第1章 过程控制绪论.ppt

第1章绪论,1.1过程控制认识,1.1过程控制认识生产过程,指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。该过程中通常会发生物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递等，或者说生产过程表现为物流变化的过程。,连续过程间歇过程半间歇过程,热交换器,反应釜,连续过程稳态条件下连续完成生产任务的生产过程,1.1过程控制认识生产过程连续过程,1.1过程控制认识生产过程间歇过程,间歇与半间歇过程存在一系列操作工序，无论发生在一个设备还是多个设备，都需要按照预定的顺序来执行，从而生产出指定数量的产品.适于产品频繁改变或产量较少情况.,凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。(另有运动控制方向),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，简称为过程控制。,1.1过程控制认识生产过程控制,1.1过程控制认识过程控制与运动控制的关系,自动控制专业课过程控制运动控制过程控制研究冶金、化工、石油、电力等工业过程中的温度、压力、流量、液位、成份等的控制。运动控制研究速度、位置控制，如航天、机器人等。,1.1过程控制认识控制系统的理论框图,1.1过程控制认识过程控制系统框图,过程控制研究控制理论在过程控制系统中的应用,包括：控制理论的移植与改造系统结构的研究控制算法的确定控制系统的实现等,课程特点：综合性；实用性；灵活性,1.1过程控制认识过程控制课程,1.2过程控制系统概述,1.2.1过程控制的特点与分类特点,被控过程具有非线性、时变、时滞及不确定性等特点,被控过程多属于慢过程,过程控制方案的多样性,过程控制常用的形式是定值控制,过程实施手段的多样性,按被控参数分类：,温度控制系统压力控制系统流量控制系统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：,定值控制系统程序控制系统随动（伺服）控制系统,1.2.1过程控制的特点与分类分类,1.2.1过程控制的特点与分类分类,定值控制系统给定值固定不变恒温箱控制随动控制系统给定值随时间变化被控量要跟踪给定值雷达跟踪顺序控制系统给定值按预定程序变化空调预设温度,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,1.2.1过程控制的特点与分类分类,1.2.1过程控制的特点与分类分类,按系统结构特点分类：,反馈控制系统前馈控制系统前馈反馈复合控制系统,1.2.1过程控制的特点与分类反馈控制系统,以偏差为依据，以减少或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不及时。！闭环,1.2.1过程控制的特点与分类前馈馈控制系统,扰动作为依据，以减少扰动对被控量的影响。无法消除偏差。！开环,1.2.1过程控制的特点与分类复合控制系统,前馈能及时克服主要扰动的影响反馈能检查控制效果，提高控制质量,1.2.2过程控制的发展概况体系结构,（1）仪表化与局部自动化阶段：20世纪5060年代特点：基地式仪表和部分单元组合仪表；实现单输入单输出的单回路定值控制；理论基础：频率法和根轨迹法。控制目的：保持上述工艺参数的稳定和生产安全。（2）综合自动化阶段：20世纪6070年代特点：单元组合仪表和组装式仪表。直接数字控制理论基础：现代控制理论；串级控制、前馈反馈控制、比值控制。（3）全盘自动化阶段：20世纪70年代至今实现整个工艺流程、全工厂乃至整个企业的操作管理和控制。结构：分散控制、集散控制、计算机集成过程控制系统、现场总线控制,1.2.2过程控制的发展仪表,（1）基地式仪表把检测、显示和调节（控制）等环节放在一个表壳里，通常就地安装。功能较完全，可以减少管线连接所导致的滞后；常用于就地调节系统和单机的局部控制系统。（2）单元组合式仪表实现某种功能的独立单元仪表：变送单元、转换单元、控制单元、运算单元、显示单元、执行单元、给定单元和辅助单元。各单元之间采用统一的标准信号彼此联系；可以灵活组合，通用性强；适用于中、小型企业的自动化系统。（3）智能仪表以微处理器为核心；精度、稳定性与可靠性均比模拟式仪表优越。可输出全数字信号或模拟数字混合信号。,1.2.2过程控制的发展控制策略,（1）经典控制策略：20世纪50年代以前基础：微分方程和传递函数方法：时域分析方法、S域分析方法和频域分析方法。PID控制策略构成的简单控制模式。（2）现代控制策略：20世纪60年代以后基础：状态空间方法：最小二乘法为基础的系统辨识、以极小值原理和动态规划为基础的最优控制、以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计等。（3）复杂控制策略：20世纪70年代以后核心思想：系统分解与协调、多级递阶优化与控制。