过程控制课件

1、过过 程程 控控 制制 系系 统统 主讲人：钱艳平主讲人：钱艳平 2010.09 2 联系方式 n办公室：电学楼办公室：电学楼5306（江宁）（江宁） n电电 话：话nEmail ： n课堂小纸条、课间交流课堂小纸条、课间交流 3 课程性质、地位及基础课程 n过程控制系统过程控制系统是研究自动控制系统在工业生产过程的是研究自动控制系统在工业生产过程的 应用的技术科学。应用的技术科学。 n本课程是自动化专业的主干专业课程本课程是自动化专业的主干专业课程。 n基础课程：基础课程：检测技术检测技术、电力电子技术电力电子技术、电电 机及拖动基础机及拖动基础、微机原理及接口技术

2、微机原理及接口技术和和自动自动 控制原理控制原理等等等等 只有在掌握上述课程相关知识后，学习只有在掌握上述课程相关知识后，学习 本专业课才会得心应手，融会贯通。本专业课才会得心应手，融会贯通。 4 课程安排 n第一讲第一讲 概述概述 n第二讲第二讲 被控过程的数学模型被控过程的数学模型 n第三讲第三讲 过程检测仪表过程检测仪表 n第四讲第四讲 过程执行器过程执行器 n第五讲第五讲 过程控制策略过程控制策略 n第六讲第六讲 计算机过程控制系统计算机过程控制系统 5 参考书目 nShinskey, F.G. 著，萧德云等译，著，萧德云等译，过程控过程控 制系统制系统应用、设计与整定应用、设计与整定

3、（第（第 3 版），版）， 清华大学出版社清华大学出版社 n俞金寿等编著，俞金寿等编著，过程控制系统过程控制系统，机械工业，机械工业 出版社出版社 n陈夕松等主编，陈夕松等主编，过程控制系统过程控制系统，科学出版，科学出版 社社 等等等等 6 课堂纪律 n上课不要迟到上课不要迟到 n上课保持安静、不要影响他人上课保持安静、不要影响他人 n关闭手机关闭手机 n上课认真听讲，要记笔记上课认真听讲，要记笔记 7 成绩评定 n出勤出勤 15 抽查点名缺一次扣抽查点名缺一次扣5分分 n作业作业 15 缺一次扣缺一次扣5分分 n考试考试 70 允许请假允许请假 允许补齐允许补齐 8 第一讲第一讲 概概 述

4、述 n1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点 n1.3 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 n1.4 过程控制系统的设计方法过程控制系统的设计方法 n1.5 过程控制的进展过程控制的进展 9 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n自动化技术应用的两个重要分支自动化技术应用的两个重要分支 过过 程程 控控 制制 10 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n自动化技术在工业过程中广泛应用自动化技术在工业过程中广泛应用 自动化技术应用于冶金工业自动化技术应用于冶金工业 11 1.1 过程控制的

5、任务与目标过程控制的任务与目标 n自动化技术在工业过程中广泛应用自动化技术在工业过程中广泛应用 自动化技术应用于石油化工自动化技术应用于石油化工 12 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n自动化技术在工业过程中广泛应用自动化技术在工业过程中广泛应用 自动化技术应用于电力工业自动化技术应用于电力工业 13 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n什么是工业生产过程？什么是工业生产过程？ 生产过程生产过程 物理变化物理变化 化学变化化学变化 生化反应生化反应 物质能量的传递物质能量的传递 14 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n举例：炼铁过程举例：炼铁

6、过程 还原过程还原过程 15 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n举例：炼铁过程举例：炼铁过程 16 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n过程控制过程控制 u是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以 连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制。连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制。 n主要解决主要解决 u各种生产过程中的各种生产过程中的温度温度、压力压力、流量流量、液位液位(或物或物 位位)、物理特性物理特性及及化学成分化学成分等参数的自动监测和控等参数的自动监测和控 制问题制问题 17 1.1 过程控制的任务与

7、目标过程控制的任务与目标 n过程控制的任务过程控制的任务 工业生产过程工业生产过程 产品产品 原材料原材料 自动化工具自动化工具 控制理论控制理论 生产工艺生产工艺 及流程及流程 六大参数：温度、压力、流量六大参数：温度、压力、流量 液位、成分、物性液位、成分、物性 18 1.1 过程控制的任务与目标过程控制的任务与目标 n过程控制的目标过程控制的目标 u安全性安全性 越限、事故报警；连锁保护；故障预测与越限、事故报警；连锁保护；故障预测与 诊断；容错诊断；容错 u稳定性稳定性 抑制干扰、保持生产过程的稳定运行抑制干扰、保持生产过程的稳定运行 u经济性经济性 低成本、高效益、少能耗低成本、高效

