过程控制第1章概论课件

1、过程控制第1章概论第一章 概 论过程控制第1章概论1、自动化技术在工业生产中的作用，大致分为三个阶段：50年代前，第一阶段（局部自动化阶段）理论基础：经典控制理论实现了单输入单输出系统（也出现了串级、前馈等结构较为复杂系统）。过程控制第1章概论60年代，第二阶段（集中控制阶段）理论基础：现代控制理论 研究工业现场的非线性，耦合，时变性，出现了电子数字计算机。70年代以来，第三阶段（集散控制阶段）基础：工业自动化控制计算机商品化、大规模集成电路和微处理器的诞生。 现代工业计算机和集散控制等系统大量应用。过程控制第1章概论2、结论： 自动化技术已经成为工业生产过程必不可少的组成部分，并且与工业生产

2、过程发展相互促进。 计算机的出现为工业生产大型集成控制打下基础。过程控制第1章概论二、过程控制系统的定义1、过程控制过程工业生产过程过程控制工业生产过程控制过程控制是工业自动化控制的其中一个重要分支。过程控制第1章概论过程控制主要针对工业现场六大参数：温度，压力，液位，流量，成分，物性。相关领域：石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织等等。过程控制第1章概论2、过程控制系统 生产过程控制系统是: 以自动控制理论为依据， 以表征生产过程主要参数为被控参数， 通过调节控制参数，使被控参数按照预定的要求规律变化的自动控制系统。 电气控制系统；机电一体化系统等等过程控制第1章概论例1：锅炉汽包液位控制精馏

3、、干燥、反应、加热等过程的热源，是 产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉。过程控制第1章概论例1：锅炉汽包液位控制o锅炉汽包的作用o1 连接2 汽水分离3 储水和储汽o汽包液位对于保证出汽稳定，锅炉安全十分重要。过程控制第1章概论保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。例1：锅炉汽包液位控制给水蒸汽汽包加热器过程控制第1章概论例1：锅炉汽包液位控制给水蒸汽汽包加热器液位计过程控制第1章概论例1：锅炉汽包液位控制给水蒸汽汽包加热器LTLC变送器调节器(比较)执行器蒸汽汽包加热器液位计给水过程控制第1章概论加热炉在生产过程中往往是关键的工艺设备，其控

4、制系统的主要作用：维持一可以控制的燃料燃烧效率(燃料的经济性)； 保证加热炉操作的安全。 加热炉最主要的控制指标是：产品的出口温度，出口流量。原料燃料产品过程控制第1章概论用流量计测量原料的流量，输入流量调节器与给定值比较，其偏差经运算后送到执行器操作原料阀开度，构成加热炉原料流量控制系统。该系统可保证流量的平稳，为整个工艺的稳定操作提供了有利条件。原料FC燃料流量计流量调节器(比较)过程控制第1章概论为控制出口物料的温度，用温度计测量温度，通过温度变送器输入温度调节器与给定值比较，偏差经运算后送到执行器操作燃料阀开度，构成加热炉温度控制系统。原料FC燃料流量计流量调节器TCTT温度调节器温度

5、计过程控制第1章概论例3：过热蒸汽温度控制o蒸汽用来驱动汽轮机作功，带动发电机产生电力。o汽轮机等负载对蒸汽温度是有要求的。过程控制第1章概论过热蒸汽温度控制生产过程被控参数：蒸汽温度控制要求：保持温度恒定 温度调节器 TC 水 执行器 过热蒸汽 减温器 TB 汽包 过热器 烟囱 炉膛 燃料 过程控制第1章概论例4：再沸加热炉控制o石油化工常用设备o原理：通过控制火嘴加热量和排风量来控制热油的加热温度。生产过程被控参数：热油出口温度烟气含氧量控制要求：保持温度恒定烟气含氧量一定过程控制第1章概论三、过程控制系统组成、分类与特点1、过程控制系统组成过程控制系统=过程检测控制仪表+被控对象过程控制

6、第1章概论过程控制系统结构被控对象（被控参数）控 制 装 置检测、变送执 行 器过程控制第1章概论例1：锅炉汽包液位控制系统 蒸汽 汽包 液位变送器 调节器 加热器 执行器 给水 被控对象：锅炉汽包（加热器）过程控制仪表：液位测量变送器；调节器；执行器过程控制第1章概论 n(t) 液位给定 进水调节阀 汽包 x(t) e(t) p(t) q(t) y(t) 液位 z(t) 调节器 执行器 被控对象 测量变送 系统方框图过程控制第1章概论方框图符号含义： y(t): 工业对象被控参数，汽包液位 x(t): 工业对象被控参数设定值（给定值） z(t): 被控参数的测量值，液位电压或电流 e(t):

