工业过程控制工程课件第一章工业过程控制工程绪论.ppt

1、工业过程控制工程，中南林业科技大学电信学院周国雄，第一章绪论，1.1工业生产过程控制概要1.2工业生产过程操作功能1.3工业生产过程控制系统发展过程1.4工业生产过程自动化1.5过程控制学习，现代工业生产过程， 随着生产规模的扩大，生产过程的加强、对产品质量的严格要求以及各公司之间的激烈竞争、人工操作和控制不能充分满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程中不可缺少的设备。 因为这是保证现代企业安全、优化、低消费和高效生产的主要技术手段。 什么是过程控制？ 工业生产过程是指原材料经过几个加工步骤转变为产品，具有一定生产规模的过程。 工业生产过程可以分为连续生产过程和离散生产过程，

2、离散生产过程和间歇生产过程(批量生产过程)。 1.1工业生产流程的控制概要、工业生产流程的目标是在可获得的原料和能源条件下，以最经济的方式加工成原材料预期合格的产品。 原材料、合格产品、理想条件、干涉、产品、控制、过程控制、过程控制主要指连续过程工业的过程控制，如图1.1-1工业生产过程形象、以煤为燃料的发电厂、图1.1-2所示。 在这个工业生产过程中，原料是煤和水，产品是电能，整个生产过程由储藏室、锅炉、汽轮机、发电机、水冷凝器和循环泵、相应的管道和控制系统等组成。 煤通过在炉膛中燃烧而产生热能，推进将水加热成为高压蒸汽的汽轮机。 汽轮机通过连接轴使发电机产生电能。 发电的电力被送到电网，有

3、的用于照明，有的用于驱动马达，有的用于家电产品的电源。 图1.1-2发电站的示意图，对发电站来说，其工作目标是为了安全生产锅炉、汽轮机等，必须绝对安全地运行。每单位电力的煤消耗，煤消耗小，对能量转换效率要求高的排放烟是环境污染烟中的灰尘和硫化物以上目标只能通过良好的自动控制系统实现。 在运营工业生产过程中，希望实现安全生产的单位产品的原材料和能源消耗尽可能少的副产品，特别是污水等废弃物不产生，最好防止环境污染。 生产设备利用率高。 为了达到预期的生产目标，必须慎重操作整个工业生产过程，严格控制。 精心操作、正确控制工业生产：首先，正确测量、修正整个工业生产的材料流(气体、液体、固体)、能量流(

4、电、蒸汽、气体等)与生产过程的关系状态，如温度、压力、流量。 根据测得的数据和信息，用生产过程和控制理论的知识来管理、控制其生产过程。 工程上通过工业过程控制系统操作控制实际工业生产过程。 过程控制任务：在充分理解生产过程流程和动态特性的基础上，应用理论进行系统分析和综合，以生产过程中物流变化信息量为受控变量，选择合适的技术手段，实现生产过程的控制目标。、图1.1-3工业生产过程控制与其他学科的关系、1.2工业生产过程运行操作、1.2.1工业生产操作功能1.2.2工业生产过程稳定因素1.2.3影响工业生产过程控制的因素、1.2.1工业生产操作功能间歇生产过程的操作设备之间的切换生产负荷的变化，

5、 在连续生产过程和间歇生产过程中，驾驶和停车有自己的一系列顺序和操作步骤，特别是在大型石油化生产过程中，开始停车需要很长时间，如果不按照一定的顺序和顺序进行，就会发生生产事故，驾驶时间变长。 在间歇生产过程中，往复循环操作更加频繁。 有些连续生产流程还包括间歇工作的设备和单元。 根据情况，为了改变生产品种和生产负荷，要求按照一定的顺序进行修改和操作。 通常，序列操作包括一系列阶段或操作步骤。 有些由进程事件决定，有些根据特定的时间间隔调用。 在上述顺序操作要求的基础上，工业生产过程要求对整个生产过程进行监控和管理(监控生产过程的变化，收集生产过程的历史数据，对找出过程的紊乱因素，优化过程条件，

6、分析过程操作极为有用。 生产流程的修订、修订和决定(一个工厂由很多生产流程组成，修订整个工厂的原材料、能源、水、电的分配，如何根据市场需求和原料情况，编制生产修订，对一个工厂来说具有很大的经济意义。 生产过程的优化操作和控制(一个生产过程的优化操作点时常变化，因此对工业生产过程的具体情况，连续寻找优势是非常重要的。 1.2.2影响工业生产过程的稳定因素，在生产过程中，产品的质量、产量和产量等因生产过程的各种干扰(干扰)和生产过程的工艺设备等特性的变化而变动。 工业生产过程的干扰作用使生产过程的操作变得不稳定，影响了工厂生产过程的经济效益，干扰主要来自以下几个方面。 原材料的组成变化：工业生产过

