第一章_绪论__过程装备控制技术及其应用剖析

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1、过程装备控制技术及其应用,第1章 绪论,1.1 过程装备控制技术的基本概念,1.控制 广义地讲控制本身是一种手段、措施或者讲是一种机制。它存在于大自然、人体本身、人类社会、工业生产过程等。,应用在不同领域的控制技术产生了不同 的科学学科。例如 ： 环境科学 生物科学及医学 社会学及管理科学 信息科学 计算机技术 通讯技术 控制技术,自然界,动植物,人类社会,应用在工业生产过程中的控制方法和措施称之为自动化控制技术 本课程针对工业生产过程来讨论控制方法。,2.控制系统,人工调节 机电控制 电动仪表控制 计算机分布控制系统,控制系统是实现控制目的所必备的设备总和。不同的时期，根据技术的发展控制系统

2、的设备构成是不同的。 它经历了,3.过程 过程即工业生产过程。 不同的企业产品不同生产过程也不同。 从控制的角度出发把工业分成三类:,习惯上, 把连续型工业称为过程工业( process industries) , 有时为突出其流动的性质也称为流程工业( fluid process industries) 。,连续型 离散型 混合型,4.过程装备,通常是由一系列的过程机器和过程设备按一定的流程方式用管道阀门等连接起来的一个独立的密闭系统，再配以必要的控制仪表和设备，既能平稳连续地把以流体为主的各种流体性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性产品。 如塔、换热器、

3、反应器、储罐、压缩机、泵、分离机等。,5.过程（装备）控制系统,过程控制( process control )通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制, 它是自动化控制技术的重要组成部分。,1.2 过程控制系统的基本组成,1. 人工操作与自动控制比较,手动控制的步骤： (1)眼看：观察液位数值； (2)脑想：把观察到的实际数值与设定值加以 比较，根据偏差的大小及变化情况 做出判断，并发布命令。 (3)手动：根据命令操作给水阀，使液位回到 设定值。,控制器,控制阀,变送器,进料口,自动控制,液位工艺控制图,液位仪表控制步骤：,(1)

4、检测：液位传感器感应液位值并将结果送 控制器； (2)运算：把检测到的实际数值与设定值加以 比较，将偏差经过适当运算，其结 果作为输出给控制阀。 (3)调节：控制阀根据控制器输出调节流量。,2.液位自动控制的方框图 在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方框图来表示控制系统的组成。 下页图为液位自动控制系统的方框图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,储罐,液位传感与变送器,液位控制器,控制阀,液位,液位给定,储罐

5、液位自动控制系统方框图,锅炉汽包,液位传感与变送器,液位控制器,控制阀,液位,液位给定,汽包液位自动控制系统方框图,单回路控制系统方框图,四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、 执行器（显示仪表根据需要可选）,干扰 f(t),ym(t),给定,y(t),3.各部分作用和基本术语,(1 )被控对象 被控对象是指被控制的生产设备或 装置, 如上述其水位受控制的储罐和锅 炉汽包。 常见的被控对象有塔、加热炉、 分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋 转窑、换热器、储存物料的槽、罐以及 传送物料的管段等。,图中用一个“被控对象”方框来表示, 其输出就是生产过程中所要保持恒定的变量,例如液位等。 在控制

6、系统中称为被控变量, 用y(t)来表示。 其输入有两类，操纵变量和扰动 操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素,(2 )检测元件及变送器 需要进行自动控制的参数称为被控 变量, 如上例中的锅炉汽包中的水位。 被控变量由检测元件进行检测, 当其输 出不是电学量, 或虽然是电学量, 但不 是420mA 信号时, 必须采用变送器 将其转换为统一的标准电信号。,变送器的输出就是被控变量y(t)的测量值ym(t)。,(3 )控制器 控制器作用：干扰一经产生, 控制 器就发出控制命令,对系统施加控制作 用

7、, 使被控变量回到设定值。 设定值：按生产工艺要求给被控 量规定一个参考值, 称为设定值r(t), 这 是经过系统的自动控制作用被控量 应保持的正常参数值。,负反馈：将被控变量送回输入端 并与输入变量相减。,控制器输入：被控变量的测量值ym(t)由系统的 输出端反馈到系统的输入端, 与设定值r 比较后得到偏差 值e(t)=r(t)-ym(t), 就是 控制器的输入信号。 控制器运算：也称之为控制规律，即对偏差 信号进行运算的数学方法。 控制器输出：将运算结果输出作为控制阀的 输入信号 u(t）。,(4)控制阀/执行器 被控变量的测量值与设定值在控制 器内进行比较后得到的偏差大小, 由 控制器按

8、规定的控制规律( PID 等)进 行运算后, 发出相应的控制信号u(t)去 推动执行器, 该控制信号是控制器的 输出量, 称为控制变量。,由控制器发出控制信号, 通过电动或气动执行器产生的位移量驱动控制阀门, 以改变被控对象的操纵变量q(t), 使被控变量受到控制。,单回路控制系统方块图,四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、 执行器（显示仪表根据需要可选）,干扰 f(t),控制信号u(t),偏差 e(t),操纵变量q(t),ym(t),y(t)被控变量,给定,其他控制系统 用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统,图1-4 蒸汽加热器温度工艺控制图,当进料流量或温度变化等因素引起出口物

