过程控制第1章绪论课件PPT课件.ppt

过程控制 教材 过程控制华中科技大学出版社主编 杨三青等 参考书目 过程控制工程 邵裕森 戴先中机械工业出版社 控制仪表及装置 吴勤勤化学工业出版社 1 关于自动控制应用领域 过程控制 工业部门 石油 电力 冶金 化工等工业 生产过程的自动化 被控变量 T P F L A等 运动控制 伺服控制 位置控制 对机械运动部件的位置 速度等进行实时的控制管理 使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动 如导弹 数控机床 电机等 自动控制 第一章绪论 2 1 1过程控制技术发展概况 过程控制的发展 只有少量的检测仪表用于生产过程监测 20世纪40年代 基地式仪表和部分单元组合仪表 气动 型和电动 型 过程控制系统 单输入 单输出系统 经典控制理论 T P F L 定值 简单 随 控制理论 自动化仪表 微型计算机 技术 第一阶段 20世纪40年代前 手工操作状态 3 第二阶段 20世纪60年代 仪表化与局部自动化 过程控制系统 复杂控制系统 串级 比值 前馈等 自动化仪表 电动单元组合仪表 DDZ 控制理论 现代控制理论 多输入 多输出系统 4 1 直接数字控制系统 DDC 本质 一台计算机取代多台常规调节仪表 CRT 键盘 DDC计算机 A D D A 被控过程 对象 被控变量 操纵变量 DDC控制系统原理图 测量变送 多路开关 功放驱动 执行器 特点 全工厂整个工艺流程集中控制 多参数综合控制 采用智能单元组合仪表 微处理器为核心 第三阶段 20世纪70 80年代 计算机集中式数字控制 缺点 计算机一坏 整个系统全部瘫痪 5 2 集散控制 DCS 集散控制系统原理结构框图 集中管理 分散控制 集中 分散 6 1 现场总线控制 FCS 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 特征 全数字化 全分散 现场设备互操作性 开放式互联 网络化 现场设备 第四阶段 20世纪90年代至今 现场总线 计算机集成过程系统 7 2 计算机集成过程系统 CIPS 组成 生产管理高级控制层 优化层 基础控制层特点 综合自动化系统 实现整个生产系统的最优化控制 过程控制策略与算法的发展 简单控制阶段 单回路PID控制 复杂控制阶段 串级 比值 前馈 均匀控制 先进过程控制阶段 解耦 自适应 模糊 神经网络控制 8 生产过程的连续性被控过程的复杂性控制方案的多样性常用形式 定值控制组成 过程检测 控制仪表 过程工业的特点 过程工业是指 生产过程中 物料常以流体形态 如气态 液态 多相混合流体 在密闭的管路和容器中 进行物质的 能量的传递与交换 其参数是随时间而发生着连续不断的变化 1 过程控制系统的特点 9 过程控制系统的主要内容 自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量 指示或记录 自动信号和联锁保护系统自动信号系统 当工艺参数超出要求范围 自动发出声光信号 联锁保护系统 工况达到危险状态时 联锁系统立即自动采取紧急措施 打开安全阀或切断某些通路 必要时紧急停车 蒸汽 凝液 进料 T 10 自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统 根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 自动开停车系统 按预先规定好的步骤将生产过程自动地投入运行或自动停车 自动控制系统利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制 使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时 能自动地回到规定范围 11 进料口 执行器 液位人工控制 液位自动控制 液位检测变送装置 液位控制器 可用一套自动化装置代替人眼 脑 手的作用 完成水槽中液位高低的自动控制任务 1 3过程控制系统组成 给定值 眼看 检测 实际液位H 手工完成测量 求偏差和操纵阀门纠正偏差的全过程 大脑 运算 命令 H 和期望液位H比较 手动 执行 12 热交换温度控制系统 13 控制系统的4个基本环节 被控对象 检测仪表 测量变送环节 控制器 执行器热交换温度控制系统方框图 14 一般过程控制系统方块图 15 几个常用术语 1 被控对象需要控制的设备 机械或生产过程 简称对象 6 偏差设定值与测量值之差 5 设 给 定值工艺规定被控变量所要保持的数值 4 干扰 扰动 除控制变量 操纵变量 以外 作用于对象并引起被控变量变化的一切因素 3 控制变量 操纵变量 受执行器控制 用以使被控变量保持一定数值的物料或能量 2 被控变量对象内要求保持一定数值 或按某一规律变化 的物理量 液位控制系统中的被控变量是哪个量 液位 液位控制系统中的控制变量是哪个量 流量Qo 液位控制系统中的干扰是哪个量 流量Qi 16 本书内容 1绪论 2过程参数的检测与变送器 3过程控制仪表 4被控对象的数学模型 5简单控制系统设计与参数整定 6复杂控制系统 7先进控制技术 8计算机在过程控制系统中的作用 17 练习 下图是原油加热控制系统示意图 试画出该系统的方块图 并指出被控对象 被控变量 控制变量及可能存在的干扰 原油加热控制系统示意图 18 1 过程控制系统分类 一 按系统的结构特点分类 1 反馈控制系统 控制依据 偏差 闭环 2 