1 过程控制系统 概述.ppt

测控技术与仪器系程竹明E mail czm602 电话过程控制系统 教材和主要参考书目 1 教材 过程控制系统 第2版 方康玲 武汉理工大学出版社 20072 参考教材 过程控制工程 孙洪程 高等教育出版社 2006 工业生产过程控制 何衍庆 化工出版社 2007 过程控制系统 俞金寿 机械工业出版社 2009 过程控制工程 王树青 化工出版社 2008 成绩评定与学习要求 一 成绩评定 1 平时成绩30 出勤率 作业 课堂表现 实验等 2 考试成绩70 二 学习要求 1 坚持听课 避免与考研的冲突 2 掌握系统的原理 3 勤于思考 灵活应用 4 及时复习 总结 与自动控制理论的联系 思考自控的内容 与运动控制系统的区别 主要应用场合 支撑课程以及相关基础课程 在整个自动化大类专业中的地位 本课程在自动化类专业中的地位和作用 基本概念过程控制系统的概念和发展状况控制对象的数学模型系统的构成 检测与变送器调节器的设计执行器简单控制系统复杂控制系统 串级 比值 前馈等 先进控制系统 模糊 神经网络 预测 解耦等 计算机过程控制系统 本课程主要内容 过程控制的任务与目标 1 1 过程控制系统的组成与特点 1 2 过程控制系统的性能指标 过程控制的进展 第一章概述 1 3 1 4 生产过程 是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程 生产过程的总目标 以最经济的途径将原物料加工成预期的产品 过程控制的任务 了解工艺流程和动静态特性 实现生产过程的控制目标 1 1过程控制的任务与目标 生产过程的要求 安全性 稳定性 经济性 1 安全性 生产过程中 确保人身和设备安全是最重要和最基本的要求 2 稳定性 系统抑制外部干扰 保持生产过程长期稳定运行的能力 3 经济性 低成本高效益是过程控制的另一个目标 工业过程可以分为 连续过程工业 离散过程工业和间隙过程工业 过程控制主要是指连续过程工业的控制 1 2 1过程控制系统系统组成 1 2过程控制系统的组成与特点 由以下几部分组成 1 被控过程 或对象 2 用于生产过程参数检测的检测与变送器 3 控制器 调节器 4 执行器 5 报警 保护和连锁等其它部件 控制器 或称调节器 根据系统输出测量值与设定值r的偏差 按照一定的控制算法输出控制量u 对被控过程进行控制 执行器 如调节阀 接受控制器送来的控制信息调节被控量 达到预期的控制目标 过程的输出信号通过检测与变送器 反馈到控制器的输入端 构成闭环控制系统 示例分析 工艺原理 转炉是炼钢生产中的一种设备 熔融的铁水装入转炉后 通过氧枪供给转炉一定的氧气 进行吹氧 使铁水中的碳氧化燃烧 不断降低铁水中的含碳量 控制要求 控制吹氧量和吹氧时间 可以获得不同品种的钢产品 控制系统工作原理 由图可见 从节流装置采集到的氧气流量 送入流量变送器FT 再经过开方器 其结果送到流量控制器 调节器 FC作为流量反馈值 与供氧量的设定值比较 得到偏差值 经过流量控制器 调节器 FC进行PID运算 输出控制信号 去控制调节阀的开度 从而改变供氧量的大小 以满足生产工艺要求 1 2 2过程控制的特点 一 过程工业的特点 过程控制是指连续过程工业 是十分复杂的大系统 存在不确定性 时变性以及非线性等因素 过程控制的难度大 工业过程生产环境恶劣 生产条件苛刻 更强调实时性和整体性 全局优化比较重要 有可能采用智能控制方法和计算机控制技术 二 过程控制的特点1 被控过程的多样性石油化工过程 钢铁生产中的冶炼和轧制过程 核工业中的动力核反应过程 制药 食品等等 过程控制系统中的被控对象 被控量 是多样的 2 控制方案的多样性生产工业的特点 被控过程的多样性决定控制方案的多样性 系统硬件和控制算法 软件设计的多样性 仪表控制系统 由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成 控制方法 单变量过程控制系统 多变量过程控制系统 控制算法 PID控制 智能控制等 3 被控过程属慢过程 多参数控制连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程 4 定值控制是主要形式被控参数的设定值为一个定值 减小或消除外界干扰 使被控量尽量保持接近或等于设定值 5 过程控制有多种分类方法按被控参数分类 温度 压力 流量 液位或物位控制系统 物性控制系统 成分控制系统 按被控量数分类 单变量过程控制系统 多变量过程控制系统 按设定值分类 定值控制系统 随动 伺服 控制系统 程序控制系统 按参数性质分类 集中参数控制系统 分布参数控制系统按控制算法分类 简单控制系统 复杂控制系统 先进或高级控制系统按控制器形式分类 常规仪表过程控制系统 计算机过程控制系统 工业过程控制的要求 稳定性 准确性 快速性 定值控制系统的特点 在于恒定 要求克服干扰 使系统的被控参数能稳 准 