过程控制与自动化仪表PPT

1自动化仪表与过程控制过程控制与自动化仪表概念自动化：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。2过程控制运动控制自动化电力冶金石油煤炭钢铁化工过程控制与自动化仪表3过程控制过程控制----泛指石油、化工、电力、冶金、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，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。作用----在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。过程控制与自动化仪表4自动化仪表自动化仪表用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。特点兼容性、统一标准过程控制与自动化仪表5系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成特点1过程控制与自动化仪表6特点2被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计某自治区“十二五”循环经济发展规划煤电化体化循环经济链条过程控制与自动化仪表7特点3控制方案丰富多彩，控制要求越来越高单输入/单输出系统多输入/多输出系统自适应控制预测控制分布参数控制非线性控制…连续搅拌釜模型过程控制与自动化仪表8特点4控制过程大多属于慢变过程与参量控制大惯性大时延（滞后）温度压力物位流量…特点5定值控制是过程控制的主要形式过程控制与自动化仪表9(中国)特点6相关企业污染严重过程控制与自动化仪表10特点7：工业4.0过程控制与自动化仪表SIMATICPCS711过程控制与自动化仪表12王宇雷，男，1985年生，吉林大学，通信工程学院控制理论与控制工程系讲师。2004/09-2008/06，南开大学学士；2008/09-2013/10，哈尔滨工业大学，航天学院控制科学与工程专业，博士。2010年至2012年在德国杜伊斯堡埃森大学AKS研究中心联合培养。自2013年起，在吉林大学从事汽车仿真与控制等的教学和科研工作。先后发表学术论文20篇，其中SCI收录5篇，EI收录14篇，核心收录2篇。我在日内瓦车展上课时间：周二第5、6节{第1-10周}周四第5、6节{第1-10周}上课地点：南岭一教301过程控制与自动化仪表实验课{第11-14周}具体时间另行通知过程控制与自动化仪表13参考书参考书1.自动检测技术与装置.张宏建等.化学工业出版社.2004.72.自动化仪表与过程控制.施仁等.电子工业出版社.2009.23.自动检测技术及仪表控制系统.张毅等.化学工业出版社.2005.34.过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社.2008.5过程控制与自动化仪表14考核方式1.课堂测验20%2.实验报告10%3.期末考试70%1.成绩高斯分布2.平均值70分上下3.不及格率10%左右过程控制与自动化仪表回顾控制方向分为运动控制与过程控制过程控制的被控量：压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量过程控制仪表：调节器（控制器）、执行器、安全栅等仪表被控过程复杂性：基于系统辨识的控制策略15过程控制与自动化仪表16第一章自动化概论所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制装置),使机器、设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规律运行。现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用.如数控车床按预定程序自动切削,人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。第一节自动控制的基本概念过程控制与自动化仪表17自动控制的发展历史第一阶段：上世纪40-60年代，“经典控制理论”，单输入单输出问题，采用传递函数、频域特性、根轨迹为基础的频域分析方法，研究线性定常系统。第二阶段：上世纪60-70年代，“现代控制理论”，计算机发展驱动空间技术发展，状态空间法-极大值原理、动态规划、卡尔曼滤波。第三阶段：上世纪70年代末至今。向“大系统理论”和“智能控制”方向发展，随机森林、深度学习和增强学习等智能方法与控制相结合。过程控制与自动化仪表18第二节自动控制系统的基本组成及方块图人工操作与自动控制比较图（液位控制）图1-1人工操作图图1-2液位自动控制系统图控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要过程控制与自动化仪表19自动控制系统的组成组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器过程控制与自动化仪表20液位自动控制的方块图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。图1-3液位自动控制系统方块图其中：x指设定值；z指输出信号；e指偏差信号；p指发出信号；q指出料流量信号；y指被控变量；f指扰动作用。当x取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。过程控制与自动化仪表21图1-2液位自动控制系统流程图图1-3液位自动控制系统方块图出料流量液位高度数字信号数字信号过程控制与自动化仪表22图1-4蒸汽加热器温度控制系统流程图图1-5加热炉过程控制系统流程图画系统控制方块图过程控制与自动化仪表23注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，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。自动控制系统通常是一个闭环系统。过程控制与自动化仪表24小结自动控制系统应是具有被控变量负反馈的闭环系统。与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子自动操纵装置对象操纵作用工艺参数操纵指令过程控制与自动化仪表25开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。比较闭环系统：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。过程控制与自动化仪表26第三节自动控制系统的分类几种分类方法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。其中第三种分类方法最普遍过程控制与自动化仪表27“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。131.定值控制方法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。过程控制与自动化仪表283.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。过程控制与自动化仪表29第四节控制系统的过渡过程和品质目标当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。一、控制系统的静态与动态自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。过程控制与自动化仪表30动态——被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。过程控制与自动化仪表31二、控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例图1-6控制系统方块图过程控制与自动化仪表32干扰形式系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。其次…在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。过程控制与自动化仪表33采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。图1-7阶跃干扰作用过程控制与自动化仪表34自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程衰减震荡过程等幅震荡过程发散震荡过程X√√？对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。过程控制与自动化仪表8/1/201935预备知识一、控制系统的运动微分方程二、非线性数学模型的线性化三、拉氏变换和拉氏反变换四、传递函数五、系统方框图和信号流图六、控制系统传递函数推导举例○、数学模型的基本概念微分方程传递函数脉冲响应函数过程控制与自动化仪表36原函数（微分方程的解）象函数微分方程象函数的代数方程拉氏反变换拉氏变换解代数方程拉氏变换法求解线性微分方程的过程过程控制与自动化仪表37图1-9过渡过程品质指标示意图假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。三、控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。过程控制与自动化仪表38五种重要品质指标之一1.最大动态偏差或超调量最大动态偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离稳态值的幅度。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。超调量也可以用来表征被控变量偏离稳态值的程度。过程控制与自动化仪表392.衰减比n（衰减率φ）衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为n:1，一般n取为4～10之间为宜。五种重要品质指标之二12BnB122BBB过程控制与自动化仪表40五种重要品质指标之三3.余差当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。()()ery过程控制与自动化仪表41五种重要品质指标之四4.过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±５％（也有的规定为±２％）。st过程控制与自动