过程控制―概述

est过程控制est1概述本章学习内容1.1过程控制的任务与目标1.2过程控制系统的组成与特点1.3过程控制系统的性能指标1.4过程控制的进展第一章概述--过程控制第一章概述--过程控制1.1过程控制的任务与目标自动化技术在工业领域的广泛应用自动化技术应用于冶金工业第一章概述--过程控制自动化技术的广泛应用自动化技术应用于石油化工第一章概述--过程控制自动化技术的广泛应用自动化技术应用于电力工业第一章概述--过程控制自动化技术的广泛应用自动化技术应用于轻工业自动化技术的两个重要分支运动控制自动化技术过程控制第一章概述--过程控制工业生产过程生产过程物料产品物理变化化学变化生化反应物质能量的传递第一章概述--过程控制炼铁过程还原过程铁矿石生铁（1）焦炭燃烧产生热量并生成还原剂C+O2点燃===CO2；CO2+C高温===2CO（2）氧化铁被CO还原成铁Fe2O3+3CO高温===2Fe+3CO2（3）SiO2与CaCO3分解产生的CaO反应生成硅酸钙CaCO3高温===CaO+CO2↑；CaO+SiO2==CaSiO3；炉渣主要成分铁矿石、焦炭、石灰石和空气炼铁过程高炉物料流程及设备示意图连续生产过程高炉生产是连续生产过程热风不断从风口鼓入高炉下部的焦炭不断燃烧矿石不断溶化而下降炉料从炉顶一批批装入，使高炉内料柱始终保持一定高度冶炼好的铁水和炉渣定期或连续排出其间涉及多种参数的控制流量、压力、温度、物位（液位）等什么是过程控制过程控制(ProcessControl)是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制。主要解决各种生产过程中的温度、压力、流量、液位(或物位)、以及成分等参数的自动监测和控制问题。1.1过程控制的任务与目标过程控制的任务在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，应用控制理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用适宜的技术手段和自动化装置，达到优质、高产、低耗的控制目标。过程控制的目标安全性越限、事故报警；连锁保护；故障预测与诊断；容错稳定性抑制干扰、保持生产过程的稳定运行经济性低成本、高效益、少能耗1.2.1系统组成1.2.2过程控制系统特点1.2过程控制系统的组成与特点第一章概述--过程控制电加热锅炉控制方案人工液位调节眼、脑、手分别担负了检测、运算和执行三个任务，来完成测量、求偏差、再控制以纠正偏差的全过程。电加热器加热水产生一定压力的热水或蒸汽，并通过输汽管供给用户或下一个工序，为了及时补充因蒸发而不断减少的锅炉水量，用水泵连续地加入冷水。电加热锅炉的简易流程图电加热锅炉控制方案液位自动控制由检测/变送、控制器、执行器三个部分组成的自动化装置完成液位的自动控制。电加热锅炉控制方案液位自动控制带控制点的工艺流程图表示液位变送器LT表示液位控制器LC保护装置检测/变送控制器执行机构被控对象被测变量L液位F流量P压力T温度仪表功能T变送C控制I指示R记录A报警过程控制系统由以下几部分组成：1．被控过程（或对象）；2．用于生产过程参数检测的检测与变送仪表；3．控制器；4．执行机构；5．报警、保护和连锁等其它部件.第一章概述--过程控制y被控过程u控制器执行机构检测与变送仪表r图1.1过程控制系统基本结构图第一章概述--过程控制1.2.1系统组成1.2.2过程控制系统特点1.2过程控制系统的组成与特点第一章概述--过程控制一、过程工业的特点生产过程的连续性复杂的大系统，存在不确定性、时变性以及非线性等因素生产环境恶劣，生产条件苛刻高温、低温、高压、真空、易爆、有毒……所以，工业过程控制的特点强调实时性和整体性全局优化的重要性安全性要求第一章概述--过程控制二、过程控制系统的特点1.被控过程的多样性石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程……被控量的多样性：压力温度流量液位……2.控制方案的多样性系统硬件调节仪表、控制器、执行机构（调节阀）、检测与变送仪表控制算法PID控制、复杂控制、先进控制、智能控制等软件设计第一章概述--过程控制3.被控过程属慢过程、多参数控制连续工业过程大惯性和大滞后决定了被控过程为慢过程被控量有压力、流量、液位、温度、成分等多个4.定值控制被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，使被控量尽量保持接近或等于设定值。第一章概述--过程控制如蒸汽锅炉中的液位控制5．过程控制多种分类方法按被控参数分类：温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性控制系统、成分控制系统按被控量数分类：单变量过程控制系统、多变量过程控制系统按设定值分类：定值控制系统、随动（伺服）控制系统第一章概述--过程控制如锅炉燃烧中空气量随燃料量的随机变化而变化，以保证燃料的充分燃烧按参数性质分类：集中参数控制系统、分布参数控制系统按控制算法分类：简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统按控制器形式分类：常规仪表过程控制系统、计算机过程控制系统第一章概述--过程控制1.3过程控制系统的性能指标稳定性、准确性和快速性定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地跟踪设定值。第一章概述--过程控制rt1y3y)(ysty0图1.4过程控制系统阶跃响应曲线第一章概述--过程控制1．衰减比和衰减率衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。衡量振荡过程衰减程度的指标。η1系统发散31yy第一章概述--过程控制rt1y3y)(ysty0图1.4过程控制系统阶跃响应曲线衰减率是经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。131yyy第一章概述--过程控制rt1y3y)(ysty0图1.4过程控制系统阶跃响应曲线衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。