过程控制系统-绪论

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1、过程控制,教材：过程控制工程（第2版） 东南大学 邵裕森 戴先中,第一章 绪论,过程控制发展概况 过程控制的特点 过程控制系统的组成及其分类 本课程的性质和任务,第一节 过程控制发展概况,过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。 过程控制发展的第一个阶段：50年代前后，仪表化和局部自动化阶段。主要特点： 过程检测控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合式仪表(多数是气动仪表)。 系统结构大多为单输入、单输出系统。 被控参数主要是温度、压力、流量和液位。 控制目的是保持这些过程参数的稳定。 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

2、解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。,过程控制发展的第二个阶段： 60年代 开始大量采用气动和电动单元组合仪表。 计算机控制系统开始应用于过程控制领域。 开发和应用了各种复杂的过程控制系统，如串级控制、比值控制等。 现代控制理论开始得到应用，由单变量系统转向多变量系统。 工厂企业实现了车间或大型装置的集中控制。,过程控制发展的第三个阶段：70年代，计算机时代。主要特点： 对全工厂或整个工艺流程的集中控制，应用计算机系统进行多参数综合控制，或者由多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。 以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程调节器和DDZ-S智能仪表）的开发和广泛应用。 在

3、线成分检测与数据处理的测量变送器的应用。 在DDZIII型仪表方面，不仅产品品种增加，而且可靠性有了很大提高，适应各种复杂控制系统的要求。 70年代中期，集散控制系统（DCS，也称为分布式控制系统）出现。,80年代以后，工业过程控制得到飞跃发展。 一方面，现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分差分系统等。 另一方面，过程控制的结构已从包括许多手动控制的分散局部控制站改变为具有高度自动化的集中、远动控制中心，使得过程控制的概念有了很大的发展，它不仅包括数据采集与管理、基本过程控制，而且包括先进的管理系统、调度和优化等。柔性化、分散化和集成化的

4、综合自动化系统，已被应用于实际工业过程。专家系统、神经网络、模糊控制、过程监督和在线诊断等理论已经大大地促进了过程控制的发展。,目前，世界各工业发达国家，正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。 所谓综合自动化，就是在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产活动所需的各种信息的集成，把控制、优化、调度、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求、多变性的、总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统。,第二节 过程控制的特点,与其它自动控制系统相比较而言，过程控制的特点大致可归纳如下： 一、连续生产过程的自动控制 过程控制

5、一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。 若控制动作在时间上是离散的(如采样控制系统等)，但是其被控量需定量控制，则也归入过程控制。,二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表(包括电动仪表和气动仪表、模拟仪表和智能仪表)和电子计算机(看作一台仪表)等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。 一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。 过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器(包括计算机)、调节阀等。 过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成

6、系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。,三、被控过程是多种多样的、非电量的 在现代工业生产过程中，工业过程很复杂。由于生产规模大小不同， 工艺要求各异，产品品种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备；热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。某些机理复杂(如发酵、生化过程等)的过程至今尚未被人们所认识。所以很难用目前过程辨识方法建立其精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。,四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参

7、量控制 由于被控过程具有大惯性、大滞后(大时延)等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。另外，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等工业生产过程中，往往采用一些物理量和化学量(如温度、压力、流量、液位、成分、pH等)来表示其生产过程是否正常。因此需要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多半为参量控制。,五、过程控制方案十分丰富 随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制

8、中的控制方案是十分丰富的。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有仪表过程控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系统。,六、定值控制是过程控制的一种常用形式 在石油、化工、电力、冶金、轻工、环保和原子能等现代工业生产过程中。过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低消耗的目标。定值控制仍是目前过程控制的一种常用形式。,第三节 过程控制系统的组成及其分类,一、过程控制系统的组成 过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、成分、粘度、湿度和pH(酸碱度或氢

9、离子浓度)等这样一些过程变量的系统。 下面以几个典型的工业控制系统为例来介绍过程控制系统的组成。,（一）发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统,锅炉是电力、冶金、石油化厂等工业部门不可缺少的动力设备，其产品是蒸汽，发电厂从锅炉汽鼓(汽包)中出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热成为过热蒸汽，过热蒸汽的温度是火力发电厂生产工艺的重要参数。过热蒸汽温度控制是保证汽轮机组(发电设备)正常运行的一个重要条件。通常过热蒸汽的温度应达到460左右再去推动汽轮机作功。 每种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下运行，机组的效率最高。 如果过热蒸汽的温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短；如果温度过低，当过热蒸汽带

