工业过程控制-第1章课件

1、工业过程控制-第1章,工业过程控制,任课教师：董敏 办公室：A3-403 电 话：,工业过程控制-第1章,课程名称：工业过程控制 授课对象：自动化专业，测控专业 先修课程：电子技术基础 检测与信号处理技术 自动控制原理 主要教材及参考书： 过程控制系统，俞金寿、孙自强 编，机械工业出版社，2008 过程控制，金以慧 主编，清华大学出版社，1998,工业过程控制-第1章,第一章 绪论,本章主要内容 1.1 过程控制的基本概念 1.2 过程控制的任务 1.3 过程控制系统的组成 1.4 过程系统的分类 1.5 过程控制系统的性能指标 1.6 过程控制的特点 1.7 过程控制的发展状况 1.8 自动

2、化仪表概述,工业过程控制-第1章,1.1 过程控制的基本概念,过程控制 为了按所希望的效率，质量和产量产出产品，将过程内各部分的变量控制在所希望的值，即完成对诸如温度，压力，流量，液位（物位）等参数的控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。,工业过程控制-第1章,人工操作与自动控制比较图（液位控制）,控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要,工业过程控制-第1章,1.2 过程控制的任务,1、过程控制的任务 六大主要控制参数 温度、压力、流量、液位、成份、物性 应用行业 石油、化工、电力、制药、食品、冶金、轻工、纺织、农业,工业过程控

3、制-第1章,安全性（人和设备 ）：参数越限报警、事件记录SOE、连锁保护、状态监测、容错技术 经济性：能量和原材料消耗 稳定可靠性：可以连续、稳定的生产,2、过程控制的要求,工业过程控制-第1章,3、过程控制系统的设计,确定设计目标 - 保证出口温度 - 保证烟气含氧量 - 保证燃烧效率,工业过程控制-第1章,选择测量参数 - 出口温度 - 烟气含氧量 - 炉膛负压 - 燃油压力 - 热效率（软测量）,过程控制系统的设计,工业过程控制-第1章,选择操作量 温度采用调节阀调节燃油投入量进行控制 烟气含氧量采用电机调节排烟挡板的角度,过程控制系统的设计,工业过程控制-第1章,控制方案的确定 温度控

4、制：采用燃油投入量进行反馈控制 氧量控制：加一个氧量控制器，利用挡板角度改变进行控制 热效率：通过计算得到热效率，和给定热效率比较，产生含氧量的设定，不断调整,过程控制系统的设计,工业过程控制-第1章,选择控制策略 PID、自适应、解耦、最优控制等,过程控制系统的设计,选择执行器 - 调节阀：作用方式、口径、流量系数、材质等 - 电机：转速、功率等,工业过程控制-第1章,设计报警和联锁保护 - 报警：高报警、低报警、变化率报警，声、光措施等 - 联锁：为了安全而设计的一系列先后次序的动作 例如紧急停车联锁： 停燃油泵关闭燃油阀停止引风机停热油阀 次序错误将导致严重后果！,过程控制系统的设计,工

5、业过程控制-第1章,调试和投入运行 检验安全性 检验稳定性可靠性 检验精度和准确性 检验控制指标,过程控制系统的设计,工业过程控制-第1章,设计实现总结,确定控制目标 选择测量参数 选择操作量 确定控制方案 选择控制策略 选择执行器 设计报警和联锁 调试和投运,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,过程控制系统主要由被控过程和自动化仪表两部分组成，其中自动化仪表负责对被控过程的工艺参数进行自动测量、自动监视和自动控制等。 例如：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统 转炉供氧量控制系统 集散控制系统（DCS）,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,例1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控

6、制系统 锅炉是电力、冶金、石油化工等工业部门不可缺少的动力设备，其产品是蒸汽。发电厂从锅炉汽包中出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热成为过热蒸汽。过热蒸汽的温度是火力发电厂生产工艺的重要参数。 过热蒸汽温度控制是保证汽轮机组（发电设备）正常运行的重要条件。通常过热蒸汽的温度控制在460左右，推动汽轮机做功。,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,每种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下运行，机组的效率最高。如果过热蒸汽温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短；如果温度过低，当过热蒸汽带动汽轮机做功时，会使部分过热蒸汽变成小水滴，小水滴冲击汽轮机叶片，会造成生产事故。所以必须对过

7、热蒸汽的温度进行控制。 过热器之前或中间部分串接一个减温器，通过控制减温水流量的大小来控制过热蒸汽的温度。,工业过程控制-第1章,电厂锅炉过热蒸汽温度控制流程图,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,Z(t),工业过程控制-第1章,过程（又称对象） 被控制的装置或设备 c(t)(或y(t) 被控参数（系统输出）：过热蒸汽的温度 f(t) 扰动作用，作用与被控过程引起被控参数变化的各种因素 q(t) 控制参数（操纵变量） u(t) 控制作用，控制器的输出值 r(t) 给定值（设定值） 测量变送器 将c(t)成比例地转换为测量信号z(t)(反馈值),工业过程控制-第1章,1.3 过程控

