计算机过程控制工程A1.ppt

1,计算机过程控制工程,魏文渊weiwenyuan812921492,教材：,计算机控制系统张德江编著，机械工业出版社计算机控制系统，何克忠编著，清华大学出版社，2011.3过程控制系统及工程第三版孙洪程等编著化学工业出版社2010.4,3,参考书,1、过程控制工程第三版，俞金寿、蒋慰孙编著，电子工业出版社，2、过程控制工程梁昭峰等主编北京理工大学出版社2010.93、过程控制工程，王树青编，化学工业出版社，20084、过程控制系统，黄德先编著，清华大学出版社，20105、工业生产过程控制第二版何衍庆编著化学工业出版社，20096、过程控制系统俞金寿编著，机械工业出版社，2008,4,教学内容,计算机控制系统+过程控制工程,5,教学内容（过程控制工程）,简单控制系统10学时前馈控制系统4学时比值控制系统2学时串级控制系统4学时均匀控制系统2学时选择性控制系统2学时分程控制和阀位控制系统2学时常用石化过程设备的控制4学时,6,教学内容计算机控制系统,线性离散系统的模拟化设计6学时线性离散系统的离散化设计6学时计算机控制系统的数据处理技术4学时+概述2学时总计：48学时+实践环节3周,7,考核方式,考试采取开卷理论测试+实验操作，两者各占50%。提交的实验报告包括纸质实验报告,8,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,概述,本课程基本内容和专业地位,1,2,计算机过程控制工程基本概念和特点,4,计算机过程控制工程发展趋势,5,计算机过程控制工程的任务,3,计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,9,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,1、本课程基本内容和专业地位,以工程能力素质培养为主线的自动化专业知识能力体系结构,10,企业学习阶段,学校阶段,过程装置专业实习,仪表技术专业实习,DCS/PLC/FCS原理与应用B,计算机过程控制工程B,过程控制系统运行及维护,跟班实习,毕业设计,DCS/PLC/FCS原理与应用A,计算机过程控制工程A,1、本课程基本内容和专业地位,11,1、本课程基本内容和专业地位,DCS/PLC/FCS原理与应用,DCS系统的构成与组态典型系统的构成和功能、通信网络结构、组态软件的应用、系统硬件网络组态、操作画面组态、流程图画面组态，以及监控软件的应用。DCS系统工程设计设计方法，了解系统性能评估指标体系。,PLC系统组成、工作原理、指令系统、梯形图编程、通信与人机系统组态。PLC系统工程设计,FCS现场总线概念、特点与优点、几种有影响现场总线技术。控制网络的基础。数据传输、拓扑结构、数据传输设备、介质访问控制方式、数据交换、差错控制、网络互连参考模型。FF/PROFIBUS/MODBUS现场总线标准及具体实现。,DCS、PLC和FCS等自动化装置的产生背景、应用和发展趋势。各厂家产品的共性，本质。,DCS/PLC/FCS原理与应用概述,12,1、本课程基本内容和专业地位,计算机过程控制工程,简单控制系统系统组成和控制性能指标过程动态特性和建立过程的动态模型检测变送与执行器控制器模拟/数字算法控制器参数整定与控制系统投运,复杂控制系统原理与工程设计串级/均匀/比值前馈/分程/选择,先进控制技术状态反馈/预测/解耦控制/时滞补偿/软测量和推断/自适应/鲁棒/智能/监督/故障诊断与容错控制。,典型工业过程控制合成氨/常减压/催化裂化/乙烯/聚合/生化/造纸/冶金各流程,常用石化设备控制流体输送设备-泵和压缩机/传热设备/锅炉/精馏塔/反应器等,工程设计设计体制/各专业关系/绘制与阅读PI图/自控设备选型/控制室/管线铺设/供电/节流装置、调节阀等/报警联锁。,13,以设计为主线开展企业实践,仪表技术专业实习,DCS/PLC/FCS原理与应用B,计算机过程控制工程B,过程控制系统运行及维护,工艺装置,仪表,控制系统,系统设计,运行维护,工程实践,1、本课程基本内容和专业地位,14,2,计算机过程控制工程基本概念和特点,本课程基本内容和专业地位,1,概述,4,计算机过程控制工程发展趋势,5,计算机过程控制工程的任务,3,计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,15,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,计算机过程控制的概念：是以控制理论为基础，以自动化仪表和计算机为工具，对工艺生产过程进行参数控制和管理。工程的实施是以设计为主线，实现系统集成、安装、投运和维护。,2、计算机过程控制工程基本概念和特点,16,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,2、计算机过程控制工程基本概念和特点,17,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,计算机过程控制的特点：过程控制系统组成的特点由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成。被控过程具有非线性,时变,时滞及不确定性等特点难于获得精确过程数学模型,增加移植控制策略的难度。被控过程多属于慢过程具有一定时间常数和时滞,控制并不需在极短时间完成过程控制方案的多样性同一被控过程，因受扰动不同,需采用不同的控制方案，同一控制方案可适用于不同的生产过程控制，控制方案适应性强。,2、计算机过程控制工程基本概念和特点,18,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,计算机过程控制的特点：工业生产过程控制的常用形式是定值控制过程控制目的是保持被控变量稳定在所需设定值。工业生产过程控制实施手段的多样性可以方便地在计算机控制装置上实现可以方便地在控制室或现场获得仪表的信息可以直接进行仪表的校验和调整。目前，普遍以工业计算机+现场仪表的模式实现。,2、计算机过程控制工程基本概念和特点,19,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,绪论,2,计算机过程控制工程基本概念和特点,本课程基本内容和专业地位,1,3,计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,4,计算机过程控制工程发展趋势,5,计算机过程控制工程的任务,20,有常规控制系统、计算机控制系统。