10、动汽轮机作功时，会使部分过热蒸汽变成小水滴，小水滴冲击汽轮机叶片，会造成生产事故，所以必须对过热蒸汽的温度进行控制。,通常在图11a所示的过热器之前或中间部分串接一个减温器，通过控制减温水流量的大小来控制过热蒸汽的温度，所以设计图11a所示的温度控制系统。 本系统采用DDZIII型电动单元组合仪表。系统中过热蒸汽温度采用热电阻温度计1来测量，并经温度变送器2(TT)将测量信号送至调节器3 (TC) 的输入端，与过热蒸汽温度的给定值进行比较得到其偏差，调节器按此输入偏差以某种控制规律进行运算后输出控制信号，以控制调节阀4的开度，从而改变减温水流量的大小，达到控制过热蒸汽温度的目的。 图11b为该

11、系统的框图。,在图11b中的“对象”(又称过程)方框指某些被控制的装置或设备。在本例中表示测量温度的热电阻温度计到调节阀之间的管道设备，即包括过热器、减温器及到调节阀前的一段管道。 y(t）表示过热蒸汽的温度，是过热蒸汽温度控制系统的被控参数，是“过程”的输出信号。 进入过热器的烟道气温度的高低以及环境温度的变化(如刮风、降温)情况都是会引起被控参数波动的外来因素，称其为扰动作用，可用f(t)表示，它是“过程”的输入信号。,减温水流量的改变是由于调节阀动作(开度改变)所致，它也是影响过热蒸汽温度变化的因素，作为调节阀方框的输出信号，也是“过程”的输入信号，可用q(t)表示，称其为操作变量，也叫

12、控制参数，最终实现控制作用。,调节器的输出u(t)称为控制作用，它是调节阀的输入信号。 测量变送器的作用是把被控变量y(t)成比例地转换为测量信号z(t)，它是调节器的输入信号。如右图。,调节器是根据y(t)测量值的变化与给定值r(t)进行比较得出的偏差值对被控过程进行控制的。过程的输出信号，即温度控制系统的输出，通过温度测量元件与变送器的作用，反馈到输入端，构成一个闭环控制回路，称为闭环控制系统。 在生产过程中，由于扰动不断产生，控制作用也在不断地进行。若因扰动(如冬天刮风降温)使过热蒸汽的温度下降时，测量元件(热电阻温度计)将温度的变化值测量出来，经变送器送至调节器的输入端，并与其给定值进

13、行比较得到偏差，调节器按此偏差并以某种控制规律发出控制信号，去关小调节阀的开度，使减温水减小，从而使过热蒸汽的温度逐渐升高，并趋向于给定值，反之亦然。,当系统受到外界扰动的影响时，为使被控变量（温度）与设定值保持一致，检测被控变量，并与设定值比较得到偏差，按一定控制规律对偏差运算输出信号，驱动操纵变量（流量），最终使被控变量回复到设定值。 变送器检测温度 控制器对偏差运算 执行器改变操纵变量,温度控制系统示例,液位控制系统示例,当系统受到外界扰动的影响时，为使被控变量（液位）与设定值保持一致，检测被控变量，并与设定值比较得到偏差，按一定控制规律对偏差运算，输出信号驱动操纵变量（流量），最终使被

14、控变量回复到设定值。 1.变送器检测液位 2.控制器对偏差运算 3.执行器改变操纵变量,压力控制系统的示例,当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（压力）与设定值保持一致，检测被控变量，并与设定值比较得到偏差，按一定控制规律对偏差运算，输出信号驱动操纵变量（流量），最终使被控变量回复到设定值。 变送器检测压力 控制器对偏差运算 执行器改变操纵变量,从以上工业过程控制的实例可见，控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节构成。 如果把测量元件、变送器、调节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。,过程控制系统的组成,

15、被控对象,变送器,计算机,检测元件,控制器,执行器,以上介绍的是由模拟仪表构成的过程控制系统。如果由计算机代替模拟调节器，就构成了计算机过程控制系统，见图13。,控制系统中引入微型计算机，可以充分利用其计算速度快、运算精度高、存储信息容量大、逻辑判断功能强、灵活通用等特点。同时运用微处理器提供的各种指令，设计生产工艺要求的控制程序、管理程序与微处理执行程序，就能实现对生产过程的控制和管理。 在仪表过程控制系统中控制规律是由硬件来实现的，而在微机过程控制系统要改变控制规律，只要改变程序就可实现，非常灵活方便。,(二)转炉供氧量控制系统（略） (三)集散控制系统(DCS) （略）,二、过程控制系统

16、的分类,过程控制系统的分类方法很多。 按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、成分、PH值、湿度、粘度等控制系统。 按控制系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统。 按调节器的控制规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统。 按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统。 按采用常规仪表和计算机来分，有模拟仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。 最基本的分类方法有：,()按过程控制系统的结构特点来分类,1反馈控制系统 是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形式。它是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。图11所示的过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制系统。 另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成多个闭合问路，称其为多回路控制系统。 2前馈控制系统 它在原理上完全不同于反馈校制系统。前馈控制是以不变性原理为理论基础的。前馈持制系统直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。由于它没有被控量的反馈，所以也称为开环控制系统。,扰动f(t)是引起被控量y(