马宾《过程控制与自动化仪表》第1章-绪论

过程控制与自动化仪表,马宾三教23518963786472mabin,学习本课程的意义,自动化是应用非常广泛的一门学科，它在人们的日常生活与工作、工业生产、军事、航空航天、国民经济调控等领域都有着非常广泛的应用。自动化水平是衡量一个国家技术先进程度，生产力发达程度的重要标志。,卫星测控系统,第一节过程控制概述1、特点、任务、要求2、发展概况3、组成、分类及性能指标第二节自动化仪表概述1、分类与发展2、信号制与能源供给3、安全防爆仪表与系统,第一章绪论,一、过程控制概述,1、过程控制概念,通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门的生产过程自动化。在生产过程中利用自动化仪表、装置来检测、显示、控制生产过程的重要工艺参数，自动维持生产过程正常进行，当工艺参数受外界干扰影响而偏离正常状态时，能自动调回到规定参数范围内。,自动检测系统：实现过程参数自动检测、显示、报警的系统信号联锁保护系统：实现异常、故障状态生产装置自动保护自动操作系统：自动实现规定操作过程的系统自动调节系统：按预定目标和策略自动维持生产进行的系统,一、过程控制概述,2、过程控制特点,1）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；,2）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，对整个生产过程进行自动检测和自动控制；,一、过程控制概述,2、过程控制特点,3）被控过程是多种多样的、非电量的,4）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制,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,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,一、过程控制概述,2、过程控制特点,5）过程控制方案十分丰富,6）定值控制是过程控制的一种常用方式,单变量控制系统、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,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。,一、过程控制概述,3、过程控制的要求、任务与功能,1、了解连续工业过程的生产特点（了解工艺、获取模型、分析设计、物理实现）及要求（安全性、稳定性、经济性）;,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、能够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;,4、功能结构（1）测量变送与执行；（2）操作安全与环保；（3）常规与高级控制；（4）实时优化；（5）决策与计划。,一、过程控制概述,4、过程控制的系统设计,1.确定控制目标1）热油出口温度稳定；2）出口温度与烟道气含氧量稳定；3）温度稳定与热效率最高。2.选择被控参数直接参数与间接参数3选择控制量燃料油流量与冷油流量出口温度挡板开度与送风挡板含氧量4.确定控制方案简单与复杂、单输入与多输入、最优控制5.选择控制策略PID、高级过程控制6.选择执行器气动与电动7.设计报警与联锁保护系统高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵关燃油阀停引风机切断热油阀8.工程化设计9.系统投运、调试和整定参数,一、过程控制概述,5、过程控制发展概况,第一个阶段,50年代前后：实现了仪表化和局部自动化,其特点：,1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减少主要扰动对生产过程的影响5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题,一、过程控制概述,5、过程控制发展概况,1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能，适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统2、计算机系统开始运用于过程控制3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统（串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制）4、在过程控制理论方面，现代控制理论的得到了应用,第二个阶段,60年代来：大量采用气动和电动单元组合仪表,其特点：,一、过程控制概述,5、过程控制发展概况,1、对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算系统进行多参数综合控制2、自动化技术工具方面有了新发展，以微处理器为核心的智能单元组合仪表和开发和广泛应用3、在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用4、集散控制系统的广泛应用,第三个阶段,70年代以来：现代过程控制的新阶段计算机时代,其特点：,一、过程控制概述,5、过程控制发展概况,1、现代控制理论的应用大大促进了过程控制的发展2、过程控制的结构已称为具有高度自动化的集中、远动控制中心3、过程控制的概念更大的发展,第四个阶段,80年代以后：飞跃发展,其特点：,一、过程控制概述,6、过程控制系统的组成,（1）被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；（2）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；（3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；（4）设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；（5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；（6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的输出值。,自动控制过程是用自动化来代替人工操作！,一、过程控制概述,7、过程控制分类,按过程控制系统的结构特点分来,1）反馈控制系统：是根据系统被控量的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。,开环结构：,闭环结构：,增加反馈环节，提高仪表稳定性、测量精度，达到较好的控制效果,一、过程控制概述,7、过程控制分类,2）前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据,3）前馈反馈控制系统（复合控制系统）：充分结合两者的优点，大大提高控制质量,一、过程控制概述,7、过程控制分类,按给定值信号的特点来分类,定值控制系统：是指系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。,2、程序控制系统：是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作，目的是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。,3、随动控制系统：是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统，主要作用是克服一切扰动，使控量快速跟随给定值而变化。,一、过程控制概述,8、过程控制的性能指标,(稳定性、快速性和准确性;单项和综合指标）1）单项时域性能指标:(1)衰减比n（衰减率）两个相邻的同向波峰值之比:衰减率定义为一个周期后波动幅度衰减的程度:衰减比与衰减率的单值对应关系，如衰减比为4：1或10：1时，则衰减率为0.75或0.9。（2）最大动态偏差和超调量:二阶振荡系统：(3)残余偏差（稳态误差、静差）:(4)调节时间、上升时间、振荡频率,2.综合性能指标（基于偏差积分最小，适用衰减、无静差系统）,1）偏差绝对值积分：,2）偏差平方值积分：,3）偏差绝对值与时间乘积积分：,4）时间乘偏差平方积分:,缺点：不能保证衰减率,二、自动化仪表概述,1、自动化仪表的分类,按工作能源分：气动、电动、液动按系统结构分：基地式、单元组合式、计算机综合控制按防爆能力分：普通型、隔爆型、增安型、本质安全型,基地式仪表阶段：集测量、记录、调节仪表于一体,2、自动化仪表的发展概况,单元组合式仪表阶段：按功能划分为若干标准单元,2、自动化仪表的发展概况,特点：积木式仪表，典型单元之间采用统一的信号联系,组装式仪表：功能分离、结构组件化集中/分散式仪表：以计算机或MCU为核心部件（当前发展主流）,电动仪表（直流电压与电流的优点：无感应、无相移、易转换、易获基准）,3、自动化仪表的信号制与能源供给,1）模拟仪表的信号制气动仪表,2）数字