7、程中根据一定的原料性质生产一定规格的产品，但原料性质的变化严重影响产品的规格、质量和产率。 产品质量和规格的变化：随着市场对产品质量和规格要求的变化，工业生产企业必须立即适应市场需求的变化。 否则，生产的产品不能在市场上销售。 生产流程设备的使用性：工业生产流程的生产设备都是以一定的生产规模进行修订的，但随着市场对产品数量的需求变化，原来的修订不能满足实际的生产需求，或者是工厂设备的破损或占有，会影响生产负荷的变化。 装置与装置或工厂与工厂之间的关联：在工艺工业中，材料的流动和能量的流动在各装置之间或工厂之间有着密切的关系，由于前后的连接计划等原因，要求生产过程的运行有相应的变更，以满足整个生

8、产过程的材料与能量的平衡。 生产设备特性的漂移：在工业生产过程设备中，一些重要的设备特性随生产过程的进行而变化，这些特性的漂移都会成为严重的工业生产过程的干扰作用。 控制系统故障：修正器自动化系统是监督、管理和控制工业生产过程的重要设备和手段，自动控制系统本身的故障和特性变化也是生产过程的主要干扰源。 例如测量仪器测量过程的噪声、零点的漂移、控制过程特性的变化、控制器残奥表的调整来不及、操作人员的操作失误等，都是工业生产过程的干扰源。由于现代工业生产过程规模大，设备关联严重，加强生产，对干扰非常敏感。 因此，局部干扰将扩展到整个生产过程。 工业生产过程除上述特点外，从反馈控制的角度分析，其受控

9、过程(对象)还具有以下特性，影响着工业生产过程的操作、控制和优化。 1.2.3影响工业生产过程控制的因素、信号测量问题：工业生产过程的材料和能量流都在密闭的管道和容器中传递、反应或分离，有些材料易燃、易爆、有腐蚀和毒性。 工业生产过程中的变量很难在网上测量，可能无法测量，噪声大不可靠，有些变量至今无法在网上测量，尤其是那些材料的性质和产品质量的残奥仪，必须抽样送到实验室进行分析。 随着在线质量(成分)分析修订的逐步使用，本来不可测量的变量可以测量，但在线分析修订不能满足千变万化的工业生产过程的需要。 为了解决这个问题，要求对不能以间接的方式测量的变量进行测量，并且使用通常被称为软测量技术或者估

10、计测量的方法，即，可测量的变量以及相关模型来校正不能测量的变量。 负反馈控制完全取决于工业生产过程信号测量的准确性。 被控制过程的滞后特性：在实际的工业生产过程中由于配管中的传递和取样检查分析等原因，被控制过程中存在各种各样的纯滞后和时滞。 纯滞环对于负反馈控制系统来说是最难控制的过程，希望一个控制系统的输出作用能够尽快对被控制变量进行反应，但由于存在纯滞环，所以其动态响应延迟。 被控制工艺的时间常数长短不同：由于工业生产工艺的形状、尺寸等不同，该工艺的时间常数差异较大，如流量工艺、时间常数小，工业加热炉的时间常数大。 非线性特性：严格说来，工业生产过程因运行操作点不同其特性也不同，即工业生产

11、过程一般具有非线性特性。 此非线性特性在控制校正和扰动不同的工作区中具有不同的作用特性。 时变性：如生物发酵过程、生物质浓度的增加随时间变化，相应的原料消耗和生成物的形成是时间的函数。 整个生物发酵过程是从接种、生物生长、产品形成到生物量衰退的时变过程。 真性不稳定性：化学反应过程、生化反应过程等部分工业生产过程，在部分操作范围内系统本身不稳定。 当过程进入不稳定的操作区域时，其过程变量的变化，例如化学反应温度和压力，在某些情况下，系统会循环振动而变得不稳定。 耦合特性：工业生产过程中输入输出之间的关系通常很复杂，各变量之间可能有很强的耦合性。 一个输入可以同时改变多个输出，相反，一个输出可以