,一般分类,1、按工艺参数分类：,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。,2、按自动化装置的不同分类：,3、按系统的结构特点分类：,有开环、闭环、前馈、复合控制,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,21,是工业生产过程中应用最多的一种控制系统。在运行过程中，系统被控量的给定值保持不变或保持在规定的小范围内波动。,1、定值控制系统,按给定值信号的特点分类,2、随动控制系统,被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量及时跟踪给定值的变化。,3、程序控制系统,给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,22,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,数据处理系统、直接数字控制DDC、监督控制SCC、分级控制、集散控制、计算机网络,程序和顺序控制、比例积分微分控制PID、有限拍控制、复杂规律控制、智能控制,开环控制、闭环控制,按功能分类,按控制规律分类,按控制方式分类,23,数据处理系统:数据处理系统对生产过程大量参数作巡回检测、处理、分析、记录以及参数的超限报警。对大量参数的积累和实时分析，可以达到对生产过程进行各种趋势分析。直接数字控制DDC:计算机通过过程输入通道对控制对象的参数作巡回检测，根据测得的参数，按照一定的控制规律计算机进行运算，运算结果经过程输出通道，作用到控制对象，使被控参数符合要求的性能指标。监督控制SCC:监督控制中，计算机根据生产过程工艺参数和数学模型给出工艺参数的最佳值，作为模拟调节器或数字调节器的给定值。分级控制:在分级控制中，除了直接数字控制和监督控制以外，还包含了工厂级集中监督计算机和企业级经营管理计算机。集散控制:以微处理机为核心，实现地理上和功能上分散的控制，通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现高级复杂规律的控制。计算机网络:一台中央计算机和若干台计算机构成的计算机网络。,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,按功能分类,24,程序和顺序控制：被控量按照预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数。顺序控制可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。比例积分微分控制PID：调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。有限拍控制：其性能指标调节时间最短，要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。通常在数字随动系统中应用。复杂规律控制：包括串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。智能控制：是个大系统，是综合的自动化系统。是人工智能、运筹学、控制理论的交叉与汇合。,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,按控制规律分类,25,常用控制算法,PID类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等），特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。,26,控制系统的分类,开关量控制（SwitchControl）与连续量控制（ContinuousControl）举例：空调器的控制连续时间控制（Continuous-TimeControl）与离散时间控制（Discrete-TimeControl,也称“采样控制”/“数字控制”）举例：计算机控制系统多变量控制与单变量多回路控制线性控制与非线性控制等,27,1、原理图,例1：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统,图中：1热电阻2温度变送器3温度调节器4调节阀,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,28,-输入量（与过热蒸汽的设定温度对应）,-误差信号（一般为电压量）,-控制信号,-操作量、控制参数,-与输出量成正比的测量信号,-扰动信号,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,-输出量、被控量（过热蒸汽的实际温度）,29,1、原理图,例2：液位控制系统,图中：1贮罐2差压变送器3液位调节器4调节阀,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,30,方框图,-输出量、被控量（贮罐的实际液位）,-误差信号,-控制信号,-操作量、控制参数（进水流量）,-与输出量液位成正比的电压信号,-扰动信号,-输入量（与贮罐设定液位对应的电压量）,31,过程计算机控制系统的组成,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,32,控制对象：所要控制的装置或设备。控制对象用传递函数表征，可以归纳为如下几类，放大、惯性、积分、纯滞后及其各种组合。执行器：根据调节器的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。测量环节：通常由传感器和测量线路构成。数字调节器及输入输出通道：以计算机为核心，其控制规律由编制的计算机程序来实现。输入输出通道在接口技术中已讲述。编程软件与组态软件,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,33,计算机控制系统的稳定性：在给定输入或外界扰动下，过渡过程有可能出现下列情况，发散振荡、等幅振荡、衰减振荡、非周期衰减等。与连续系统稳定性一样，系统的稳定性分析也是计算机控制理论的一个重要方面。也可以用相角裕量和幅值裕量来衡量计算机控制系统的稳定程度。