快地保持接近或等于设定值 随动 伺服 控制系统 主要目标是跟踪 即稳 准 快地跟踪设定值 1 3过程控制系统的性能指标 1 衰减比和衰减率衰减比 等于两个相邻同向波峰值之比 是衡量振荡过程衰减程度的指标 衰减率 衡量振荡过程衰减程度的另一种指标 经过一个周期以后 波动幅度衰减的百分数 注 过程控制系统的衰减比为4 1到10 1 相当于衰减率 0 75到0 9 若衰减率 0 75 大约振荡两个周期系统进入稳态 2 最大动态偏差和超调量最大动态偏差是指在阶跃响应中 被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量 表现在过渡过程开始的第一个波峰 如超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比 最大动态偏差是过程控制系统动态准确性的衡量指标 3 余差余差是指过渡过程结束后 被控量新的稳态值与设定值的差值 它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标 4 调节时间ts和振荡频率调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间 理论上它应该为无限长 一般认为当被控量进入其稳态值的 5 范围内 就算过渡过程已经结束 这时所需时间就是调节时间 调节时间是过程控制系统快速性的指标 过渡过程的振荡频率是振荡周期的倒数 即 在同样的振荡频率下 衰减比越大则调节时间越短 当衰减比相同时 则振荡频率越高 调节时间越短 振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标 1 4 1过程控制装置进展1 在二十世纪40年代以前 处于手工操作状态 操作工人通过对火候 冷热 色泽 形状等的观察来调整生产过程 2 二十世纪50年代前后 实现仪表控制和局部自动化 采用的是基地式仪表和部分组合仪表 3 二十世纪60年代随着电子技术的迅速发展 采用单元组合仪表 包括气动与电动 以及组装仪表 以4 20mA和0 10mA电动模拟信号为统一标准信号的电动模拟控制系统 1 4过程控制的进展 与此同时 计算机开始用于过程控制领域 1946年世界上第一台计算机诞生 1959年工业控制计算机 ProcessControlComputer 如TR300等 在化肥厂和炼油厂试用于控制生产过程 60年代中期 出现了用计算机实现的直接数字控制DDC DirectDigitalControl 系统和计算机监控SCC SupervisoryComputerControl 系统 直接数字控制 本质 用一台计算机取代一组模拟调节器 构成闭环控制回路 用数字控制技术简单地取代模拟控制技术 起始于50年代末期 开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代 优点 计算灵活 精度高 它不仅能实现典型的PID控制规律 还可以分时处理多个控制回路 此外 此DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制 问题 当时的计算机系统的价格昂贵 计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求 集中型计算机控制系统 出发点 由于当时的计算机系统的体积庞大 价格非常昂贵 为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争 企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路 优越性 从表面上看 信息集中 集中型计算机控制可以实现先进控制 联锁控制等各种更复杂控制功能 便于实现优化控制和优化生产 问题 由于当时计算机总体性能低 运算速度慢 容量小 利用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载 而且控制的集中也直接导致危险的集中 高度的集中使系统变得十分 脆弱 在当时 集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处 反而可能严重影响正常生产 因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受 曾一度陷入困境 计算机监控系统 SCC 计算机监控系统 SupervisoryComputerControl 简称SCC 它是利用计算机对工业生产过程进行监督管理和控制的计算机控制系统 监督控制是一个二级控制系统 DDC计算机直接对被控对象和生产过程进行控制 其功能类似于DDC直接数字控制系统 直接数字控制系统的设定值是事先规定的 但监督控制系统可以通过对外部信息的检测 根据当时的工艺条件和控制状态 按照一定的数学模型和优化准则 