过程控制技术与系统

1、,先进控制技术及应用 南京大学工程管理学院 控制与系统工程系 授课教师:周运森 2015年9月,参考书目 l化工过程先进控制 黄德先等编著，化工出版社，2006,l火电厂热工自动控制技术及应用 刘禾 电力出版社2009,l热工过程自动控制 杨献勇，清华大学出版社,l焦小澄，朱张青：工业过程控制，清华大学出版社，2011.12,3/1/2020过程控制 第一章2,第一章 绪 论,1.0过程控制概述,1.1过程自动控制的发展,1.2过程自动控制的内容和分类,1.3自动控制系统的品质指标,1.4过程控制在现代企业中的位置,1.5 过程控制系统的任务与设计,3/1/2020过程控制 第一章3,1.0过

2、程控制概述, 什么是过程（Process）-生产过程 过程（Process）的分类 过程控制 被控参数种类以及涉及的对象 所涉及的应用领域,3/1/2020过程控制 第一章4,1、什么是过程（Process） -生产过程 一般工业生产 (从原料到产品加工) 历经一段时间 伴随物质、能量变化,3/1/2020过程控制 第一章5,2.过程（Process）的分类 连续过程 (Continuous Process) 批量（间歇）过程 (Batch Process) 离散过程 (Discrete Process) l流程工业 (Flow Manufacturing Industry) l离散制造业 (

3、Discrete Industry),3/1/2020过程控制 第一章6,3、过程控制(Process Control) 针对连续或半连续（间歇）过程中的 温度、压力、流量、液位、化学成分（含氧量）、物性参数（粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。,3/1/2020过程控制 第一章7,4.被控参数种类以及涉及的对象 测量范围宽、原理多样、物性复杂,参数种类: 涉及的对象:,F温度 F压力 F流量 F液位 F成分（氧含量，产品组份等） F物性（粘度，干点，冰点等） F罐、釜、塔、 F管道、炉,3/1/2020过程控制 第一章8,5.所涉及的应用领域 l 石油化工：输油，炼油，

4、乙烯，合成橡胶，合成氨 l 电力：火电厂,核电，水电 l 冶金：冶金加热炉，热处理炉 l 生化：啤酒，制药 l 轻工：食品，漂染 l 环境：水处理，大气监测 l 其它：农业，养殖业,3/1/2020过程控制 第一章9,1.1 过程控制的发展概况,与生产过程本身密切相关，历经从，, 简 单 复杂，, 单变量 多变量，, 单一回路 多回路 （到整个装置甚至是全厂） 局部自动化 全局自动化 单纯控制 综合自动化 被控对象、控制理论、控制工具交替发展与相互促进汇成过程控制发展的主旋律,3/1/2020过程控制 第一章10,例：火力发电机组容量的发展规模 u装机容量：,6 MW 12 MW 25 MW

5、50 MW,100 MW 125 MW 200 MW 300 MW 600 MW 900/1000 MW 1200 /1300 MW 2000 MW u参数： 主汽压力：,9.8MPa (50 MW) 13.74 MPa (200 MW), 15.6 MPa (300 MW) 16.7 MPa (600 MW) (亚临界） 超临界机组 (supercritical unit) 24.1MPa左右, 超超临界机组（ultra-supercritical unit) 2531（35）MPa.,3/1/2020过程控制 第一章11,一台600MW机组：,uI/O点:超过10000个,u数据库标签超过

6、: 15000个,u运行过程的监控点: 60007000个,u控制系统组态图:2000 3000张,u各种控制回路:500600个,这些繁重而艰巨的控制任务必须要有自动化技 术作为支撑。,火电厂大型单元机组生产流程,3/1/2020过程控制 第一章13,1.2 过程自动控制的内容和分类,1.2.1自动控制系统的组成,1.2.2常用专业术语,1.2.3过程控制的内容,1.2.4自动控制系统的分类,3/1/2020过程控制 第一章14,1.2.1自动控制系统的组成,1.人工控制2.自动控制系统,工作内容: 了解情况 分析决策 操作,(eyes）(brain) (hands),测量变送器 调节器 执