9、料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。,TT,加热炉的温度控制系统,被控对象：加热炉,被控变量：物料出口温度,操纵变量：燃料油流量,扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等,注意！方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。,方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。 工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。 自动控制系统是一个闭环

10、系统,过程控制系统的发展可以分为三个阶段。,1.3 过程控制系统的发展概况,1.仪表控制系统阶段 2.计算机控制系统阶段 3.综合自动化阶段,1.仪表自动化阶段 20 世纪40 年代前后,生产过程自动化主要是凭生产实际经验,局限于一般的控制元件及机电式控制仪器,采用比较笨重的基地式仪表,实现生产设备就地分散的局部自动控制。 20 世纪50 年代至60 年代,先后出现了电动与气动单元组合仪表和巡回检测装置,采用了集中监控与集中操纵的控制系统, 实现了工厂仪表化和局部自动化。,电动单元组合式仪表发展概况,DDZ-型仪表： 20世纪60年代，放大元件为电子管、磁放大器 DDZ-型仪表： 20世纪70

11、年代 ，采用晶体管放大元件 DDZ-型仪表： 20世纪80年代，采用集成电路 S型仪表： 20世纪90年代，采用微处理器的数字调节器,电厂生产车间,使用常规仪表的中央控制室,仪表集中控制室,仪表集中控制室,2.计算机控制阶段 20 世纪70年代至80年代,由于集成电路与计算机技术的飞速进展,为过程控制的发展创造了条件,开始采用计算机直接数字控制(direct digital control,DDC)系统。,计算机集中控制系统,集散控制系统(DCS) 随着现代工业生产的规模不断扩大, 控制要求不断提高, 过程参数日益增多, 致使控制回路更加复杂。为了满足工业生产的监控集中、危险分散的要求, 70

12、年代中期, 集散控制系统( distributed control systems,DCS,也称之为分布式控制系统) 开发问世了。,集散控制系统（DCS）,现场总线控制系统（FCS）,计算机集中监控室,计算机集中监控室,早期的DCS控制系统,集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置（4C技术）。其特点: 结构上是分散的。就是将计算机分布到车间或现场。这不仅使系统的危险分散, 消除了全局性的故障点, 而且提高了系统的可靠性。 系统由于是分级的,能实现优化的最佳管理。实现了过程控制最优化和生产调度与经营管理自动化相结合, 使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。,

13、3.综合自动化阶段 从20 世纪90 年代开始, 过程控制进入了综合自动化阶段。 突出特征是在自动化工具上推出了现场总线控制技术。现场总线是智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它有如下特点: 用一对N 结构代替一对一结构, 互换性、互操作性好, 控制回路彻底分散。 它的出现标志着过程控制进入了真正的计算机时代。,综合自动化系统就是包括生产计划和调度、操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统, 也称管理控制一体化的系统。这类系统是靠计算机及其网络来实现的, 因此也称为计算机集成过程系统( computer integrated process system,

14、 CIPS)。 CIPS 是一种全新的哲理与概念, 它以企业整体优化为目标, 以计算机及网络为主要技术工具, 以生产过程的管理和控制自动化为主要内容, 将过去局部自动化的“孤岛”模式集成为一个整体的系统, 它代表了当代自动化的潮流。,生产制造管理信息系统MMS,1.4 过程控制系统的分类,1. 分类方法 按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统； 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,其中第三种分类方

15、法最普遍,“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。,1)定值控制系统,2)随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,3)程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,2.过程控制的特点: 1)对象复杂多样 生产过程的复杂性 对象的辨识带来困难。 要正确描述对象特性还不完全可能,2)对象存在滞后 滞后

16、：当流入(或流出) 对象的质量或能量发生变化时, 由于存在容量、惯性和阻力, 被控参数不可能立即产生响应, 这种现象称为滞后。滞后的大小决定于生产设备的结构和规模, 并同研究它的流入量与流出量的特性有关。生产设备的规模愈大, 物质传输的距离愈长, 热量传递的阻力愈大, 造成的滞后就愈大。一般来说, 热过程大多具有较大的滞后, 容易引起反馈回路产生振荡, 对自动控制会产生十分不利的影响。,3)对象特性的非线性 对象特性大多是随负荷变化而变 的,即当负荷改变时, 其动态特性有明 显的不同。如果只以较理想的线性对 象的动态特性作为控制系统的设计依 据, 就难以得到满意的控制结果。须 知大多数生产过程都具有非线性, 弄 清非线性产生的原因及非线性的实质 是极为重要的。,4 )控制系统较复杂 任何生产过程被控制的参数都不是一个, 这些参数又各具有不同的特性, 要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统, 由此采用了各种复杂的多回路控制系