过程控制与自动化仪表PPT.ppt

自动化仪表与过程控制,概念,自动化：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。,过程控制,运动控制,自动化,电力,冶金,石油,煤炭,钢铁,化工,过程控制,过程控制-泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。作用-在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。,自动化仪表,自动化仪表用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。特点兼容性、统一标准,系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成,特点1,特点2,被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计,某自治区“十二五”循环经济发展规划煤电化体化循环经济链条,特点3,控制方案丰富多彩，控制要求越来越高,单输入/单输出系统,多输入/多输出系统,自适应控制,预测控制,分布参数控制,非线性控制,连续搅拌釜模型,特点4,控制过程大多属于慢变过程与参量控制,大惯性,大时延（滞后）,温度,压力,物位,流量,特点5,定值控制是过程控制的主要形式,(中国)特点6,相关企业污染严重,特点7：,工业4.0,SIMATICPCS7,王宇雷，男，1985年生，吉林大学，通信工程学院控制理论与控制工程系讲师。2004/09-2008/06，南开大学学士；2008/09-2013/10，哈尔滨工业大学，航天学院控制科学与工程专业，博士。2010年至2012年在德国杜伊斯堡埃森大学AKS研究中心联合培养。自2013年起，在吉林大学从事汽车仿真与控制等的教学和科研工作。先后发表学术论文20篇，其中SCI收录5篇，EI收录14篇，核心收录2篇。,我在日内瓦车展,上课时间：,周二第5、6节第1-10周周四第5、6节第1-10周,上课地点：,南岭一教301,过程控制与自动化仪表,实验课第11-14周具体时间另行通知,参考书,参考书1.自动检测技术与装置.张宏建等.化学工业出版社.2004.72.自动化仪表与过程控制.施仁等.电子工业出版社.2009.23.自动检测技术及仪表控制系统.张毅等.化学工业出版社.2005.34.过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社.2008.5,考核方式,1.课堂测验20%2.实验报告10%3.期末考试70%,官方说法：,实际情况：,1.成绩高斯分布2.平均值70分上下3.不及格率10%左右,回顾,控制方向分为运动控制与过程控制过程控制的被控量：压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量过程控制仪表：调节器（控制器）、执行器、安全栅等仪表被控过程复杂性：基于系统辨识的控制策略,过程控制=当上CEO迎娶白富美走上人生巅峰,学习过程参数的检测与变送,学习过程控制仪表,系统辨识方法、随机控制方法、基于模型的控制方法等,第一章自动化概论,所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制装置),使机器、设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规律运行。现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用.如数控车床按预定程序自动切削,人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。,第一节自动控制的基本概念,自动控制的发展历史,第一阶段：上世纪40-60年代，“经典控制理论”，单输入单输出问题，采用传递函数、频域特性、根轨迹为基础的频域分析方法，研究线性定常系统。第二阶段：上世纪60-70年代，“现代控制理论”，计算机发展驱动空间技术发展，状态空间法-极大值原理、动态规划、卡尔曼滤波。第三阶段：上世纪70年代末至今。向“大系统理论”和“智能控制”方向发展，随机森林、深度学习和增强学习等智能方法与控制相结合。,第二节自动控制系统的基本组成及方块图,人工操作与自动控制比较图（液位控制）,图1-1人工操作图,图1-2液位自动控制系统图,自动控制系统的组成,液位自动控制的方块图,在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。,图1-3液位自动控制系统方块图,其中：x指设定值；z指输出信号；e指偏差信号；p指发出信号；q指出料流量信号；y指被控变量；f指扰动作用。当x取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。,图1-2液位自动控制系统流程图,图1-3液位自动控制系统方块图,出料流量,液位高度,数字信号,数字信号,图1-4蒸汽加热器温度控制系统流程图,图1-5加热炉过程控制系统流程图,画系统控制方块图,注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。,方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。自动控制系统通常是一个闭环系统。,小结自动控制系统应是具有被控变量负反馈的闭环系统。与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。,第三节自动控制系统的分类,几种分类方法按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,其中第三种分类方法最普遍,“定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。,13,1.定值控制方法,2.随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,3.程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,第四节控制系统的过渡过程和品质目标,当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。,一、控制系统的静态与动态,自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。,静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（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。,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,二、控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。,举例,图1-6控制系统方块图,干扰形式,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。