7、 设定值与被控参数测量值之差 q(t): 操作变量。能改变被控参数的量，是执行器的输出量。水流量。 p(t)、u(t)： 控制信号。用于控制执行器输出操作变量的大小。电压或电流。 n(t)、f(t)：被控对象的外界扰动 n(t) 液位给定 进水调节阀 汽包 x(t) e(t) p(t) q(t) y(t) 液位 z(t) 调节器 执行器 被控对象 测量变送 过程控制第1章概论测量变送器：把被控参数转变成可以与设定值相比较的量。 y(t)-z(t) -e(t)调节器：对偏差进行算法运算后，给出控制量。 e(t)- PID算法 -p(t)执行器：执行控制量，变成对应大小的操作变量。 P(t)-q(

8、t)被控对象：通过一定大小操作变量，相应大小的改变被控参数。 q(t)-y(t)参数电电变量信号运算方框图方框含义过程控制第1章概论例2：过热蒸汽温度控制系统 温度调节器 TC 水 执行器 过热蒸汽 减温器 TB 锅筒 过热器 烟囱 炉膛 燃料 被控对象：炉膛、炉筒、过热器过程控制仪表：TB，TC（温度调节器）、执行器、减温器过程控制第1章概论系统方框图 n(t) 温度给定 减温水阀 锅炉系统 x(t) e(t) p(t) q(t) y(t) 温度 z(t) 调节器 执行器 被控对象 测量变送 比较两个方框图，符号和形式一样。但是不同实际系统，符号含义不一样，方框对应的过程控制仪表不同。调节器

9、中PID参数不同。过程控制第1章概论2、过程控制系统分类 基本分类方法有两种，分别是按照系统克服干扰的方法（结构特点）和按照设定值信号特点分类。o按系统克服干扰方法分类 反馈控制系统 前馈控制系统 前馈-反馈控制系统（复合控制系统）过程控制第1章概论o按设定值信号特点分类 定值控制系统 设定x(t)=x0 随动控制系统 设定随着另一个参数变化。例如：锅炉进气量控制系统 顺序控制系统 设定随着预定的时间顺序变化。工业退火炉温度控制原料FC燃料流量计流量调节器TCTT温度调节器温度计 n(t) 温度给定 燃料调节阀 加热炉 x(t) e(t) p(t) q(t) y(t) 温度 z(t) 调节器

10、执行器 被控对象 测量变送 过程控制第1章概论3、过程控制系统特点 被控过程多样 包含生产范围大，产品分布广，工艺不同 控制方案多样 本课程介绍基本的方案:单回路;串级;前馈;比值;均匀;分程;选择 控制系统由过程检测控制仪表组成 大部分是慢过程和参量控制 慢过程:大滞后,大时延。 参量控制：用参量表征过程是否正常。 定值控制是主要的一种形式过程控制第1章概论四、过程控制系统任务与要求1、工业生产对过程控制的要求 安全性基本要求 经济性越来越重视 稳定性抗干扰能力过程控制第1章概论2、过程控制的任务 在了解掌握生产过程工艺、过程的特性的基础上， 按照安全性，经济性，稳定性要求， 对系统进行分析

11、综合后，采取适宜的技术手段实现。 包括：系统的设计和实现过程控制第1章概论o过程控制系统设计与实现 1.确定控制目标 2.选择被控参数及测量参敏 3.选择操作变量即控制参数 4.确定控制方案 5.选择控制算法 6.选择执行器及调节阀 7.设计报警和联锁保护 8.调试和投运过程控制第1章概论(1)、根据工艺要求，确定控制目标 比如例3，再沸加热炉控制系统中，要求保证热油出口温度稳定 (2)、选择被控参数y(t)-测量参数 要选择能够代表控制目标的参数：热油出口温度 测量参数 直接参数：与被控参数直接相关的测量值，比如出口温度 间接参数：直接参数不能测量，采用测量与直接参数有函数关系的量过程控制第

