工业过程控制工程

1《工业过程控制》郑州科技学院王晓冬2TEL:[phone]电气学院二楼电气教研室期末成绩=期末考试*0.7+平时成绩*0.3平时成绩：出勤+作业3第一章：生产过程自动化的发展生产过程自动化，狭义的可以定义为控制理论在生产过程中的应用。广义上讲还应包括自动化工具，如参数检测、控制执行及调节器(计算机系统)等。更完善地定义还应包括保证生产安全的越限报警、联锁保护以及故障诊断、容错控制等等。更广的意义上讲还包括操作优化、最优调度与生产管理等内容，也就是常讲的管理控制综合系统。生产过程自动化所包含的内容十分丰富。4本课程的内容本课程只讨论生产过程自动化技术课程基础：模拟电路传感器与检测技术；数字电路微机原理与接口技术；自动控制原理；编程语言（汇编、C）；5什么是过程控制？☆工业生产过程指原材料经过若干加工步骤转变成产品并具有一定生产规模的过程。工业生产过程可分为：▲连续生产过程和离散生产过程；▲连续生产过程、离散生产过程和间歇生产过程（批量生产过程）。工业生产过程控制概述6☆工业生产过程的目标在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原材料加工成预期的合格产品。原材料合格产品理想条件干扰产品？控制过程控制过程控制主要是指连续过程工业的过程控制图1.1-1工业生产过程示意图7一座以煤作燃料的发电厂，如图1.1-2所示。在这一工业生产过程中，原料是煤和水，产品是电能，整个生产过程由储仓、锅炉、汽轮机、发电机、水冷凝器和循环水泵、相应的管道以及控制系统等组成。煤通过在炉膛中燃烧产生热能从而加热水使之变成高压蒸汽用以推动汽轮机。汽轮机通过连接轴带动发电机发出电能。所产生的电能送给电网再供给各种各样的用户，如有的用于照明，有的用于驱动马达，有的用作家电产品的电源等。图1.1-2发电厂示意图8对发电厂来说，它的工作目标是：安全生产锅炉、汽轮机等必须绝对安全运作；单位电能的煤耗要求煤耗小，能量转换效率高；排出烟气对环境污染烟气中灰尘及硫化物含量要低。上述目标，只有通过良好的自动控制系统才能实现。9图1.1-3工业生产过程控制与其它学科的关系10生产过程自动化的发展历史工业革命时发明的瓦特节速器开创了自动调节的先例。19世纪中(1868年)，物理学家J．C．Maxwell作出关于蒸汽机调速器稳定性分析的著名论文，人类历史上第一篇有关控制理论的论文。20世纪30年代以来，自动化技术首先在电子通讯工程中获得了惊人的成就，对自动控制理论产生了极大的推动作用。40年代以Nyquist的工作所开创的基于反馈回路的经典控制理论，以传递函数为基础，适用于单输入单输出(SISO)线性定常系统的分析与综合问题。11生产过程自动化的发展历史系统分析方法有时间域方法、频率响应法和根轨迹法等，这些方法中尤以频率响应法最主要。自动控制理论作为一门独立的学科则是从20世纪40年代末(1948年)开始，由N．Wiener发表的著名著作“控制论”为标志，迅速发展起来。20世纪60年代开始的现代控制理论作为更科学的理论获得很大的发展。12现代控制理论以状态空间为基础的现代控制理论：Bellman的动态规划理论（1957年）Kalman等的最优滤波理论（1961年）Pontryagin等的极大值原理（1962年）建立在以现代控制理论为基础的控制器设计方法规范，理论清晰，能够有效地处理很多复杂的系统控制问题。航空、航天领域、机械控制领域。13生产过程自动化的发展历史由于流程工业生产过程的复杂性，和人类目前的知识水平，建模过程（包括机理建模与辨识）中必要的假设与简化不可避免。在这样的基础上建立的工业过程被控对象模型中总包含有被称为“未建模”动态部分。由于它的存在，使基于现代控制理论设计的控制系统的品质大大恶化，甚至无法稳定。除了被控对象模型的不确定性以外，工业生产过程中的干扰十分复杂，它们的统计特性往往未知，有时甚至干扰本身就是不确定的。