过程控制课件--绪论.ppt

1、过程控制系统,Process Control System,唐玉玲,2020/10/9,过程控制,2,重点：,掌握过程控制系统的组成与设计 掌握过程对象的建模方法 掌握PID类常规控制策略 掌握各类控制系统的设计与分析方法 了解先进控制算法（设计思想、概念、特点及适用场合）,本课程的教学要求,2020/10/9,过程控制,3,参考资料与课程考核,教材与主要参考资料： 1、金以慧，过程控制.清华大学出版社 2、王树青等编著，工业过程控制工程. 北京：化学工业出版社，2002.12 考核：平时成绩 30%，包括出勤、平时练习、实验等；期末考试（闭卷）70%,2020/10/9,过程控制,4,绪论,

2、了解过程控制的任务和要求 结合具体对象，掌握控制系统的组成以及控制系统的方块图描述法 了解影响工业生产过程控制的主要因素 了解工业生产过程控制的发展概况和趋势 了解工业生产过程自动化的内容,重点：,2020/10/9,过程控制,5,过程控制的一般概念,过程控制： 被控变量为温度、压力、液位、 流量、湿度、pH、粘度等参数。,运动控制： 被控变量为位移、转速、加速度等参数。如航天、机器人等。,2020/10/9,过程控制,6,过程控制的特点,一、影响工业过程控制的因素多 信号测量问题 被控过程的滞后特性 被控过程的时间常数长短不一 非线性特性 时变性 本征不稳定性 耦合特性 执行器特性,2020

3、/10/9,过程控制,7,二、控制系统的仪表信号采用标准化,气动控制：仪表信号的传输标准：0.02-0.1Mpa 电动控制：DDZ-2信号的传输标准：0-10mADC DDZ-3信号的传输标准：4-20mADC 计算机控制:DCS、PLC（模拟量4-20mA、1-5V） FCS（标准协议）,2020/10/9,过程控制,8,过程控制举例一,2020/10/9,过程控制,9,（1）基本问题,（2）手动控制,（3）自动控制,液位控制问题,2020/10/9,过程控制,10,液位控制系统的组成与方块图,传感测量器：液位计+人眼 控制器：大脑 执行机构：手+手动阀,手动控制,2020/10/9,过程控

4、制,11,过程控制举例二,-热交换器的温度控制系统,2020/10/9,过程控制,12,热交换器温度控制系统方块图,2020/10/9,过程控制,13,一般过程控制系统方块图,2020/10/9,过程控制,14,过程控制系统的重要术语,被控变量/受控变量/过程变量 （Controlled Variable - CV, Process Variable - PV） 设定值/给定值 (Setpoint - SP, Setpoint Value - SV ) 操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable, MV) 扰动/扰动变量 (Disturbance Variable, DV)

5、,2020/10/9,过程控制,15,过程控制的目标,在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值，从而实现产品质量与产量的长期稳定（稳定性），实现企业效益最大化或成本最小化（经济性）。同时，确保生产的安全（安全性），以及节省能源消耗（节能性）和保护环境（环保性）。,2020/10/9,过程控制,16,过程控制与其它学科的关系,工业生产过程,自动化工具,控制理论,2020/10/9,过程控制,17,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）,过程控制的发展概况,2020/

6、10/9,过程控制,18,仪表化与局部自动化阶段（5060年代）,1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减少主要扰动对生产过程的影响5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题,其特点：,2020/10/9,过程控制,19,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

7、于简单控制系统中。,2020/10/9,过程控制,20,单元组合式仪表,将仪表按其功能分成若干单元 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。,2020/10/9,过程控制,21,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,2020/10/9,过程控制,22,电动单元组合仪表（DDZ）,采用0-

8、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。,2020/10/9,过程控制,23,综合自动化阶段（60-70年代中期）,1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能，适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统2、计算机系统开始运用于过程控制3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统（串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制）4、在过程控制理论方面，现代控制理论的得到了应用,其特点：,60年代来：大量采用气动

9、和电动单元组合仪表,2020/10/9,过程控制,24,数字控制仪表,积木式结构 部分单元采用微电脑技术，可进行数字运算 可编程数字调节器（如KMM仪表）是其中最具代表性的单元仪表，特点有： 内部结构微机化； 运算数字化； 编程方法简单； 自整定、自诊断的功能； 通讯功能。,2020/10/9,过程控制,25,全盘自动化阶段（70年代中期至今）,实现了全车间、全厂、甚至全企业无人或很少人参与操作管理 实现了过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合。 理论基础：第三代控制理论，即大系统理论和智能控制理论。 自动化技术工具方面有了新发展，以微处理器为核心的智能单元组合仪表和开发和广泛应用 在线成