7、行器,3/1/2020过程控制 第一章15,1.2.1自动控制系统的组成,1.人工控制2.自动控制系统,3/1/2020过程控制 第一章16,3/1/2020过程控制 第一章17,自动控制系统的组成: l 测量变送器： 用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的便于 传递和综合的信号。 l给定元件： 用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。 l调 节 器： 接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输出一定规 律的控制指令给执行器。 l执 行 器： 根据调节器送来的控制指令去推动调节机构，改变调节量。,3/1/2020过程控制 第一章18,1.2.2 常用专业术语,l 被控过程 (控制

8、对象)被控制的生产过程或设备。,l被控参数（被调量） 表征热工过程是否符合规定工况的物理量。 l设定值（给定值） 表征热工过程是否符合规定工况的物理量。 l调节量(控制量） 由控制作用来改变并去控制被调量变化的物理量。 l调节机关：接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。 l给定元件 : 用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号,3/1/2020过程控制 第一章19,l 测量变送器: 用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。 l 调节器: 接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输出一定规律的控制指令给执行器。 l 执行器 : 根据调节器送来的控制指令去推动

9、调节机构，改变调节量。 l干扰（扰动）生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。 基本扰动（控制量） 外部扰动,3/1/2020过程控制 第一章20,1.2.3 过程控制的内容,（1）自动检测与监视 （2）自动调节 （3）顺序控制 （4）自动保护,3/1/2020过程控制 第一章21,（1）自动检测与监视(数据采集与管理) 定义： u 对生产过程中温度、压力、流量、液位、成分等参数的测量，实时数据的显示、报表、打印、报警； u 数据的分析与处理； u 测量数据在不同系统之间的高速传输； u 生产过程实时/历史数据的高效存储； u 历史数据的快速检索； u 统计数据的报表打印； u 报警数据的采

10、集、存储、分析与处理等。,3/1/2020过程控制 第一章22,(2) 自动控制 (回路控制) u 自动地维持生产过程在规定的工况下进行，即自动地维持各被调量为设定参数值或按一定规律变化。 u 亦称“闭环控制”，运行中持续不断地对主要运行参数进行调节，克服内、外各种扰动，维持各参数在规定范围内 u 以模拟量控制系统为主，主要对机组一系列过程参数进行控制. 包括： 机炉协调控制、给水控制、燃烧控制、炉膛压力 控制、蒸汽温度控制、旁路控制、转速控制等。,3/1/2020过程控制 第一章23,（3）顺序控制,u顺序控制一般可分为:,时间定序式 过程定序式,l时间定序式: 指按预定的时间顺序而触发控制

11、作 按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计划、有步骤、用的发生（如启动停止、闭合断开等）；自动地对生产过程进行一系列的操作 主要用于主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的l过程定序式: 依据生产过程进行的状态决定下一 程序控制。如汽机的自动启停程序控制、磨煤机自动启停程步控制作用是否发生。 序控制、定期排污和定期吹灰的程序控制等。,3/1/2020过程控制 第一章24,（4）自动保护： 在发生故障时，自动采取保护措施，使故障及时消 除或保护设备不受严重破坏。,要求： 为确保设备的安全,u发生故障时能自动地完成必要的操作，使故障及时消除（防患于未然） u若故障不能消除，产生事故，防止事故

12、进一步扩大（减小事故的影响）,3/1/2020过程控制 第一章25,1.2.3自动控制系统的分类,1按控制方式分类 2按闭合回路的数目分类 3按给定值分类,3/1/2020过程控制 第一章26,1.控制系统的分类按控制方式 开环控制系统 闭环控制系统 （反馈控制系统） 复合控制系统,3/1/2020过程控制 第一章27,1. 控制系统的分类按控制方式,开环控制系统闭环控制系统,不设置测量变送装置； 被控制量的测量值与给定 值不再进行比较； 克服扰动的能力差；结构简单，成本低廉。,将被控制量的测量值与给 定值进行比较； 自动修正被控制量出现的 偏差，控制精度高；配备测量变送装置；克服扰动的能力强

13、。,3/1/2020过程控制 第一章28,1按控制方式分类 （1）开环控制系统（前馈控制系统） 控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路。,特点；优点：缺点：,是按扰动进行控制。 结构简单，速度快 精度差，只能克服单一扰动。,（2）闭环控制系统（反馈控制系统） 被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据,特点；优点：缺点：,基于偏差，消除偏差 可以克服各种扰动对被控量的影响 控制作用落后于干扰，速度慢,（3）复合控制系统 是开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。兼具前馈和反馈的优点,3/1/2020过程控制 第一章29,2按闭合回路的数目分类 (1) 单回路控制系统