其次在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,图1-7阶跃干扰作用,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式,非周期衰减过程,衰减震荡过程,等幅震荡过程,发散震荡过程,X,？,对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。,预备知识,一、控制系统的运动微分方程,二、非线性数学模型的线性化,三、拉氏变换和拉氏反变换,四、传递函数,五、系统方框图和信号流图,六、控制系统传递函数推导举例,、数学模型的基本概念,微分方程,传递函数,脉冲响应函数,图1-9过渡过程品质指标示意图,假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程,多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。,三、控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。,五种重要品质指标之一,1.最大动态偏差或超调量,最大动态偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离稳态值的幅度。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。超调量也可以用来表征被控变量偏离稳态值的程度。,2.衰减比n（衰减率）衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为n:1，一般n取为410之间为宜。,五种重要品质指标之二,五种重要品质指标之三3.余差当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。,五种重要品质指标之四4.过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为）。,五种重要品质指标之五5.峰值时间峰值时间是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间，它的大小反映系统响应的灵敏程度。,某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、峰值时间和过渡时间（给定值为200）。,图1-10温度控制系统过渡过程曲线,解最大动态偏差A230-20525余差C205-200由图上可以看出，第一个波峰值B230-20525，第二个波峰值B2102055，故衰减比应为B:B25:55:1。峰值时间,过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200（2）4，这时，可在新稳态值（205）两侧以宽度为画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间,四、综合性能指标,系统的综合性能是在基于偏差积分最小的原则下制定、用以衡量控制系统性能“优良度”的一些指标。这些指标只适用于衰减、无静差系统。,第二章过程控制与自动化仪表概述,系统由被控过程和检测控制仪表组成过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数电信号或气信号，反映生产过程状况；控制仪表接受检测信号对过程进行控制。被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延、多性能指标特征，还有机理模型难以描述、非线性与时变等特性。（锅炉、热交换器、精馏塔）控制方案的多样性被控对象复杂导致控制方案多样性。单/多变量控制系统、常规仪表控制/计算机集散控制系统(DCS)、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制系统(自适应、预测、智能、非线性控制等)。,过程控制的特点,安全性针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊断，容错控制。稳定性抑制外界干扰，保证正常运行。经济性降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。,过程控制的要求与任务,过程控制的功能结构,测量变送与执行测量变送装置与执行装置实现操作安全与环保保证生产安全、满足环保要求的设备（独立运行）常规与高级控制实现对过程参数的控制，满足控制要求。实时优化实现最优操作工况（时间，成本，设备损耗）而设计的方案决策与计划调度对整个过程进行合理计划调度和正确决策，使企业利益最大化。,过程控制系统设计概述,加热炉过程控制系统,冷,设计步骤：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（油出口温度、烟道气含氧量、燃油压力）间接参数（热效率）3选择控制量燃料油流量还是(冷)油流量出口温度挡板开度还是送风挡板含氧量4.确定控制方案,控制精度和干扰系统简单与复杂方案一：温度PID控制/高级控制方案二：温度、含氧量MIMO解耦控制方案三：温度、含氧量、热效率最优控制5.选择控制策略多数采用PID；复杂过程高级过程控制6.选择执行器气动/电动，执行器特性与过程特性匹配。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.工程化设计设计图样资料和文件资料表达设计思想主管部门审批施工单位。9.系统投运、调试和整定参数,加热炉过程控制系统,过程控制发展概况,20世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表-采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构-单输入、单输出系统；被控参数-温度、压力、流量和液位参数；控制目的-保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-基于传递函数的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。,20世纪60年代(综合自动化阶段)：检测和控制仪表-采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表；计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和计算机监督控制(SCC)。过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、自动选择性控制系统。控制目的-提高控制质量或实现特殊要求。理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用。,过程控制,现代控制理论,计算机技术,集中型计算机控制系统集中/分散控制系统DCS现场总线控制系统FCS,全盘自动化阶段,20世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合的全盘自动化。