过程控制第一章

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1、第一章,过程控制系统概述,主要内容,过程控制定义及认识 过程控制目的 过程控制系统的组成 过程控制系统的性能指标 过程控制系统的特点 过程控制系统的分类,第一节,过程控制系统的 组成及特点,过程控制定义,所谓过程控制（Process Control）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论设计的工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。,工业生产过程,通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫做工业生产过程。可分为： 连续（或批处理）生产过程，如化工、石油、冶金、发电、造纸、生物化工、轻工、水处理等； 离散制造过程，如机械加工、汽车制造等。

2、 连续生产过程中自动控制系统的被控参数往往是温度、压力、流量、物位和成份等变量。本书重点讨论此类过程。,过程控制认识,冶金行业磨矿工艺中，每个球磨系列由给矿机给矿，以前由人工观察给矿量，靠机械调整给矿口大小控制矿量，给矿量波动较大，难以稳定。 为稳定入磨矿量，在给矿皮带上安装皮带秤，根据皮带秤检测的矿量对给矿机进行变频调节。,球磨工艺流程图,球磨给矿过程控制示意图,球磨给矿过程控制方框图,硫酸工艺流程压力控制,化工行业硫酸工艺生产中， SO2 主风机以前采用手动调节蝶阀开度，控制风机出口压力。控制不及时，波动大。 采用变频技术，稳定压力，并具有显著的节能效果。,硫酸工艺流程压力控制方框图,成品

3、油管线输送过程自动控制,过程控制目的,抑制外界扰动的影响，确保过程稳定性；使生产过程的工况最优化。具体就是：保证产品质量；提高产品产量；节能降耗；实现安全运行；改善劳动条件；保护环境卫生；提高管理水平等 。 过程控制已深入到工业生产过程的各个层面，不仅可以给企业带来直接的经济效益，还可以为企业和社会带来间接的社会效益。,过程控制系统组成,被控过程（Process），指运行中的多种多样的工艺生产设备； 过程检测控制仪表（Instrumentation），包括： 测量变送元件（Measurement）； 控制器（Controller）； 执行机构（Control Element）。,过程控制中的几

4、个名词术语,被控参数（变量）y(t ) 控制（操纵）参数（变量）q(t) 扰动量 f(t) 给定值 r(t) 当前值 z(t) 偏差 e(t) 控制作用 u(t),过程控制的主要特点,被控过程形形色色； 控制过程多属缓慢过程和参量控制形式； 控制方案的多样性，有单回路（50%以上）、串级（20%以上）、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； 定值控制是主要控制形式。,本课程的体系结构,过程控制系统的基本概念第一章 过程控制系统的组成部分第二章至第六章 典型过程控制系统第七章和第八章 计算机在过程控制中的应用第九章,第二节,过程控制系统的分类,按系统的结构特点来

5、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） 按给定值信号的特点来分 定值控制系统 随动控制系统,反馈控制系统,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）。,前馈控制系统,系统扰动量的大小是控制的依据，对其控制应“及时”。 属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。,闭环与开环控制系统,反馈是控制的核心！ 只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制！ 开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。 闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。,复合控制系统

6、（前馈-反馈控制系统）,充分发挥了前馈和反馈的各自优点。,定值控制系统,定值控制系统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（温度、压力、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的。 有时在规定的小范围附近不变。,随动控制系统,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。如锅炉燃烧控制系统中，要求空气量随燃料量的变化而变化，以保证燃烧的经济性。 它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。 一般意义上的随动控制系统（Following Control System）是指位置随动系统，如火炮、导弹的位置跟踪等。,例题1,下图是乙烯裂解气温度控制系统。

7、采用液态丙烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯流量使温度控制在（151.5）。,例题1,指出系统中被控过程、被控参数和控制参数各是什么？ 试画出该控制系统的组成方块图。 试比较示意图和方块图，说明控制参数的信号流向与物料的实际流动方向不同。,例题1,被控过程为丙烯冷却器；被控参数为乙烯裂解气的出口温度；控制参数为气态丙烯的流量。 示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而方块图中，气态丙烯作为控制参数，其信号流向是指向丙烯冷却器的。,例题2,列管式换热器，工艺要求出口物料温度保持恒定。 如果保持物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，则温度的波动将会减小到工艺允许的误差范围内。 故分

8、别设计了物料入口流量和蒸汽流量两个控制系统，以保持出口物料温度恒定。,例题2,对于物料入口流量和蒸汽流量而言，系统均为闭环控制系统。 而从“出料温度”这个被控参数角度来说，该控制系统为开环控制系统。,第三节,过程控制系统性能指标,主要内容,过程控制性能指标 过程控制技术的发展 过程控制的地位 过程控制的任务,过程控制系统品质的决定因素,控制系统结构，如单回路结构、串级控制结构、复合控制结构等； 各组成环节特性： 被控过程特性； 检测环节特性； 执行环节特性； 控制器特性 当系统结构和以上三个环节都确定后，控制器特性是决定控制系统品质指标的唯一因素。这就是系统的控制参数。,过程控制系统的品质指标