8、制系统的组成,例2 转炉供氧量控制系统 转炉是炼钢工业生产过程中的一种重要设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪供给转炉一定的氧气量，在氧气的作用下，铁水中的碳逐渐氧化燃烧，从而使铁水中的含碳量不断地降低，控制吹氧量和吹氧时间就可以控制冶炼钢水的含碳量，于是可以获得不同品种的钢材料。,工业过程控制-第1章,控制过程： 采用节流装置1来测量氧气流 量，并流至变送器（FT）2， 再经开方器3后作为流量调节 器（FC）4的测量值，其测量 值与供氧量的给定值进行比 较得到偏差，调节器按此偏 差输入信号以PID某种控制规 律进行运算并输出控制信号 去控制调节阀5的开度，从而 改变供氧量的大小，以满足 生产

9、工艺要求。,转炉供氧量控制系统控制流程图,1.3 过程控制系统的组成,工业过程控制-第1章,控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。,1.3 过程控制系统的组成,转炉供氧量控制系统控制框图,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,计算机过程控制系统,图5. 计算机过程控制系统框图,计算机代替模拟调节器 - 计算机过程控制系统。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现

10、对被控参数的控制。,工业过程控制-第1章,计算机控制系统组成框图,生产过程：被控对象，测量变送，执行机构等。,1.3 过程控制系统的组成,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,例3 集散控制系统（DCS） （1）过程输入-输出接口 （2）过程控制单元 （3）数据高速通路 （4）CRT操作站 （5）管理计算机 （-上位机）,集散控制系统基本组成框图,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,被控对象 实现控制的设备，机器或生产过程。 如加热器，蒸馏塔，反应器或传输物料的管路，储存物料的槽、罐等。 （1）被控量 对象内要求进行控制的参量。即y(t)，如过热蒸汽的温度，是过程的输

11、出信号。 （2）操纵量（控制参数） 一般是由工艺决定的，如加热器温度控制的燃油量、氧气量等，受执行器（调节阀）操纵，用以使被控制量获得有效控制的量（调节阀输出，过程的输入）。,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,（2）干扰量 除了操纵量外，作用于对象并能引起被控量变化的各种因素。 2. 检测元件与变送器 （1）检测元件：各类传感器 （2）变送器：用于把被测参数（温度、压力、流量、物位等物理量）变换为标准电信号的仪表。 标准信号：电压 15V DC 电流 420mA DC,工业过程控制-第1章,1.3 过程控制系统的组成,3. 控制器（调节器） 将测量值与事先设定的给定值比较，产生

12、偏差信号。根据偏差信号自动地进行运算，并将结果输出到执行机构上，达到自动调节的目的。 （1）设定值：采用标准信号。 （2）测量值：要求与被控量具有相应关系的标准信号。 （3）偏差量：正偏差或负偏差 4. 执行器（调节阀） 过程自动化中用的执行器均为调节阀 调节阀由执行机构和调节机构组成。,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,1. 按被控量分类 温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等 2. 按完成的功能分类 比值控制系统（特殊的多变量控制） 分程控制系统（一个调节器带几个阀） 选择性控制系统（非线性切换控制）,3. 按被控量的多少分类 单变量控制系统 多变量控制系

13、统,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,4. 按系统的结构分类 反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,（1）反馈控制系统 反馈控制系统是过程控制系统的一种最基本的控制结构形式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。 如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制系统。 反馈信号可以有多个，从而构成多个闭合回路，称其为多回路控制系统。,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,（2）前馈控制系统 前馈控制系统是直接根据扰动量的大小进行工作，扰

14、动是控制的依据。由于它没有被控量的反馈，所以也称为开环控制系统。,前馈控制框图,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,（3）前馈-反馈（复合）控制系统 开环的前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速地克服其对被控参数的影响；对其余次要扰动，利用反馈控制予以克服，使控制系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。,前馈-反馈控制系统,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,5. 按给定信号分类 定值控制系统 程序（顺序）控制系统 随动控制系统 （1）定值控制系统： 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。 例如：过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统

15、均为一个定值控制系统。,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,6. 按给定信号分类 定值控制系统 程序（顺序）控制系统 随动控制系统 （2）程序控制系统： 系统被控量的给定值按预定的时间程序变化工作的。控制目的就是使系统被控量按工艺要求规定的程序（顺序）自动变化的。 例如：同期作业的加热设备（机械、冶金工业中的热处理炉），一般工艺要求加热升温、保温、逐次降温等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统也按此程序自动工作，达到控制的目的。,工业过程控制-第1章,1.4 过程控制系统的分类,6. 按给定信号分类 定值控制系统 程序（顺序）控制系统 随动控制系统 （3）随动控制系统： 它