12、1章概论间接参数的例子：精馏塔（石油提炼，产品苯-甲苯混合物） 原油中各种成分沸点各不相同，通过不同压力温度下蒸馏得到不同产品。（从海水中提取淡水） 固定塔压温度-苯含量关系曲线温度就是苯含量的间接参数过程控制第1章概论(3)、选择控制参数 q(t) 一般由工艺决定。 比如例3，热油出口温度的控制参数为燃油的流量。 当有多个控制参数可以选择时，选取安全性，经济性，稳定性最好的参数。 比如例3，烟气的含氧量的控制参数可为烟道档板角度或燃油量。过程控制第1章概论(4)、确定控制方案 采用哪种结构的控制系统。 比如例3，再沸炉热油出口温度控制，温度控制要求不高，可以通过单回路温度控制系统（控制方案：

13、燃油流量控制）实现。 控制方案与控制目标，控制精度密切相关。 上面温度控制精度高时，要考虑烟气中氧含量控制。 过程控制第1章概论(5)、选择控制算法 e(t)-p(t) 控制算法有：PID算法，最优算法，滤波算法，自适应算法等等 控制方案和控制算法的选择是系统设计的核心内容。过程控制第1章概论(6)、选择执行器 p(t)-q(t) 一般是调节阀，调节阀是可以通过改变外加信号大小可以改变阀的开度大小，从而改变通过阀的气、液流量大小的器件。 选择：调节阀规格、流量特性过程控制第1章概论(7)、设计报警和连锁保护-安全性 为防止在故障情况下，设置报警。 在严重事故情况下，需要有次序的停止各个设备的运

14、转。称为连锁保护。 比如例3，再沸炉热油出口温度控制系统，故障时，需要先关闭燃油阀，再关闭烟气的引风机和热油。否则，会因温度过高烧坏炉管。 过程控制第1章概论(8)、调试和投运 调试：过程控制仪表安装完成后，应该进行试运行，即调试控制仪表设备，设置必要参数，设置调节器控制算法和参数。 投运：依次使整套设备投入运行。过程控制第1章概论o过程控制系统设计与实现 1.确定控制目标 2.选择被控参数及测量参敏 3.选择操作变量即控制参数 4.确定控制方案 5.选择控制算法 6.选择执行器及调节阀 7.设计报警和联锁保护 8.调试和投运过程控制第1章概论五 过程控制系统的控制质量指标过程控制第1章概论过

15、程控制系统的控制质量指标过程控制第1章概论过程控制系统的控制质量指标过程控制第1章概论过程控制系统的控制质量指标振幅越来越大，不稳定在稳态值附近等幅震荡，不稳定到达最大值之后，缓慢到达稳态，稳定较快到达最大值之后，衰减振荡到达稳态，稳定过程控制第1章概论过程控制的控制质量指标 o决定过程控制系统品质的环节：n被控过程特性（固定）n控制系统结构（设计选择）n过程检测、控制仪表（设计选择）过程控制第1章概论过程控制的控制质量指标过程控制的控制质量指标o过程控制系统品质评价指标可概括为： n系统必须是稳定的； （平稳平稳）n系统应能提供尽可能准确的稳态调节；（准确准确）n系统应能提供尽可能好的过渡过

16、程。 （迅速迅速）o过程控制系统品质的用系统的性能指标描述。o控制性能指标通常采用系统阶跃响应曲线性能指标和偏差积分性能指标。 o实际系统的控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定。过程控制第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标阶跃响应曲线：给定值为阶跃信号系统响应曲线典型响应曲线如下：tsB1B2y(t)x0t5%tpTy()过程控制第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标tsB1B2y(t)x0t5%tpTy()过程控制第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标 tsB1B2y(t)x0t5%tpTy()过程控制第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标tsB1B2y(t)x0t5%tpTy()过程控制

17、第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标tsB1B2y(t)x0t5%tpTy()过程控制第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标0)()(xyetsB1B2y(t)x0t5%tpTy() 过程控制第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标 tsB1B2y(t)x0t5%tpTy()过程控制第1章概论（1）阶跃响应曲线性能指标过程控制第1章概论过程控制系统的控制质量指标0)()(xtyte过程控制第1章概论(2)常用偏差积分性能指标：4. min)( dtteIEmin| )(|dtteIEmin)(2dtteIEmin| )(|dttetIEmin)(2dttteIE过程控制第1章概论(2)偏差积分性能指标过程控制第1章概论一