14、 只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端 特点: 只有一个闭合回路。 (2) 多回路控制系统 控制器(调节器)除接受被控量反馈信号外，还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制器的输入端。 特点: 有一个以上的闭合回路,3/1/2020过程控制 第一章30,3按给定值分类 (1) 恒值（定值）控制系统 特点:给定值保持不变,任务:,克服扰动对被控量的影响，最终使被控量与给 定值相等,(2) 随动控制系统 特点:给定值按预先不能确定的一些随机因素而变化。,任务:使被调量始终跟随给定值而随机快速变化。,(3) 程序控制系统,特点:任务:,给定值是一个已知的时间函数 使被控量尽快与给定值相等,3/1/

15、2020过程控制 第一章31,1.3 过程控制系统的品质指标,1.3.1 概述,1.3.2 以过渡过程形式表征的性能指标1.3.3 综合指标,3/1/2020过程控制 第一章32,1.3.1 概 述,u对控制回路而言，当设定值发生变化或系统受扰动后，被控制量应平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。 u衡量控制系统的品质指标:,1）单项指标：稳定性、准确性、快速性,2）综合指标：适当组合单项指标 3/1/2020过程控制 第一章,33,1.3.2 以过渡过程形式表征的性能指标,1稳定性 2 准确性 3 快速性 要求： 稳定，准确，快速。,3/1/2020过程控制 第一章34,控制系统在受到干扰作

16、用时的过渡过程,(a)非周期过程(b)等幅振荡过程,(c)衰减振荡过程(d) 渐扩振荡过程,3/1/2020过程控制 第一章35,现场中希望过渡过程曲线,3/1/2020过程控制 第一章36,1. 稳定性 u 控制系统在受到干扰作用后，系统的平衡被破坏，在控制设备的控制作用下，控制系统能恢复到一个新的平衡状态，称为稳定的控制系统。 u 衰减率(比) 是其衡量指标。,u,随动系统（10：1）定值系统（4：1） 3/1/2020过程控制 第一章,37,u衰减率 衰减率和系统稳定性之间的关系： l =1， ym3 =0，过渡过程为非周期过程，图1-6（a）。 l =0，ym1= ym3 ，为等幅振荡

17、过程，图1-6（c）。,l 01，为衰减振荡过程，图1-6（b）。,l 0， ym1 ym3 ，为渐扩振荡过程，如图1-6（d）所示。,要求： 衰减率 = 0.750.9,3/1/2020过程控制 第一章38,2. 准确性 准确性: 是指被控参数的实际值与给定值之间的动态 偏差和静态偏差。 l 最大动态偏差: 指整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差值。 l 静态偏差: 过渡过程结束后被控参数与给定值之间的差值。现场中希望两个偏差越小越好。 静态: 被控参数不随时间而变化的平衡状态叫静态或稳态。 动态: 被控参数随时间而变化的不平衡状态叫动态。,3/1/2020过程控制 第一章39,准确性指

18、标： l 稳（静）态偏差：新的稳定值与设定值的差值 在干扰作用下 在给定值作用下 l 最大动态偏差：动态过程中被控量与设定值的最大差值 l 超调量：定值扰动下，经常用它来描述动态准确性,3/1/2020过程控制 第一章40,3. 快速性,u快速性: 是指过渡过程的持续时间，即从干扰发生起至被控参数又建立新的平衡状态为止的过渡时间。 过渡时间越短，控制过程越快，系统品质越好。 u快速性指标：过程调整时间 ts 以稳定值的5或2作为许可误差范围，从过程起点到被控量达到并保持在这一范围内所需要的时间,3/1/2020过程控制 第一章41,1.3.3 综合指标,u误差积分 u绝对误差积分 u平方误差积分 u时间与绝对误差乘积积分 3/1/2020,过程控制 第一章,42,1.4 过程控制在现代企业中的位置,1.4.1 企业集成系统的功能模型分层,u 经营决策Marketing & Decision,u 信息管理Information Management,u 计划调度Planning & Scheduling,u 过程监控 SCC（Supervisory Computer Control),u 现场控制FCS（Field Control System）,u 被控生产过程Processes,3/1/2020过程控制 第一章43,1