一般希望过程控制系统的衰减比η=4:1～10:1,相当于衰减率Ψ=0.75到0.9。若衰减率Ψ=0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。第一章概述--过程控制最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的第一个波峰（y1）。rt1y3y)(ysty0图1.4过程控制系统阶跃响应曲线2.最大动态偏差和超调量最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。%100)(1yy第一章概述--过程控制3.余差余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。余差是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。)()(yrert1y3y)(ysty0图1.4过程控制系统阶跃响应曲线第一章概述--过程控制调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间。理论上应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳态值的5%范围内所需时间就是调节时间.调节时间是过程控制系统快速性的指标。rt1y3y)(ysty0图1.4过程控制系统阶跃响应曲线4.调节时间ts和振荡频率β振荡频率β是振荡周期的倒数。p2在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调节时间越短。振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标。第一章概述--过程控制rt1y3y)(ysty0图1.4过程控制系统阶跃响应曲线第一章概述--过程控制1.4.1过程控制装置的进展1.4.2过程控制策略与算法的进展1.4过程控制的进展第一章概述--过程控制1.4.1过程控制装置的进展1.4.2过程控制策略与算法的进展1.4过程控制的进展1.4.1过程控制装置的进展二十世纪40年代以前手工操作状态二十世纪50年代前后基地式仪表和部分组合仪表（仪表控制和局部自动化）多用气动仪表进行测量与控制二十世纪60年代气动、电动单元组合仪表“组合”•检测、显示、调节和操作等单元仪表的组合•气动单元组合仪表以0.02~0.1MPa为标准信号•电动单元组合仪表以0～10mA标准信号（DDZⅡ型仪表）1.4.1过程控制装置的进展1.4.1过程控制装置的进展二十世纪60年代中期直接数字控制系统DDC（DirectDigitalControl）计算机监控系统SCC（SupervisoryComputerControl）•采用中央仪表控制室对工业生产过程进行操作、监视和控制监督控制系统结构图直接数字控制系统结构图二十世纪70年代中期标准信号为4~20mA的DDZⅢ型仪表分布式计算机控制系统（集散系统）DCS（DistributedControlSystem）可编程序控制器（PLC）80年代以来DCS成为流行的过程控制系统•国外的DCS系统–美国的HONEYWELL、日本的横河YAKOGAWA、德国的SIEMENS•国内的DCS系统–北京的和利时、浙大中控1.4.1过程控制装置的进展和利时的DCS系统1.4.1过程控制装置的进展集散控制系统的基本结构近年来数字化智能变送器和智能化数字执行器•实现信息采集、显示、诊断、处理、传输以及优化控制等功能；•便于调试、投运、维护和管理。现场总线网络控制系统FCS（FieldbusControlSystem）•以现场总线（Fieldbus）为标准，实现以微处理器为基础，进一步将控制功能分散，增强了系统的灵活性和可靠性。–FF(FoundationFieldbus，基金会现场总线)–Profibus(ProcessFieldbus),西门子公司为主–HART(HighwayAddressableRemoteTranducer，可寻址远程传感器数据通路)–CAN(ControllerAreaNetwork，控制局域网络)–LonWorks(LocalOperatingNetwork，局部操作网)1.4.1过程控制装置的进展1.4.1过程控制装置的进展现场总线控制系统的硬件配置示意图FCS结构与DCS结构之不同1.4.1过程控制装置的进展规模由小到大，结构由简单到复杂手工操作基地式气动仪表电动、气动单元组合模拟仪表集中式数字控制集散控制现场总线控制分散化、网络化、智能化第一章概述--过程控制1.4.1过程控制装置的进展1.4.2过程控制策略与算法的进展1.4过程控制的进展1.4.2过程控制策略与算法的进展过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制复杂控制先进控制第一章概述--过程控制简单控制——单回路PID控制应用广泛，许多DCS和PLC系统均设有PID控制算法软件，或PID控制模块。复杂控制（50年代始）串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等先进过程控制（80年代始）解耦控制、推断控制、预测控制、自适应控制制等专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等智能处理方法第一章概述--过程控制本章小结过程控制主要是指连续过程工业的控制，其被控量是温度、压力、流量、液位（或物位）、物理特性和化学成分。过程控制系统一般由控制器（调节器）、执行机构、用于生产过程参数检测与变送仪表、被控过程（或对象）以及相关的报警、保护和连锁等其它部件组成。第一章概述--过程控制本章小结主要特点:被控过程的多样性、控制方案的多样性、慢过程、参数控制以及定值控制。衰减比和衰减率是衡量振荡过程控制系统的过程衰减程度指标。第一章概述--过程控制第一章概述--过程控制1.1过程控制系统中有哪些类型的被控量？1.2过程控制系统有哪些基本单元构成？与运动控制系统有无区别？1.3简述计算机过程控制系统的特点与发展。1.4衰减比η和衰减率ψ可以表征过程控制系统的什么性能？1.5最大动态偏差与超调量有何异同之处？习题