10、分检测与数据处理的测量变送器的应用 集散控制系统的广泛应用,2020/10/9,过程控制,26,从工业自动化发展的进程，结论如下：,（1）工业自动化的发展与工业生产过程本身的发展有着极为密切的联系。 工业生产本身的发展（如工艺流程的复杂，设备的更新，规模的扩大等）促进了自动化的进程； 工业自动化在控制理论和技术工具方面的新成就又保证了现代工业生产在安全稳定的前提下进行卡边运行，获取最大的经济效益。 （2）工业自动化已进入计算机时代，即计算机集成过程系统的时代。,2020/10/9,过程控制,27,当前工业过程控制系统的发展趋势,（1）生产装置实施先进控制成为发展主流 先进控制：对那些不同于常规

11、单回路PID控制，并具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称。包括多变量预测控制、自适应控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制等。 （2）过程优化受到普遍关注 连续过程工业中，往往上游装置的部分产品是下游装置的原料。整个生产过程存在装置间的物流分配，物料平衡和能量平衡等一系列问题。,2020/10/9,过程控制,28,优化即用最优控制算法保证动态过程最优，使生产过程的经济效益最大。 （3）传统的DCS在向国际统一标准的开放式系统（4）综合自动化系统是发展方向集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前自动化发展的趋势。,2020/10/9

12、,过程控制,29,工业生产过程控制的任务,根据不同的工业生产过程和特点，采用自动化工具，应用 控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。,2020/10/9,过程控制,30,加热炉控制流程图,举例（再沸油加热炉）,氧气记录控制,温度记录控制,压力指示控制,2020/10/9,过程控制,31,1) 确定控制目标, 在安全运行的条件下，保证热油出口温度稳定, 在安全运行条件下，保证热油出口温度和烟气含氧量稳定, 在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定，而且加热炉热效最高。,设计步骤：,2020/10/9,过程控制,32,2) 选择测量参数(被调量),参数由目标确定热油出口温度、烟

13、气含氧量、燃料油压力、炉膛负压等。 有些参数不能直接测量，则应通过测量与之成一定关系的另一些参数来获取：如加热炉中的热效率就是排烟温度、烟气中含氧量和CO含量的函数。,3) 操作量的选择,一般情况下，操作量都是工艺规定的，设计中没有多大的选择余地但在有多个操作量和被调量的情况下，用哪个操作量去控制哪个被调量还是需要认真选择的 如热油出口温度：燃油量作为操作量来控制 烟气中含氧量：烟道挡板、送风挡板？,2020/10/9,过程控制,33,4) 控制方案的确定,控制方案是随控制目标和控制精度要求而不同的,它是整个设计过程中的关键步骤。, 采用第一个控制目标，即：在安全运行的条件下，保证热油出口温度

14、稳定那么只要对炉子进行人工调整，使之不冒黑烟，不熄火，保证一定的安全性和经济性，然后采用热油出口温度简单控制系统的方案就可以满足要求, 对于第二个目标，需要烟气含氧量稳定，则可以再加一个烟气含氧量简单控制系统，用两个单回路来完成控制任务, 对于第三个控制目标，除了分别对温度和含氧量采用定值控制外，含氧量的设定值还应该保证加热炉热效最高。这需要建立燃烧过程数学模型，使之在不同工况下，均能依靠调整含氧量设定值保持加热炉热效率最高,2020/10/9,过程控制,34,5) 选择控制算法,控制算法由控制方案确定。 常见的控制算法有：PID控制，解藕控制，最优控等。如加热炉热油温度控制，可采用PID控制,6) 执行器的选择,执行器的作用是按控制器的命令,直接控制能量或物料等被测介质的输送,是自动控制系统的终端执行部件,一般为调节阀。,7) 设计报警和联锁保护系统,对于关键参数，应根据工艺要求规定其高低报警值，当参数超过报警值时，应立即进行越限报警报警系统的作用是及时提醒操作人员密切注意监视生产状况，以便采取措施减少事故的发生 联锁保护系统是指当生产出现严重事故时，为保证设备，人身的安全，使各个设备按一定次序紧急停止运转的系统,2020/10/9,过