8、益、少能耗 19 1.2 过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点 n1.2.1 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 电加热锅炉的简易流程图电加热锅炉的简易流程图 20 1.2.1 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 n电加热锅炉液位人工控制方案电加热锅炉液位人工控制方案 21 1.2.1 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 n电加热锅炉液位自动控制方案电加热锅炉液位自动控制方案 22 1.2.1 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 LT LC 保护保护 装置装置 检测检测/ / 变送变送 控制器控制器 执行执行 机构机构 被控被控 对象对象 23 1.2.1 过程控制系统的组

9、成过程控制系统的组成 n过程控制系统基本结构图过程控制系统基本结构图 控制器 测量变送 被控过程执行器 r(t)e(t)u(t)q(t) f(t) y(t) z(t) - 24 1.2.1 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 n例例1：1）试确定乙烯裂解气温度控制系统中：试确定乙烯裂解气温度控制系统中：被控对被控对 象、被控参数和控制参数各是什么？象、被控参数和控制参数各是什么？2）画出该控制系）画出该控制系 统的方块图。统的方块图。 TTTC 乙烯裂解气 丙烯冷却器 气态丙烯 液态丙烯 25 1.2.1 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 n例例1： u1）被控对象为丙烯冷却器；被控参数

10、为乙烯裂解被控对象为丙烯冷却器；被控参数为乙烯裂解 气的出口温度；控制参数为气态丙烯的流量。气的出口温度；控制参数为气态丙烯的流量。 u2）该控制系统的方块图为：该控制系统的方块图为： 控制器执行器丙烯冷却器 扰动 裂解气温度 温度给定 测量变送 - 26 1.2.2 过程控制系统的特点过程控制系统的特点 n被控过程（对象）形形色色；被控过程（对象）形形色色； n控制过程多属缓慢过程和多参量控制形式；控制过程多属缓慢过程和多参量控制形式； n控制方案的多样性，控制方案的多样性，有单回路（有单回路（50%以上）、以上）、 串级（串级（20%以上）、前馈以上）、前馈-反馈、比值、均匀、反馈、比值、

11、均匀、 分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制 系统等；系统等； n定值控制是主要控制形式定值控制是主要控制形式。 27 1.2.3 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 n按系统的结构特点来分按系统的结构特点来分 u反馈控制系统反馈控制系统 u前馈控制系统前馈控制系统 u复合控制系统（前馈反馈控制系统）复合控制系统（前馈反馈控制系统） n按给定值信号的特点来分按给定值信号的特点来分 u定值控制系统定值控制系统 u随机控制系统随机控制系统 u程序控制系统程序控制系统 28 1.2.3 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 n反馈控制系统反馈控制系统 u

12、偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的 目的。目的。 u反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系 统（如串级控制系统）。统（如串级控制系统）。 29 1.2.3 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 n前馈控制系统前馈控制系统 u扰动量的大小是控制的依据，控制扰动量的大小是控制的依据，控制“及时及时”。 u属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。 测量变送 前馈补偿器执行器被控过程 f(t) y(t) 30 1.2.3 过程控制系统的分类过程控制系统

13、的分类 n复合控制系统复合控制系统 u充分发挥了前馈和反馈的各自优点。充分发挥了前馈和反馈的各自优点。 31 1.2.3 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 n定值控制系统定值控制系统 u定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过 程控制系统。程控制系统。 u在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、 成分等）的给定值是固定不变的。成分等）的给定值是固定不变的。 u有时可在规定的小范围附近不变。有时可在规定的小范围附近不变。 32 1.2.3 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 n随动控制系统随

14、动控制系统 u随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任意变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。化的控制系统。如锅炉燃烧控制系统中，要求空气如锅炉燃烧控制系统中，要求空气 量随燃料量的变化而变化，以保证燃烧的经济性。量随燃料量的变化而变化，以保证燃烧的经济性。 u其主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给其主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给 定值。定值。 u一般意义上的随动控制系统（一般意义上的随动控制系统（Following Control System）是指位置随动系统，如火炮、导弹的位）是指位置随动系统，如火炮、导弹的位 置跟踪等。置跟踪等。 33 1.3