在线计算最优设定值 并及时送至下一级DDC计算机 实现自适应控制 使控制过程始终处于最优状态 监督控制系统结构图如图所示 4 二十世纪70年代中期 推出了分布式计算机控制系统DCS DistributedControlSystem 集散系统 和可编程序控制器 PLC 5 二十世纪80年代以来 一方面分布式计算机控制系统DCS成为流行的过程控制系统 另一方面 兼顾连续控制和逻辑控制 顺序控制功能的复合控制系统HCS HybridControlSystem 得到发展 它可以是基于DCS而增添逻辑顺序功能的系统 也可以是基于PLC而增添连续控制功能的系统 另外 各厂家相继推出了各种数字化智能变送器和智能化数字执行器 以现场总线 Fieldbus 为标准 实现以微处理器为基础的现场总线网络控制系统FCS FieldbusControlSystem 现场总线控制系统FCS进一步将控制功能分散 增强了系统的灵活性和可靠性 集散控制系统 出发点 2个方面 1 不能采取控制回路高度集中的设计思想 需要把控制功能分散到若干个控制站实现 以提高系统的可靠性 2 考虑到整个生产过程的整体性 各个控制系统 回路 的运行应当服从工业生产管理的总体目标 DCS的功能层次 通常分为 直接控制级 过程管理级 生产管理级 经营管理级 各级从 上级 获取指示 从 下级 获取信息 产生对 下级 的控制 直接控制 经营管理 生产管理 过程管理 连续过程 间歇过程 离散过程 经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层 负责全厂广泛的工程 经济 商务 人事以及其它的工作 如 市场分析 销售和生产计划 过程管理级主要功能包括回路组态 优化控制 性能监视 故障监测 记录 报警 生产管理主要完成生产规划 生产监视 根据用户订单 库存 能耗约束 能耗需求等指标进行生产调度 在许多DCS中 这级就充当最高管理层 直接控制级主要功能包括现场数据采集 过程监视 故障诊断 控制输出 安全性能和冗余性能的实施 在很多情况下 功能层次和物理层次不一定完全相同 常常将2个或多个功能层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现 这使DCS得以大大简化 DCS的发展过程 现场总线控制系统 传统计算机控制系统的结构示意图 朴素意义上的FCS结构示意图 定义 是连接智能现场装置和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 支持双向 多节点 总线式的全数字通讯 双向数据通信能力避免了反复进行A D D A的转换 把控制任务下移到现场设备 以实现测量控制一体化全分散 本质 特点 评价 已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业 革命 现场总线控制系统 在控制装置发展的同时 产生出许多智能传感器和执行器 能提供仪表状态和诊断的信息 具有通讯功能 便于调试 投运 维护和管理 一些重要的生产过程逐渐采用技术先进在线分析仪器 如 近红外 质谱 色谱 专用生化过程传感器等等 光 机 电传感技术以及厚膜电路等先进加工工艺的应用 使工业仪表显得异彩纷呈 近年来 以太网技术逐渐渗入到工业自动化领域 随着高速以太网的到来 智能以太网交换机的使用和耐工业环境 防尘 防潮 防爆 耐腐蚀 抗电磁干扰等 以太网器件的面市 工业以太网将会更加广泛地在工业自动化中得到应用 从而使过程控制系统更为灵活 方便和经济 过程控制策略与算法出现了三种类型 简单控制 复杂控制 先进控制通常将单回路PID控制称为简单控制 PID控制以经典控制理论为基础 主要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合 目前 PID控制仍然得到广泛应用 在许多DCS和PLC系统中 均设有PID控制算法软件 或PID控制模块 1 4 2过程控制策略与算法的进展 从二十世纪50年代开始 过程控制界逐渐发展了串级控制 比值控制 前馈控制 均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法 称之为复杂控制 二十世纪70年代中后期 出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置 为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台 从80年代开始 在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上 针对工业过程本身的非线性 时变性 耦合性和不确定性等特性 提出了许多行之有效的解决方法 如解耦控制 推断控制 预测控制 模糊控制 自适应控制 人工神经网络控制等 常统称为先进过程控制 近十几年来 以专家系统 模