因此，现代控制理论在生产过程自动化中还很难见到成功应用的实例。致命的不足是系统的状态空间模型不知。14生产过程自动化的发展历史大多数工业过程运行工况都不会偏离额定工况太远，许多工业过程参数可以简化为用一阶或二阶带纯滞后的、具有自平衡能力的集中参数特性来描述。20世纪40~60年代，经典控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持。以此为基础的单变量控制系统得到了广泛的应用，并达到了相当完善的程度。在这个时期，自动化的技术工具是气动或电动模拟仪表（称为调节器）。15生产过程自动化的发展历史经典控制理论的系统设计方法建立在试探方法基础之上，通常得不到最优控制目标。20世纪60年代，航天航空事业的发展，促进了现代控制理论的发展。系统的复杂性在理论上体现为对象是多输入多输出(MIMO)、时变、非线性。这就对控制理论和工程提出了新的要求——能否将在空间技术中获得应用的现代控制理论应用到工业过程控制中去。实践证明，直到现在进展不大。16工业过程自动化目标：使生产过程达到安全、平稳、优质、高效(高产出、低消耗)、绿色环保。自动化的初级阶段主要目标是使生产过程安全(仅限于越限报警和联锁)与平稳地进行。在过程工业中，绝大部分的控制系统是对诸如温度、压力、流量、物位（液位、界面）等工艺变量的定值控制系统。控制对象往往可用一个低阶模型来描述。并且根据这样的模型，就足以满足平稳生产要求。这就是为什么经典控制方法至今不衰的重要原因。17工业过程自动化据有关文献报道，目前在工业过程控制系统中，90％以上还是采用PID控制，及一些简单的多回路控制系统(它们往往在基础控制级DCS上实现)。所以对于经典控制理论的学习与认识是必要的，也是学习与理解现代控制理论的分析与设计方法的非常重要基础。更是工程实施的需要。18现代控制理论与经典控制理论现代控制理论从理论上解决了许多难以控制的问题。相对经典控制理论来说是一大进步。但现代控制理论在应用中出现了问题：严格地依赖于控制对象的数学模型。而过程工业生产中要得到被控对象准确的数学模型是非常困难的。经典控制理论依据系统的测量值进行控制：反馈控制（闭环）。现代控制理论根据系统状态控制（开环）。尽管现代控制理论在理论上讲是更系统、更规范、更强有力，但是其分析与设计方法的物理意义却远没有经典控制理论清晰。19现代控制理论系统建模与辨识。近年来控制理论界研究的热点，如鲁棒控制、非线性控制、自适应控制、预测控制等一直长盛不衰。与此同时一些所谓无模型控制方法如模糊控制、专家系统、人工神经元网络控制等也应运而生并且蓬勃发展。在控制理论界形成一个多角度、多方位的研究势态。种种现象体现出了理论上的热烈，工程上的欠缺。1991年IFAC控制年会重新开始重视经典控制20工业过程综合自动化集管理与控制于一体的计算机集成综合自动化系统。（CIMS，CIPS）从更大的范围来研究综合自动化问题，这使得控制理论从系统的总体特征上遇到了前所未有的困难。解决这类问题的重要途径可以是将控制理论、运筹学与智能控制三者相结合。而这些问题的解决可能意味着新一代控制理论或复杂系统控制理论的产生。自动化是一个涉及范围广、包含内容极丰富的领域。每一种控制理论的提出都有其相应的背景。21过程工业控制器过程工业控制器习惯上称调节器、检测仪表称变送器。标准仪表信号（0.02~0.1MPa气压信号，4~20mA直流电流）。（1~5V直流电压）调节器电源电压在24V以下，属于弱电控制系统。调节器分电动、气动两种类型。连续生产过程，发电、化工、石化工业，特点：易燃易爆。22自动化仪表发展最近50年，工业自动化仪表经历了从气动仪表到电动仪表，从现场控制到中央控制室控制，从在仪表屏上操作到用计算机操作站（CRT）操作，从模拟信号到数字信号等阶段。并且重新回到现场控制。