16、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，使被控量快速跟随给定值变化。 例如：加热炉燃烧过程，生产工艺要求空气量随燃料量的变化而成比例的变化，而燃料量是随生产负荷而变化，其变化规律是任意的。随动控制系统就是要使空气量跟随燃料量的变化自动控制空气量的大小，达到加热炉最佳燃烧。,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,过程控制系统的评价 动态过程：从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过 渡过程。 系统性能评价：主要看它受到外来扰动作用或给定值 发生变化后，能否快速地、准确地、 平稳地（非剧烈振荡）回复（趋近） 到原（新）给定值上。 评价指标：系统阶跃响应性能

17、指标 偏差积分性能指标,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,1、系统阶跃响应性能指标 a.余差（静态偏差、残差）- 准确性 余差是过渡过程结束后给定值与被控参数稳态值之差。（静态指标）,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,b.衰减比n（衰减率）- 稳定性 两个相邻的同向波峰值之比:n=B1/B2(注意都是相 对于稳态值的大小) n大振荡剧烈 n小稳定性高,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,c.衰减率- 快速性 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.

18、9。, =(B1-B2)/B2,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,d.最大动态偏差及超调量被控参数偏离给定值程度 系统第一个峰值超出稳态值的幅度。 超调量,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,e.过渡过程时间 衡量快速性 扰动后，被控量进入新的稳态值的5%的范围内所 经历的时间,注：性能指标之间的矛盾 精度高，不稳定；稳定性好，快速性差；分清主次，对主要的控制指标优先保证。,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,2、偏差积分性能指标 过渡过程中，被控量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积分。可见，无论误差幅度大，还是时间长，都会使积分增大，所以

19、它是综合指标。 a.偏差绝对值积分（IAE）,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,b.偏差绝对值与时间乘积积分（ITAE） 抑制过渡过程时间，突出快速性 c.偏差平方值积分（ISE） 抑制过渡过程中大的偏差,工业过程控制-第1章,1.5 过程控制系统的性能指标,d.时间乘偏差积分（ITSE） 抑制过渡过程中大的偏差和过渡时间过长。 不同积分指标对动态过渡过程的要求侧重点不同。,工业过程控制-第1章,1.6 过程控制的特点,连续生产过程的自动控制 -被控量需要定量控制且连续可调 过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。 2.系统由被控过

20、程和自动化仪表组成 过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（电动仪表、气动仪表、模拟仪表、智能仪表等）和电子计算机（看作一台仪表)等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动监测、自动控制。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。,工业过程控制-第1章,1.6 过程控制的特点,3. 被控过程（对象）是非电量的 被控过程复杂多样，如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备；热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。涉及石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等行业。这些生产过程，往往采用物理量和化学量（如温度、压力、流量、液位、成

21、分、PH值等）来表征生产过程是否正常，因此需要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多为非电量控制。,工业过程控制-第1章,1.6 过程控制的特点,4. 控制过程多为慢过程的参量控制 由于被控过程具有大惯性、大滞后（大延迟）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多为慢过程。它的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些机理复杂（如发酵、生化过程等）的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前机理建模方法建立起精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。,工业过程控制-第1章,1.6 过程控制的特点,5. 控制方案丰富 过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于

22、工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案也十分丰富。通常有单变量控制系统，多变量控制系统；仪表过程控制系统，计算机集散控制系统；复杂控制系统等等。,工业过程控制-第1章,1.7 过程控制的发展概况,过程控制的发展经历了局部自动化、综合自动化 和全盘自动化等阶段。 仪表自动化阶段 20世纪40年代，基地式仪表，就地控制 20世纪60年代，DDZ（电动单元组合仪表），QDZ（气动单元组合仪表），集中监控集中操作，实现工厂仪表化，局部自动化。采用频率法和根轨迹法为基础的经典控制理论，单入单出定值控制。,工业过程控制-第1章,计算机控制阶段 20世纪70年代，采用计算机直接数字控制（DDC），计算机监控（SCC）。 集散控制系统（DCS），具有控制分散，操作管理集中的优势，发展较快。它集中了计算机、控制、通信、图形显示技术。 控制结构：前馈，串级，比值，均匀，选择性控制。 控制理论：最优控制，推理控制，预测控制，自适应控制等，多变量控制系统。,1.7 过程控制的发展概况,工业过程控制-第1章,直接数字控制 DDC,直接数字控制(DDC)计算机,CRT,打印机,报 警,操作台,过程输入