 1 5 2控制系统的性能指标 2 偏差积分性能指标是系统动态特性的一种综合性能指标 以对整个过渡过程曲线的形状作评价 一般采用误差函数的积分形式表示 假定控制系统希望输出与实际输出分别为r t 和y t 则定义误差 又称偏差 e t 为e t r t y