主要特点：检测和控制仪表-以微处理器为核心的智能单元组合仪表；成分在线检测与数据处理技术；模拟调节器品种、可靠性提高；电动仪表实现本质安全防爆过程控制系统结构-由单一仪表控制计算机/仪表分布控制，比如：集中/分散型控制(DCS)、现场总线(Fieldbus)控制等。理论-现代控制理论的主要内容：系统辨识、最优控制、最优估计以及故障诊断与容错控制等。,集中型计算机控制系统,优越性：从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现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，容量小，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱”。,初衷：由于当时的计算机体积庞大，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。,集散控制系统DCS,80年代-集散控制系统(DCS)集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高系统的可靠性，方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。,控制分散管理集中,控制层网络,现场设备层,DCS的物理层次示意,管理层网络,90年代以来现场总线控制系统FCS(fieldbuscontrolsystem)是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。,现场总线式变送器,现场总线式阀门定位器,安全防爆,工业以太网,安全防爆总线,非安全防爆总线,控制室,控制台,流程图,仪表盘,操作员站,操作员站CRT,工业流程图,现在网络计算机集成过程控制CIPS(compututerintergratedprocesssystem)以企业整体优化为目标（市场营销、生产计划调度、原材料选择、产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化），以计算机和网络为主要技术实现管理与控制一体化。,过程工业大数据,相比较互联网大数据近年从无到有的迅猛发展，过程工业的数据基础更好。过程工业大数据价值产生方式主要是通过集成设计与运行时的生产数据、采购的原料数据及销售过程中积累的点击流和用户行为数据等。例如：Vestas风力发电机制造公司对天气数据与其涡轮仪表多时空大数据交叉分析，改进发电机的布局并进行起、停、改变迎风角等运行决策，提高发电机布局的效率、增加电力输出和延长寿命。,自动化仪表概述,自动化仪表（AutomationInstrumentation）用于过程自动化的仪器或设备。,过程控制系统是实现生产过程自动化的平台,而自动化仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。,自动化仪表的构成,过程控制仪表的分类及特点,（一）按安装场地分1.现场仪表（一次仪表）2.控制室仪表（二次仪表）（二）按能源形式分：针对执行器1.气动控制仪表2.电动控制仪表3.液动控制仪表（少）（三）按信号形式分：1.模拟控制仪表2.数字控制仪表（四）结构形式分：1.基地式控制仪表2.单元组合式控制仪表3.组装式综合控制装置4.集中/分散式仪表(集中计算机控制仪表、集散控制仪表、现场总线控制仪表),按能源形式分,电动控制仪表：优点：信号快速，远距离传输易于实现复杂规律的信号处理易于与其它装置相连供电用电方便无需空压机和油泵、水泵缺点：不天然防爆易受电磁干扰功率不易大*近年的电动仪表多采用了安全防爆措施，应用更加广泛,液动仪表：以高压油和高压水为能源优点：工作可靠，结构简单，功率大，防爆缺点：精度不高,气动控制仪表：以压缩空气为能源优点：结构简单，性能稳定，可靠性高，价格便宜，本质防爆缺点：精度不高,按信号类型分类,模拟式控制仪表是传统的仪表，传输信号通常为连续变化的模拟量。如电流、电压、气压等。模拟式电动控制仪表以模拟电子元件为组成元件，运算放大器是信息处理的核心部件。这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低，使用上有较成熟的经验。,数字式控制仪表以微处理器为核心，传输信号为断续变化的数字量。由于有微处理器的存在，任何复杂的信息处理都易实现，硬件不变，软件千变万化，这类仪表的特色就是高度集成、丰富的功能，易于网络互联。它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制要求。,结构形式分类,1.基地式控制仪表安装在现场，集检测、指示、控制于一身。特点：一般结构比较简单、价格便宜它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。,2.单元组合控制仪表将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。常用电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QDZ型)。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。单元组合仪表分为：变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、转换单元、运算单元、显示单元和辅助单元。,结构形式分类,2.单元组合控制仪表变送单元：把各种被测量（温度、压力、流量、液位）变换成标准输出信号。控制单元：将测量信号和设定信号之差运算后去控制执行单元。执行单元：按照控制信号或手动信号去改变控制量大小。转换单元：实现不同物理信号到标准信号转换，不同标准之间转换。气电运算单元：信号加减乘除，信号补偿。给定单元：输出被控量的设定值。显示单元：参数指示、报警、记录。辅助单元：特殊需要的（操作器、限幅器、安全防爆栅）。,3.组装式控制仪表一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。高密度安装，结构紧凑，适用于复杂控制和集中显示操作的大、中型企业生产,4.集中计算机控制仪表以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂控制。测量变送与执行单元采用模拟仪表，调节单元采用数字仪表。,结构形式分类,QDZQDZQDZDDZDDZDDZ,单元组合式仪表发展阶段,5.集散型控制仪表将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了“控制分散”或“危险分散”，管理高度集中。测量变送与执行单元采用模拟仪表，调节单元采用数字仪表。,6.现场总线控制仪表是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。采用全数字化、双向传输、多分支的通信网络。通信协议规范化、标准化、公开化，使各种控制系统通过总线实现互联、互换和互操作。,结构形式分类,压力变送器,压力变送器