计算机控制系统的能控性和能观测性动态指标：超调量、调节时间、峰值时间、衰减比等。稳态指标：用稳态误差来表征系统的精度。稳态误差ess与控制系统本身的特性有关，也与系统的输入信号的形式有关。综合指标：积分型、末值型、复合型等。,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,34,静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态动态：被控变量随时间变化的不平衡状态,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,35,定义:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程,称为系统的过渡过程。,控制系统的过渡过程,36,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,过渡过程质量指标误差（偏差）性能指标,动态质量指标,衰减比,指振荡过程的第一个波峰的振幅与第二个波峰的振幅之比。,一般认为：n=4（4:1）时系统过渡过程的稳定性能较好，但温度等慢变化过程取10:1为好。,37,衰减率,同衰减比一样，也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标，一般取,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,38,最大偏差B：第一个波峰的峰值与期望值之差。,最大偏差（或超调量）,对于定值控制系统,超调量：,对于随动控制系统,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,39,系统过渡过程曲线进入稳态区域（或）不再出来所需的时间，用表示。,过渡过程时间,峰值时间,余差（静态偏差）,静态质量指标,被控参数稳态值与期望值之差，用C表示,3、计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,40,2,计算机过程控制工程基本概念和特点,本课程基本内容和专业地位,1,3,计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,4,计算机过程控制工程发展趋势,绪论,5,计算机过程控制工程的任务,41,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,4、计算机过程控制工程发展趋势,自动化技术发展的特点：同步性：控制理论开拓、技术工具和手段的进展，应用需要同步进行,它们相互影响、相互推动、相互促进。综合性：应用领域广泛，相关学科的交流和汇合，包括高新技术、控制理论、仪表、计算机和显示技术等。,42,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,过程控制发展阶段,4、计算机过程控制工程发展趋势,43,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,4、计算机过程控制工程发展趋势,计算机过程控制工程发展趋势：综合自动化是当代工业自动化的主要潮流。自动化控制装置将采用全数字、智能的、具有双向通信功能的现场总线智能仪表。Internet将在综合自动化系统中发挥重要作用。,基金会现场总线（FF）是开放式的互连网络。它是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。FF的特点是：可靠性高、维护性好、抗扰性强、安装费用低、精度高等良好的互操作性彻底的分散控制和丰富的检测、控制和运算等功能。,综合自动化控制系统是以生产过程的整体优化为目标,以计算机为主要技术工具,以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容,它是由生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层控制等内容组成的递阶控制系统。又称计算机集成过程控制系统（CIMS）。,44,向最优控制、自适应、自学习、系统辨识、分级控制、集散控制发展。实现复杂规律控制，提高控制质量，进而提高产品质量，增加产品数量。有效克服随机扰动控制规律灵活、多样、改动方便。管控一体化与通信网络模型,4、计算机过程控制工程发展趋势,45,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,绪论,5,计算机过程控制工程的任务,2,计算机过程控制工程基本概念和特点,本课程基本内容和专业地位,1,4,计算机过程控制工程发展趋势,3,计算机过程控制系统分类、构成及性能指标,45/41,46,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,5、计算机过程控制工程的任务,工业生产过程控制的学科结构：工业生产过程控制是自动化的一门分支学科，控制理论是基础，工业生产过程工程、工艺与自动化仪表、计算机是双翼，研究的主体是工业过程控制系统，它是一门综合性的工程科学。,46/41,47,2020年5月29日,北京石油化工学院自动化系,工业生产过程控制研究对象：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、控制算法的确定和控制系统的实现等。工业生产过程控制将早年的凭经验的、直觉的、定性说理的实际控制系统设计，上升到现代的有科学性、条理性、定量理论指导的控制系统设计。,课程特点：综合性-多学科的综合；实用性-解决具体生产过程的控制；灵活性-同一被控对象有不同控制方案，控制系统类型多。,5、计算机过程控制工程的任务,47/41,48,过程控制与其它相关学科,49,工业生产过程控制的任务：对过程控制系统进行分析、设计和综合。根据控制系统各部分特性对整体的影响选择控制系统的被控变量、操纵变量、控制规律及各构成部件。,5、计算机过程控制工程的任务,50,控制系统的设计与实施,确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。,51,控制系统的设计与实施（续）,调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计