前馈控制系统 控制依据 扰动 开环 19 3 前馈 反馈控制系统 复合 前馈 主要扰动 及时迅速 反馈 次要扰动 20 2 随动控制系统 设定值不断变化 非预先规定好的 自动跟踪系统 3 程序控制系统 设定值是一个已知的时间函数 按生产工艺要求规律变化 控制系统按设定程序自动进行 要求 Q2 KQ1 二 按给定信号特点分类1 定值控制系统 设定值不变 常数 例 加热炉燃烧过程控制 空气量跟随燃料的变化而变化 保证达到最佳燃烧 21 1 6过程控制系统性能指标 1 稳态和动态 控制系统的作用 尽可能使被控变量与设定值保持一致 或随设定值一起变化 当被控变量受干扰影响而偏离设定值时 控制作用必须驱使它 被控变量 回到设定值 稳态 被控变量不随时间变化的平衡状态 动态平衡 变化率为0 不是静止 动态 被控变量随时间变化的不平衡状态 2 过渡过程 过渡过程 受到干扰作用后系统失稳 偏离平衡状态 在控制器的控制下 被控变量回复到平衡状态的过程 22 在分析和设计控制系统时往往选定阶跃干扰 输入 为分析依据 阶跃干扰 在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统 并保持在这个幅值 特点 1 比较突然 比较危险 对控制系统的影响也最大 对于一个控制系统 如果能有效克服阶跃干扰 肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰 2 阶跃干扰形式简单 易于实现 实际过程容易产生阶跃干扰 23 阶跃干扰下过渡过程的几种基本形式 X X X 一般不采用 24 3 过渡过程的品质指标 通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣 其标准有二大类 以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出 主要包括 最大偏差 超调量 衰减比余差过渡时间振荡周期 振荡频率 以误差性能指标的形式给出 一般指偏差对某个函数的积分 主要包括 平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统 即 25 1最大偏差或超调量 给定值 0 最大偏差 在过渡过程中 被控变量偏离给定值的最大数值 在衰减振荡过程中 最大偏差为第一个波的峰值 图中以A表示 超调量是第一峰值A与新稳态值C之差 图中以B表示 即B A C 最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度 一般最大偏差小一些为好 若偏离越大 偏离的时间越长 表明被控变量离开正常的工艺指标就越远 不利于生产的正常进行 若干扰比较频繁 第一个干扰还未清除时 第二个干扰可能又出现了 引起偏差产生叠加 因此需要根据工艺来限制最大偏差的允许值 26 衰减比 前后相邻两个峰值之比 图中以B B 表示 习惯上表示为n 1的形式 衰减比表明过渡过程的衰减程度 若衰减比较小 n 1 则过渡过程接近于等幅振荡过程 不稳定 若n很大 则又太接近于非振荡过程 过渡过程过于缓慢 n一般取4 10之间 是操作人员多年的操作经验总结 衰减比在4 1到10 1之间时 过渡过程开始阶段的变化速度较快 被控变量较快达到第一个峰值 然后马上下降 又较快达到一个低峰值 且第二个峰值远远低于第一个峰值 这种现象表明被控变量再振荡数次后很快会稳定下来 防止操作人员误操作使系统处于难以控制的状态 2衰减比 27 衰减比 n 1等幅振荡n 1发散振荡n 1衰减振荡不振荡 为了保持有足够的稳定程度 衰减比一般取为4 1至10 1 这种过渡过程不是最优的结果 但操作人员容易掌握 一般也是操作人员所希望的过程不振荡 不便于操作人员掌握 衰减比 稳定性的指标 28 3 余差 余差 过渡过程终了时 被控变量所达到的新稳态值与设定值之间的偏差 图中以C表示 一般控制系统被控变量越接近设定值越好 所以余差越小越好 余差 准确性的指标 根据有无余差可将系统分为有差系统和无差系统 29 4 过渡时间5 振荡周期或频率 过渡时间 从干扰作用发生时刻起 到系统重新建立新的平衡时止 过渡过程所经历的时间 一般认为被控变量进入新稳态值的 5 或 2 范围内且不再越出时为止时所经历的时间为过渡时间 过渡时间短 表示过渡过程比较迅速 即使干扰频繁出现 系统也能适应 控制质量高 反之 过渡时间太长 第一个干扰引起的过渡过程尚未结束 第二个干扰就已经出现 几个干扰的影响叠加 可能使系统不能满足生产要求 过渡时间 快速性的指标 振荡周期 过渡过程同相两波峰 或波谷 间的时间间隔 其倒数称为振荡频率 在衰减比相同的情况下 振荡周期与过渡时间成正比 一般希望振荡周期短一些为好 30 阶跃干扰作用下的过渡过程 给定值 0 加一阶跃干扰 定值系统 最大偏差A 衰减比n 余差e 过渡时间tp 振荡周期 31 影响过渡过程的主要因素 固定因素 对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素 控制器特性 这是自动控制的主要研究内容 32 例子 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线 试分别求出最大偏差 余差 衰减比 振荡周期和过渡时间 给定值为200 解 1 最大偏差 A 230 200 30 2 余差C 205 200 5 3 第一个波峰值B 230 205 25 第二个波峰值B 210 2