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1、1,过 程 控 制,2,一 生产过程自动化的发展概况和趋势1) 过程控制定义2) 自动化技术发展简介二 过程控制的任务和要求,绪 论,3,一 生产过程自动化的发展概况和趋势,1. 过程控制定义：通常是指石油,化工,电力,冶金,轻工,建材和核能等工业生产中连续或按一定周期进行的生产过程自动控制,它是自动化技术的重要组成部分,2. 针对参数：温度,压力,流量,液位(物位),成分和物性,4,3. 工业生产对过程控制的要求, 安全性 （最基本，最重要要求）在整个生产过程中，确保人身和设备的安全保证措施：参数越限报警, 事故报警, 联锁保护, 在线故障预测和诊断, 设计容错控制系统, 经济性使生产同样质
2、量和数量产品所消耗的能量和原材料最少, 即低成 本高效率.通过实现生产过程局部或整体最优化来实现, 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的能力,5,4.自动化技术发展概况 (三个阶段),(1) 第一阶段 (经典控制理论)1) 理论基础：传递函数 (被控系统的数学描述)根轨迹法和频率法 (对系统进行分析和综合)2) 设计方法：将复杂的生产过程分解为若干个简单过程，实现单输入单输出的控制系统3) 缺点： 只能满足于保持生产的稳定和安全，属于局部自动化范畴 依赖手工和经验,6,简单控制系统方框图,r -给定值(模拟,数字) e-偏差 (e=r-ym) u-调节器输出 -执行器输出 y
3、m-被调量的测量信号 D-干扰 y-被调量实际值,7,(2) 第二阶段 (现代控制理论),1) 理论基础: 状态空间分析方法, 包括以最小二乘法为基础的系统辩识, 以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计等,2) 优点： 能够深入揭示系统内在的规律性, 从局部控制进入到一定意义下 的全局最优 在结构上已经从单环扩展到适应环, 学习环,3) 缺点: 由于当时计算机技术的限制, 计算机控制处于试验阶段 现代控制理论与工程实际之间有较大差距: 建模困难, 性能指标不 易确定, 控制策略缺乏.,现代控制理论是人们对控制技术在认识上的一次质的飞跃,为实现高水平的自动化奠定
4、了理论基础. 同时, 电子计算机的发展为实现工业自动化提供了重要的技术手段. 出现了直接数字控制(DDC)系统和计算机监控系统,8,直接数字控制系统,直接数字控制系统特点：多输入多输出，在线实时控制分时方式控制灵活性、多功能性，控制由计算机完成,9,计算机监控系统,10,(3) 第三阶段 (第三代控制理论)特点: 可靠性高，价格低由于计算机，大规模集成电路技术的发展，使计算机功能更强，价格大幅度降低. 在采用了冗余技术, 软硬件自诊断功能等措施后，可靠性提高到基本上能够满足工业控制的要求 多学科相互交叉, 相互渗透. 突破了局部控制, 进入到全局控制.,英文缩写 DDC直接数字控制 (Dire
5、ct Digital Control) DCS分布式/集散控制 (Distributed Control System) CIPS计算机集成过程(生产)系统 (Computer Integrated Produc-tion System),11,二 过程控制的任务和要求,任务：在了解掌握工艺流程及生产过程的静态和动态特性的基础上，根据安全性，经济性，稳定性的要求，应用理论对控制系统进行分析和 综合，最后采用适宜的技术手段加以实现,要求：安全性，经济性，稳定性,12,过程控制系统的设计步骤：,加热炉控制流程图,1) 确定控制目标,要设计过程控制系统，首先必须了解控制目标对于给定的被控过程，可以根
6、据具体情况提出各种不同的控制目标.本例中可以有几个目标:, 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,13,2) 选择测量参数(被调量),无论采用什么控制方案，都需要通过某些参数的测量来控制和监视整个生产过程参数由目标确定如需温度稳定，就肯定要检测温度参数确定了参数，应选择合适的测量元件和变送器 有些参数难以直接测量,则应通过测量与之成一定关系的另一些参数来获取,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
7、哪个操作量去控制哪个被调量还是需要认真选择的,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,14, 如果采用的是第一种方案，即：在安全运行的条件下，保证热油出口温度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