15、 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 n稳定性稳定性 u稳定压倒一切（稳定压倒一切（最重要、最基本的需求！最重要、最基本的需求！） n准确性准确性 u系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标） n快速性快速性 u系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标） 一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值一个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，能发生变化后，能快速快速、平稳平稳、准确准确地达到或趋近给定值地达到或趋近给定值 34 1.3.1 过程控制系统性能的决定因素过

16、程控制系统性能的决定因素 n控制系统结构控制系统结构 u单回路、串级、前馈单回路、串级、前馈- -反馈控制等；反馈控制等； n各组成环节特性：各组成环节特性： u被控过程特性（被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特滞后、非线性、时变性和耦合特 性性）；）； u检测环节特性（非线性、间接测量）；检测环节特性（非线性、间接测量）； u执行环节特性（非线性）；执行环节特性（非线性）； u控制器特性控制器特性。当系统结构和上述三个环节都确定后，当系统结构和上述三个环节都确定后， 控制器特性是决定系统性能的控制器特性是决定系统性能的唯一因素唯一因素。 35 1.3.2 过程控制系统性能的分析方法过程

17、控制系统性能的分析方法 n性能指标确定性能指标确定 u过程控制系统性能指标应根据过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际生产工艺过程的实际 需要需要来确定。需同时注意稳态和动态性能指标。来确定。需同时注意稳态和动态性能指标。 n分析方法分析方法 u阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 u误差积分性能指标误差积分性能指标 36 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 n1.衰减比和衰减率衰减比和衰减率 u衰减比衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。等于两个相邻同向波峰值之比。 衡量振荡过程衰减程度的指标。衡量振荡过程衰减程度的指标。 3 1 y y 过程控制系统阶跃响应曲线过程控制系统阶跃响应曲

18、线 37 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 n1.衰减比和衰减率衰减比和衰减率 u衰减率衰减率是经过一个周期以后，波动幅是经过一个周期以后，波动幅 度衰减的百分数。度衰减的百分数。 衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。 过程控制系统阶跃响应曲线过程控制系统阶跃响应曲线 1 31 y yy 38 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 n1.衰减比和衰减率衰减比和衰减率 u一般希望过程控制系统的衰减比一般希望过程控制系统的衰减比=4:110:1，相，相 当于衰减率当于衰减率=0.75到到0.9。 u若衰减率若衰减率 =0.75，大约两个振荡后系统进入

19、稳态。，大约两个振荡后系统进入稳态。 39 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 n2.最大动态偏差和超调量最大动态偏差和超调量 u最大动态偏差最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其是指在阶跃响应中，被控参数偏离其 最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的 第一个波峰（第一个波峰（y1）。）。 u最大动态偏差最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指是衡量过程控制系统动态准确性的指 标。标。 u超调量超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。 %100 )( 1 y y 40 (一一) 阶跃响

20、应性能指标阶跃响应性能指标 n3.余差（残余偏差）余差（残余偏差） u余差余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设 定值的差值。定值的差值。 u余差余差是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。 )()(yre 41 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 n4.调节时间调节时间 u调节时间调节时间ts 是从过渡过程开始到结束的时间。是从过渡过程开始到结束的时间。 u理论上应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳理论上应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳 态值的态值的 5%范围内所需时间就是调节时间。范围内所需时间就

21、是调节时间。 u调节时间调节时间是过程控制系统快速性的指标。是过程控制系统快速性的指标。 42 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 n5.阶跃响应性能指标之间的关系阶跃响应性能指标之间的关系 u有些指标之间是相互矛盾的（如超调量与调节时有些指标之间是相互矛盾的（如超调量与调节时 间）。间）。 u对于不同的过程控制系统，性能指标各有其重要性。对于不同的过程控制系统，性能指标各有其重要性。 u应根据工艺生产的具体要求，应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾分清主次，统筹兼顾， 保证优先满足主要的性能指标要求。保证优先满足主要的性能指标要求。 43 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性

22、能指标 n例例2 u某发酵过程工艺规定操作温度为某发酵过程工艺规定操作温度为405。 u试确定该系统的余差（稳态误差）、衰减比、超调试确定该系统的余差（稳态误差）、衰减比、超调 量和调节时间。量和调节时间。 40 41 42 45 T/ C t/min 18523 。 44 (一一) 阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 n例例2 u稳态误差稳态误差 ess=41-40=1 u衰减比衰减比 第一个波峰值第一个波峰值=45-41=4；第二个波；第二个波 峰值峰值=42-41=1 u超调量超调量=（45-41）/41=9.75% u调节时间调节时间=20min（误差带为（误差带为2%）。）。 14 3