20世纪50年代主要是气动仪表和真空电子管仪表，60年代以DDZⅡ电动单元组合仪表（分立元件）和DQZⅡ气动单元组合仪表为代表，70年代以DDZⅢ型仪表（集成电路）为代表电动单元仪表，到80年代，由于微处理器的发展，开始了智能化仪表时代。目前控制仪表已完全数字化了。23计算机工业控制的发展世界上第一台成熟的电子数字计算机是1946年出现的。将数字计算机作为控制系统的部件的思想萌生于1950年前后。在当时的结论是“将已有的通用数字计算机用于控制系统没有什么潜力”。最重要的工作开始于1956年3月，当时汤姆森·拉莫·伍尔里奇(ThomsonRamoWoolrige—TRW)航空公司与得克萨柯(Texaco)公司联合提出了一个可行性研究报告。决定针对得克萨斯州(Texas)的波特·阿瑟(PortArthur)炼油厂的一台聚合装置进行研究。24计算机工业控制的发展设计出采用RW-300计算机的聚合装置计算机控制系统。该控制系统于1959年3月12日在线运行。“控制”26个流量、72个温度、3个压力和3个成分。系统的基本功能是使反应器的压力最小、确定对5个反应器供料的最佳分配、根据对催化剂活性测量的结果来控制热水的流入量、以及确定最佳循环。这里的“控制”意义是计算机检测上述变量，并根据工艺计算、打印出控制命令，由操作人员手动调节设定点，模拟仪表才是真正的控制器。这种控制称为计算机监控（监督控制）。25计算机工业控制的发展TRW公司的这项开创性工作，导致了计算机工业控制蓬勃发展的局面。到现在大致分6个发展阶段：开创期——约1955年直接数字控制期——约1962年小型计算机控制期——约1972年微型计算机控制期——约1972年数字技术普遍应用期——约1980年集散型控制期——约1990年26计算机控制的开创时期早期计算机控制系统采用真空管。在1958年前后，计算机加法时间的典型值是l毫秒，乘法时间是20毫秒，一台中央处理器的平均无故障时间(MTBF)为50~l00小时。计算机控制的主要任务是寻找最佳运行条件，完成调度和生产计划，报告产量和原材料的消耗等。在这里可以把寻找最好运行条件的问题看作是一个静态最优化问题。27计算机控制的开创时期计算机控制由于缺乏过程知识而受到阻碍。在这个时期，可行性研究的很大一部分努力都是花在建模上。由于缺乏有效的建模方法学，建模相当费时。过程控制向计算机系统提出了许多特殊的要求，1.作为过程控制系统，需要对过程中的意外变化做出迅速响应，从而产生了计算机中断系统概念。2.作为控制用计算机系统，要直接面向工业过程的各种参数，就必须要各种各样的传感器。3.过程参数为非电量信号，要转换成相应的电量信号。电量信号的标准化和数字化。4.数字控制理论和适合于数字计算机的控制算法（程序）等。一系列的实践和理论研究课题。28计算机控制的开创时期TRW公司和得克萨柯公司的工作，在工业界、计算机制造商和各种研究组织中间唤起了对过程工业控制的极大的兴趣。工业界看到的是一种提高自动化水平的潜在手段，计算机工业界看到了新的市场，大学则看到了新的研究领域。29计算机控制的开创时期到1961年3月为止，全世界安装了37套计算机控制系统。一年之后，系统台数增长到159套。应用领域涉及到钢铁、化工和电力工业的控制。不同的工业领域，以不同的速度推动了这种技术的发展。可行性研究贯穿了整个20世纪60年代和70年代。计算机控制的开创时期是计算机监督控制阶段。30直接数字控制时期1962年，英国的帝国化学工业公司（ICI）制造出了一套全新的控制装置，过程控制中的全部模拟仪表由一台名为费伦蒂·阿格斯（FerrantiArgus）的计算机来代替。一台计算机直接测量224个变量和控制129个阀门。开创了过程控制的新纪元，即模拟技术直接被数字技术所代替，而系统的功能保持不变。直接数字控制（DDC）这个名字就是为了强调计算机直接控制生产过程这一特征。1962年，一台典型的过程控制计算机，完成两数相加所花的时间为100微秒，相乘所花的时间为1毫秒。平均无故障时间大约为1000小时。31