9、,一个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，应能平稳、准确、迅速地回复（或趋近）到给定值上。 过程控制系统的评价指标可概括为： 系统必须是稳定的这是最重要、最根本的指标！ 系统应能提供尽可能好的稳态调节工程上一般称为静态指标。 系统应能提供尽可能好的过渡过程工程上一般称为动态指标。,性能指标的确定和分析方法,控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。特别需要注意的是，不能不切实际地提出过高的控制性能指标要求。 分析系统性能指标，通常采用： 阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用； 偏差积分性能指标，计算机仿真或分析时采用。,阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线,给

10、定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线,稳态误差,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稳态值之差：一般要求稳态误差为零或越小越好。,静态指标与动态指标,生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的动态调节过程中。 所以在工业生产过程控制中，了解或研究过程控制系统的动态比其静态更为重要、更有意义。,衰减比,衡量控制系统过渡过程稳定性的一个动态指标。一般取衰减比为 4:110:1。其中 4:1 衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一个理想指标。,超调量 s 与过渡过程时间 ts,过渡过程时间 ts 指控制系统从给定作用开始时起，直到被控变量输出进入新稳态

11、值的 5% 或者 2% 的误差带范围内所需要的时间。 一般要求 s 、 ts 应越小越好。,超调量 s,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。,例题1,某发酵过程工艺规定操作温度为405。 试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和过渡过程时间。,例题1,稳态误差 ess= 41-40 =1 衰减比 第一个波峰值= 45-41= 4；第二个波峰值= 42-41= 1。超调量 s =（45-41）/41= 9.75% 过渡过程时间 ts =23 m

12、in（误差带2%）。,偏差绝对值积分,偏差绝对值积分 （Integral of Absolute Error：IAE） 适用于衰减和无静差系统，不易用分析方法来求值，但用计算机计算很方便。,偏差绝对值与时间乘积的积分（Integral of Time and Absolute Error： 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，着重惩罚过渡过程拖得过长。,偏差平方值积分（ISE）,偏差平方值积分（ Integral of Squared Error： ISE）该性能指标着重于抑制过渡过程中的大误差。,时间乘偏差平方积分（ITSE）,时间乘偏

13、差平方积分（Integral of Time and Squared Error ，ITSE ） 着重评价过渡过程拖得过长和大误差。,阶跃响应与偏差积分性能指标的比较,阶跃响应性能指标中各项指标清晰明了，但如何统筹（兼顾偏差和时间），则比较困难。 偏差积分性能指标可综合偏差和时间关系，即可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各项指标，属于综合性能指标。 一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定和分析，实际工程中使用广泛；偏差积分性能指标则更便于计算机仿真和分析。,第四节,过程控制仪表的发展,过程控制仪表的发展,计算机在过程控制中的应用及发展,过程控制理论的发展,从上世纪40年代至60年代，经典控

14、制理论为生产过程控制系统的设计提供了强有力的理论支撑。 60年代后，现代控制理论在生产过程控制中得到了越来越多的应用。 数学上比较完美的现代控制理论，在过程控制的实际应用中却存在较大的问题，因为它严格依赖于被控对象的数学模型。 在工业过程控制系统中，90以上还是采用PID控制算法！ 所谓的“先进过程控制策略”并不能解决过程控制中的诸多问题。,我国过程控制技术的发展,50年代末期主要采用机械式和气动仪表； 60年代广泛采用型电动单元组合仪表； 70年代中期，型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品； 80年代初，开始采用型电动单元组合仪表，相继引进了分布式控制系统 DCS 、可编程序控制器

15、 PLC 和工业PC机 IPC 等。 目前，控制系统以 DCS 和 PLC-SCADA 系统为主。,过程控制与运动控制的关系,工业中过程控制 (Process Control) 和运动控制 (Motion Control) 是自动控制、自动化专业的主干课。 二者的区别在于控制对象有所不同： 过程控制研究化工、石油、冶金、发电等工业生产过程中的温度、压力、流量、物位、成份等变量的控制； 而运动控制研究速度和位置控制，如提升机、数控机床、机器人等等。,过程控制的重要地位,鉴于过程控制在国民经济生产中占有重要地位，所以过程控制对确保生产安全、减少环境污染、降低原材料消耗、提高经济和社会效益具有非常重

16、要的战略意义。 目前，我国还有许多工业生产过程仍然处于手动或半自动状态，操作水平较低，稳定性差，经济效益不佳，还有很大的生产技术改造空间。采用过程控制及信息技术改造传统产业，实施生产过程的优化控制和管理，已成为当务之急。,工业生产过程中的扰动,工业生产过程的扰动作用使得生产过程操作不稳定，从而影响工厂生产过程的经济效益。这些扰动主要有： 原材料的组成变化； 产品质量与规格的变化； 生产设备特性的漂移； 装置与装置或工厂与工厂之间的关联等。,在流程工业中，物料流与能量流在各装置之间或工厂之间有着紧密的关系，由于前后的联结调度等原因，往往要求生产过程的运行作出相应的改变，以满足整个生产过程物料与能量的平衡。一个局部的扰动，往往会在整个生产过程中传播开来。,影响工业生产过程控制的因素,控制变量的信号测量问题。工业生产过程的变量有时很难在线测量，有些必须采取间接测量。 执行器特性。执行器的特性，如非线性，直接影响到控制系统的品质。 被控过程的滞后特性、非线性特性、时变性、本征不稳定性和耦合特性。,