23、 1 : y y 45 (二二) 误差积分性能指标误差积分性能指标 n1. 基本概念基本概念 u该指标是过渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差该指标是过渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差 沿时间轴的积分沿时间轴的积分 u无论是误差幅度大或者时间拖长都会使误差积分增无论是误差幅度大或者时间拖长都会使误差积分增 大大 u该指标是一类综合指标，希望愈小愈好该指标是一类综合指标，希望愈小愈好 46 (二二) 误差积分性能指标误差积分性能指标 n2. 常用类型常用类型 u(1) 误差绝对值积分误差绝对值积分IAE（Integral of Absolute Integral of Absolute Erro

24、rError） min)( 0 dtteJ ne e( (t t)=)=y y( (t t)-)-y y();(); n着重于抑制过渡过程中的大误差着重于抑制过渡过程中的大误差; ; 47 (二二) 误差积分性能指标误差积分性能指标 n2. 常用类型常用类型 u(2) 误差绝对值与时间乘积的积分误差绝对值与时间乘积的积分ITAE（Integral Integral of Time and Absolute Errorof Time and Absolute Error） min)( 0 dttetJ n用以降低初始大误差对性能指标的影响；用以降低初始大误差对性能指标的影响； n强调了过渡过程后

25、期的误差对指标的影响；着强调了过渡过程后期的误差对指标的影响；着 重重惩罚过渡过程拖得过长惩罚过渡过程拖得过长； n突出快速性的要求；突出快速性的要求； 48 (三三) 几点说明几点说明 n阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但 如何统筹（兼顾偏差和时间），则比较困难。如何统筹（兼顾偏差和时间），则比较困难。 n误差积分性能指标可综合误差和时间关系，即误差积分性能指标可综合误差和时间关系，即 可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各 单项指标，属于综合性能指标。单项指标，属于综合性能指标。 n一般来说，阶跃响应性

26、能指标便于工程整定，一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定， 在工程应用中使用广泛；而误差积分性能指标在工程应用中使用广泛；而误差积分性能指标 则更便于计算机控制、仿真和理论分析。则更便于计算机控制、仿真和理论分析。 49 1.4 过程控制系统的设计方法过程控制系统的设计方法 n设计的首要条件设计的首要条件 u花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原 理、操作过程和过程特性。理、操作过程和过程特性。 n设计步骤设计步骤 （1 1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量；）根据工艺要求和控制目标确定系统变量； （2 2）确定控制方案；）确定控制方案；

27、（3 3）选择硬件设备；）选择硬件设备； （4 4）选择控制算法，进行控制器设计；）选择控制算法，进行控制器设计； （5 5）设计报警、联锁保护系统）设计报警、联锁保护系统; ; （6 6）系统的调试及投运）系统的调试及投运; ; 50 1.4 过程控制系统的设计方法过程控制系统的设计方法 火嘴火嘴 燃燃 油油 热油出口热油出口 待加热油待加热油 引风机引风机烟气烟气 进风进风 ORC 含氧量记录控制含氧量记录控制 挡板气流量控制挡板气流量控制 薄膜式调节阀薄膜式调节阀 燃燃 油油 加加 热热 炉炉 流流 程程 图图 3005C TRC 温度记录控制温度记录控制 压力指示控制压力指示控制 PI

28、C 目标目标 油温稳油温稳 油温和含氧量稳油温和含氧量稳 油温稳且油温稳且 热效率高（烟温、含氧量、一氧化碳）热效率高（烟温、含氧量、一氧化碳） 51 1.5 过程控制的进展过程控制的进展 n1.5.1 过程控制装置的发展过程控制装置的发展 规模由小到大，结构由简单到复杂规模由小到大，结构由简单到复杂 分散化、网络化、智能化分散化、网络化、智能化 52 1.5.1 过程控制装置的发展过程控制装置的发展 计 算 机 生 产 过 程 采 样 设 备 多 路 转 换 A/D D/A M1 MN E1 EN 显示 打印 记录 53 1.5.1 过程控制装置的发展过程控制装置的发展 生 产 过 程 数据 采集器 扩展 控制器 基本 控制器 DEP 面板 高速