8、，均能依靠调整含氧量设定值保持加热炉热效率最高,可以看到，控制策略是随控制目标和控制精度要求而不同的,15,5) 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，最优控制等 如加热炉热油温度控制，可采用PID控制,6) 执行器的选择,在自动控制系统中,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, 一般由执行机构, 调节机构两部分组成按使用能源种类可分为气动，电动，液动三种,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
9、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,16,8) 控制系统的调试和投运,控制系统安装完毕后，应随着生产过程进行试运行，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况，包括调节器参数的整定等，依次将全部控制系统投入运行,对于一个从事过程控制的工作者来说，除了掌握控制理论，计算机，仪器仪表知识以及现代控制技术之外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态特性,例如加热炉运行中出现严重事故必须紧急停止运行时，联锁保护系统应采取的停止步骤是：停燃油
10、泵关闭燃油阀等待一定时间后停引风机最后切断热油阀,17,第一篇 简单控制系统,简单控制系统:,单闭合回路,一个被调量, 一个调节量, 一个调节器,一个调节阀,约占目前工业控制的80%,简单控制系统方框图,18,1-1 过程控制系统的性能指标,研究目的:为了配置合适的控制系统, 以满足生产过程的要求.,过程控制系统在运行中的状态:,稳态:系统不受外来干扰设定值保持不变,第一章 生产过程的动态特性,稳态,动态,被调量不随时间变化,整个系统处于稳定平衡的工况,19,动态:系统受到外来干扰 改变了设定值,过渡过程: 从一个稳态到达另一个稳态的历程,由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置控制系
11、统的目的也正是为了对付这种情况，因此系统经常处于动态过程，而要评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况,控制系统的性能指标可概括为三个方面,稳定性,准确性,快速性,这三个方面的要求在时域上体现为若干性能指标，如：衰减比(及衰减)，最大动态偏差(及超调量)，残余偏差，调节时间(及振荡频率)等,原来的稳态遭到破坏,系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化, 被调量偏离原稳态值而随时间变化,20,闭环控制系统在设定值扰动下的阶跃响应,r,21,1. 衰减比和衰减率,衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标, 它等于两个相临的同向波峰峰值之比.
12、即衰减比,n1 收敛，趋于稳定 n=1 振荡（等幅） n流入 液位，液体流出流入， 温度，热量流出流入， 转速，动能流出流入,流入量，流出量与输入输出的区别,输入输出在控制系统的每个环节都存在，往往一个环节的输出是另一个环节的输入而流入流出量则是通过执行结构来实现的如液体的出入是通过调节阀实现，温度的高低是通过电子开关的通断实现，转速的升降可以通过电机的运转实现,27,2. 若干简单被控对象的动态特性,1) 单容水槽,单容水槽,Qi-水流入量，由调节阀开度控制,Qo-水流出量，由负载阀 改变,被调量-水位，反映水流入流出量的平衡关系,28,对于水槽，在起始的稳定平衡的工况下，平衡方程为,则：,
13、29,设H在H0附近变化，则：,即,30,令,则上式为,其传递函数为,水容,水阻,时间常数,31,单容水槽水位阶跃响应,32,非线形微分方程的线性化方法,严格地说, 实际物理元件或系统都是非线性的, 如弹簧的刚度与其形变有关系,因此弹簧系数K实际上是其位移x的函数,并非常数.电阻、电容、电感等参数值与周围环境(温度、湿度、压力等)及流过它们的电流有关,也并非常值; 电动机本身的摩擦, 死区等非线性因素会使其运动方程复杂化而成为非线性方程. 在一定条件下, 为了简化数学模型,可以忽略它们的影响, 将这些元件视为线性元件. 此外，还有一种线性化方法, 称为切线法, 特别适合于具有连续变化的非线性特性函数，其实质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代替,
