第1章过程控制课件.ppt

1、1,过程控制系统,东北大学秦皇岛分校自动化系,2,凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。(另有电力拖动控制方向) 过程控制主要针对温度，压力，流量，液位（物流），成分和物性等参数的控制。它覆盖石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，核能等领域。,第一章 绪论,1.1 过程控制的任务与目标,3,过程控制的要求： 1）安全性 整个生产过程中，人身安全和设备安全是最重要和最基本的要求。 2）稳定性 系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行。 3）经济性 低成本高效益。 应用理论知识，系统分析和综合，采用先进的技术手段，实现生产过程控制。,4,过程控制

2、的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。,1、被控对象的多样性 2、对象特性的难辨性 3、普遍存在滞后 4、特性往往具有非线性： 如间歇式加温、齿轮运动等。,1.2 过程控制的特点及计算机的作用,5,5.控制方案的多样性 有单回路、串级、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等。 6.控制过程属慢过程、多半属参量控制 7.定值控制是主要控制形式,6,计算机的应用不仅促进了现代控制理论的发展，而且也推动了自动化向深度与广度进军，使生产自动化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步迈进。 微型计算机控制生产过程，按不同的控制目的，可分为两类：一是数据检

3、测处理，二是形成微机控制系统。,7,微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。,8,1-1典型单回路控制系统,1、控制原理,以液体储槽的液位控制为例进行说明。,液位变送器,液位控制器,执行器,1.3 过程控制的组成及术语,一、系统组成,9,2、系统方块图,单回路系统方框图,10,3、主要组成部分,(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元：检测量转换为统一标准的电信号。 (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气

4、动和电动两种。 (5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。,11,1、被控对象 (简称对象或过程)： 2、被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。,二、常用术语,12,凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。) 4、控制参数：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。 5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。,3、干扰:,13,6、给定值：即被控变量的设定值。 7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控

5、量的测量值，故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。 8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。,14,1.4 过程控制系统的分类,一、一般分类,1、按工艺参数分类：,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。,2、按系统的任务分类：,有比例控制、均匀控制、前馈控制等。,3、按自动化装置的不同分类：,有常规控制系统、计算机控制系统。,15,是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。,4、按控制器的动作分类：,1、定值控制系统,P

6、,PI,PID,位式,二、按设定值形式分类,16,2、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。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。,17,3、程序控制系统,其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。,18,三.按系统的结构特点来分 反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统（前馈-反馈控制系统）,19,反馈控制系统（闭环控制系统）,根据系统被控量与给定值的偏差进行工作， 偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的 反馈

7、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）。,20,前馈控制系统,也称为开环控制系统。 根据扰动量的大小进行工作 扰动是控制的依据 在实际生产中不能单独采用。,21,复合控制系统（前馈-反馈控制系统）,22,决定过程控制系统品质的环节： 控制系统结构 被控过程特性 过程检测、控制仪表 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，应 平稳、 准确、 迅速地回复（或趋近）到给定值上。,1.5 控制系统的质量指标,23,过程控制系统的评价指标可概括为： 系统必须是稳定的； （平稳） 系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确） 系统应能提供尽可能好的过渡过程。（迅速）

8、 控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定，通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标和偏差积分性能指标。,稳，准，好,24,阶跃响应性能指标,25,阶跃响应性能指标,26,衰减比越大系统越稳定，一般认为，随动系统n:1=10:1时稳定性好，定值系统4:1为好，应根据实际情况灵活处理。,衰减比（Subsidence Ratio)它是相邻的同向波峰值之比，即,1、衰减比,27,是衡量过度过程稳定性的一个动态指标(与衰减比含义相同).一般取=0.750.9，对应n=4：110:1。,每经过一个周期，波动幅值衰减的百分数,2、衰减率,28,描述系统稳态特性的唯一指标 指系统过渡过程终了时给定值与被控参数

9、稳态值之差。 一般要求余差不超过预定值或为零。,3.余差（静态偏差）C,29,最大偏差A（或超调量） 最大偏差A是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差 超调量：,4、动态偏差（亦即超调量）,30,过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值5%（或2%）的范围内所经历的时间。 一般要求ts愈短愈好。,5、调节时间（过渡过程时间）,31,性能指标之间的关系,有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间） 对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。 应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。,除上述单项性能指标外，常采用偏差积分性能指标来

10、衡量控制系统。,32,偏差积分性能指标,偏差绝对值积分（Integral of Absolute Error:IAE） 适用于衰减和无静差系统,33,偏差积分性能指标,偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE） 用以降低初始大误差对性能指标的影响； 同时强调了过渡过程后期的误差对指标的影响。,34,偏差积分性能指标,偏差平方值积分（ Integral of Squared Error: ISE） 同IAE,35,偏差积分性能指标,时间乘偏差平方积分（ITSE） 同ITAE,36,生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段，一直起着极其重要的作用

11、。其发展经历了以下几个方面：,1.6 过程控制的发展概况,37,过程控制的发展简况,手工操作状态（20世纪40年代前后） 仪表化与局部自动化阶段（5060年代） 综合自动化（60-70年代中期）阶段 全盘自动化阶段（70年代中期至今）,38,仪表化与局部自动化阶段（5060年代）,系统结构大多为单输入-单输出的单回路定值控制系统。 过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表。,39,基地式仪表,一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内 同时具有检测、控制与显示的功能 结构简单、价格低廉、使用方便 通用性差，信号不易传递 一般应用于简单控制系统中。,40,单元组合式仪表,将仪表按其功

12、能分成若干单元 各个单元之间以统一的标准信号相互联系 具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可与计算机等设备配合，组合各种复杂的、新型的控制系统。 有气动组合仪表和电动单元组合仪表（QDZ和DDZ仪表）两类。,41,气动单元组合仪表（QDZ）,采用140kPa压缩空气为能源，以20100kPa标准统一信号输出 结构简单、价格便宜、性能稳定、工作可靠、安全防火防爆 特别适用于石油、化工等易燃易爆场合,42,电动单元组合仪表（DDZ）,采用0-10mA 或4-20mA标准统一信号 体积小、重量轻、安装维护方便、便于计算机接口 部分仪表（如DDZ-型）采取了先进的安全防爆措施，能构成本质安全防爆系统，同样能应用于易燃易爆场合。,43,综合自动化阶段（60-70年代中期）,工业生产过程出现了一个车间甚至于一个工厂的综合自动化 过程检测控制仪表是单元组合仪表和组装式仪表 逐步采用数字计算机以及以微处理器为基础的