重心：有限维-无穷维，确定性-不确定性和随机性，线性-非线性方法：非线性控制、自适应控制、随机控制、分布参数系统。专家系统、模糊控制、人工神经网络、学习控制等智能控制。,1.2.3过程控制的研究对象与任务,1.3控制系统的组成和性能指标,1.3.1控制系统的组成框图,给定,测量值,控制信号,被控量,控制量,扰动,偏差,1.3.1控制系统的组成液位控制系统示例,1.3.1控制系统的组成液位控制系统流程图,执行器,检测变送单元,控制器,h,被控量,控制量,过程控制系统,被控过程过程检测控制仪表,检测元件变送器调节器(包括计算机)调节阀,被控过程（对象）,检测与变送仪表，测量变送,控制器，调节器,执行机构,报警、保护和连锁等其他部件,1.3.1控制系统的组成,1.3.1控制系统的组成检测元件和变送器(SensorandTransmitter),1.3.1控制系统的组成控制器(Controller),气动和电动控制阀,1.3.1控制系统的组成执行器(Actuator),1.3.1控制系统的组成被控对象(ObjectorProcess),过程检测控制仪表,1.3.1控制系统的组成框图,过程检测控制仪表,1.3.1控制系统的组成传递函数形式,被控对象,被控变量(controlledvariable),扰动(disturbance),操纵变量(manipulatedvariable)：调节介质，控制参数,测量值,给定值,偏差值,控制作用,检测变送(sensor，transmitter),控制器(controller),执行器(controlvalve),控制通道,扰动通道,1.3.1控制系统的组成有关术语,框图中的各个信号是增量。增益和传递函数都是在稳态值为零时得到的。,箭头表示信号流向，不是物流和能流方向,各环节增益的正负根据稳态条件下输出增量与输入增量之比确定。该环节输入增加，输出也增加，增益为正；输入增加，输出减小，增益为负。,常用执行器、被控对象、检测变送环节组成广义对象，用Go(s)表示。控制器输入和输出采用标准信号时，广义对象增益是无量纲的。,1.3.1控制系统的组成说明,Go(s),1.3.1控制系统的组成广义对象形式,1.3.2控制系统的性能指标,性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳、准确、迅速地回复（或趋近）到给定值上。,过程控制系统的评价指标可概括为：系统必须是稳定的；（平稳）系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确）系统应能提供尽可能好的过渡过程。（迅速）,控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定，通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标和偏差积分性能指标。,t,t,y(t),y(t),1.3.2控制系统的性能指标时域指标,n=1:1：表明控制系统的输出呈等幅振荡，系统处于临界稳定状态；,n小于1:1：表明控制系统的输出发散，系统处于不稳定状态；n越大，系统越稳定。,通常，希望随动控制系统的衰减比为10:1，定值控制系统的衰减比为4:1。,控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比，即：,1.3.2控制系统的性能指标衰减比n,控制系统的稳定性指标。,1.3.2控制系统的性能指标衰减率,稳定性指标。,随动控制系统中，超调量(Overshoot)定义为：,定值控制系统中，最终稳态值很小或趋于零，因此，采用最大动态偏差A表示超调程度，即：,1.3.2控制系统的性能指标超调量和最大动态偏差,定值控制系统中，r=0，因此有e()=C。,稳态准确性指标。,余差是控制系统的最终稳态偏差e(),在阶跃输入下，,1.3.2控制系统的性能指标余差,快速性指标。,被控变量从过渡过程开始到进入稳态值5%或2%范围内的时间作为过渡过程的回复时间。,在相同的衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同的振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。,1.3.2控制系统的性能指标回复时间和振荡频率,有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。,1.3.2控制系统的性能指标各指标之间关系,误差绝对积分指标IAE,时间乘绝对误差积分指标ITAE,误差平方积分指标ISE,时间乘偏差平方积分（ITSE）,1.3.2控制系统的性能指标积分性能指标,实际上，控制系统的各种性能指标是彼此相关、相互约束的，不可能出现同时都是最好的情况。,确定性能指标时应主要看能否满足工艺的要求，如对于定值控制系统，一般要求被控变量最大偏差小、尽可能快地回复到给定值；对于随动控制系统