12、受到多个输入者的影响。 执行机构特性：作为自动控制系统，由测量环节、被控制过程和执行机构三部分组成，执行机构的特性直接影响控制系统的质量。 1.3工业生产过程控制系统的发展过程，自19世纪世界工业革命以来，工业生产过程从简单到复杂，规模小。 到目前为止，有着各种各样的工业生产过程，生产出各种各样的产品来满足人们的生活需要。 作为工业生产过程一部分的工业过程控制系统也在发展和提高。 1.3.1自动化修订装置技术的发展1.3.2修订机在工业生产控制中的应用，1.3.1自动化修订装置技术的发展，在工业生产过程中，通常需要测定和控制的变量是温度、压力、流量、液面、称量、电量这些变量的测量和控制随着电子

13、技术、校正机技术和测量技术的发展，其基本测量原理没有多大变化，但信号转换、显示和控制装置的变化非常快。表1.3-1自动化修正器技术的发展，1.3.2修正机应用于工业生产控制，表1.3-2修正机应用于工业生产过程，20世纪60年代，修正机应用于工业生产过程控制，只代替普通的PID控制器、显示、记录和警报，直到20世纪70年代为止该系统对测量和控制电路采用分布式结构，信息又进行集中处理和管理，大大提高了计算机控制系统的可靠性，为计算机在工业生产过程中的应用开辟了新的局面。 到了20世纪80年代，DCS进入成熟期，生产线甚至工厂可以用大型DCS控制，真正实现计算机控制工业的生产过程。 同时，有更好的

14、人机界面、硬件和软件平台，为先进的控制和优化控制奠定了物质基础，进入20世纪90年代以后，被称为信息化和网络化时代，基于现场总线的校正机控制系统开发和实现随着计算机在企业管理和控制中的应用，过程自动化(PA )、工厂自动化(FA )、计算机集成过程控制(CIPS )、计算机集成制造系统(CIMS )和企业资源综合修订计划(ERP )等已成为提高工业生产过程经济效益的重要手段图1.3-1工厂计算机综合优化控制，1.4为了使工业生产流程自动化，使一个工业生产流程或一个企业良好高效地运行，整个生产流程的材料、能源、人力等的管理、组织和运营是不可或缺的。 为了达到这一目的，必须及时检查和控制工业生产过

15、程的信息、数据。 因此，生产修订计划、生产日程、安全稳定的生产和操作等自动化技术是必不可少的。企业生产过程管理和控制的阶段(层次)结构图，生产过程层由相关的生产过程设备如容器、泵、机械、管道等组成。 通常的控制层由生产过程中工艺残奥仪表的测量、转换、修正、设备、自动执行机构及显示、记录、控制器等构成。 该层是自动监测和手动控制工业生产过程的最基本的自动化设备。 先进控制层由计算机(或DCS )、相关软件和算法等组成，其功能是实现通常控制层不能做到的多变量控制。 优化层由计算机、优化软件和优化算法等组成，具有为高级控制层提供优化值、优化控制轨迹或生产方案的功能。 此层的作用是为优化层提供各种优化

16、目标或约束。图1.4-1、1.4.1常规控制1.4.2先进控制1.4.3优化、1.4.1常规控制，常规控制是指采用经典的PID (比例积分十微分)控制算法或其他简单的控制算法。 如果发生了干扰，则将其稳定地维持在预先设定的恒定值，通常控制通常为单电路负反馈控制系统(或反馈控制环路):图1.4-2的典型的负反馈控制环路，如果干扰能够测量到：则为图1.4-3的典型的反馈控制环路在这种单回路反馈控制系统中加入前馈、级联等控制系统，一般能满足工业生产过程的稳定控制要求，因此工业上80%以上的控制回路采用简单的PID控制系统。 1.4.2先进的控制，随着工业生产流程规模的扩大和复杂性的增加，对产品质量和流程受控变动范围的要求越来越严格，简单的PID控制系统已经无法充分应对。 PID控制系统对于复杂的工业生产过程，其被控变量波动大，难以实现卡边控制，而对于多变量的工业生产过程，则不能用简单的控制方法实现多变量控制。 advancedprocesscontrol-APC:advancedprocesscontrolapc与通常的单环PID控制不同，是具有比通常的PID控制更好的控制效果的控制策略的系统，是特定的计算机控制核心先进控制与普通(PID )控制的关系： APC是在原来的普通控制方案的基础上加上先进控制战略而成的。 图1.4-4，采用先进控