过程控制课件

过程控制工程主讲：陈国平电话：[phone]邮箱：[e-mail]参考书主要参考书：杨三青过程控制华中科技大学出版社其它参考书：1、何衍庆工业生产过程控制化工出版社2、侯志林过程控制与自动化仪表机械工业出版社3、王树青工业过程控制工程化学工业出版社相关期刊杂志：1、化工自动化及仪表2、石油化工自动化3、自动化与仪表4、自动化技术与应用内容安排第一章绪论第二章控制系统组成及性能指标第三章过程动态特性与建模第五章简单控制系统的设计第六章复杂控制系统第七章控制系统的工业应用结束第一章绪论1工业生产过程控制工程概述2工业生产过程运行操作3工业生产过程控制设备发展过程4工业过程控制技术发展过程返回1.1工业过程控制工程概述①具体的基本建设项目。如:三峡水利工程、京九铁路工程。（有分项工程，子项工程）②将自然科学的理论应用到具体工农业生产部门中形成的各学科的总称。这些学科应用数学、物理、化学等基础科学的原理，结合生产实践中积累的经验解决实践中遇到的具体问题。如:水利工程、化学工程、土木建筑工程、遗传工程、控制工程――亦称“工程学”工程的概念工业生产过程控制工程是一门采用自动化工具、应用自动控制理论、结合工业生产知识，解决工业生产中自动控制系统的设计、分析、实施、运行等问题的学科。工程工业过程知识自动化工具自动控制理论水利工程控制工程化学工程土木工程运动控制工程电气控制工程工业过程控制工程相关学科的关系工业生产过程具有一定规模的，以流体为主要处理对象的，采用化学（反应）的、物理（分离、混合、相变）的方法把原材料转变成产品的过程。工业生产过程原材料能源产品副产品、废物工业生产实例及工作目标1、锅炉2、奶粉干燥工作目标：安全——防止汽包、炉膛爆炸稳定——产量、质量环保——烟气灰尘、硫化物含量优质——蒸汽温度、压力符合要求低耗——单位蒸汽的电耗、煤耗工作目标：稳定——产量、质量优质——奶粉含水量符合要求低耗——单位奶粉的电耗、气耗控制系统设计的关键返回锅炉流程返回牛奶干燥流程高位槽AB过滤器干燥器换热器鼓风机蒸汽风管产品返回V1V2V31.2工业生产过程运行操作基本操作与控制内容开车与停车（锅炉点火）间隙式生产的循环操作设备切换（奶粉干燥的过滤器）负荷改变操作条件改变操作与控制要求集中监视、管理整个生产过程生产过程的优化操作生产调度经营决策影响生产过程稳定的基本因素是物料、能量平衡。主要因素有：1、原材料规格的变化2、产品质量指标要求的变化3、装置之间的关联4、生产设备、控制设备特性的漂移或故障1.2工业生产过程运行操作影响控制系统方案设计的因素信号测量：可测、防护、抗干扰大纯滞后过程特性差异大：静态特性、动态特性、干扰因素非线性特性（包括变送器、执行器）时变性分布参数特性开环不稳定性耦合、关联特性返回锅炉点火程序开始炉膛吹扫点火变压器工作点火气打开火焰检测工作气打开点火结束关闭点火变压器、点火气允许再点火允许点火关闭点火变压器、点火气故障报警停止是否正常异常否是返回10～20s3～6s5～10s3～5s1、电子真空管(50)年代：气动仪表、就地控制仪表2、晶体管分立元件(60)年代：电动（DDZ－II型）仪表；操作室控制；计算机DDC开始应用4、通讯、网络技术(80)年代：数字化、智能化仪表5、智能技术(90)年代：FCS、虚拟仪器、分析仪器3、集成元件(70)年代：电动（DDZ－III型）仪表；DCS；PLC1.3工业生产过程控制设备发展过程自动化仪表技术的发展1.3工业生产过程控制设备发展过程60年代：常规的DDC控制70年代：常规的DCS控制80年代：先进的DCS控制90年代：FCS、综合自动化计算机在过程控制中的地位和作用采用计算机控制，在提高产品质量、保证安全运行、减少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。返回1.4工业生产过程控制技术发展过程常规控制：经典PID单变量控制先进控制：解决常规控制不适应的控制，进一步稳定产品质量、产量、动态优化优化控制：实现装置的整体操作优化（静态优化）决策调度：参与调度、经营管理常规控制、先进控制、优化控制的关系常规控制先进控制控制指标关系投资效益投资效益关系常规先进优化专业课、技术课课程的任务：应用自动化基础理论、工业控制仪表技术结合生产过程知识，解决自动化工程的有关问题。课程的基础课程：自动控制原理、过程检测仪表、过程控制仪表、计算机控制技术、化工原理课程的性质：课程的学习方法：复习相关基础知识；做习题、实验；阅读有关期刊杂志。实践环节教学单独设课综合实验课程设计返回第二章控制系统组成及性能指标2.1控制系统的组成返回2.2控制系统的性能指标2.1控制系统的组成1、控制系统实例2、控制系统流程图表示3、控制系统方框图表示4、注意流程图与方框图之间的差异Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gm(s)reuqyzfGf(s)2.1控制系统组成方框图相关术语Gm(s)r+euy－zfGpc(s)Gv(s)Gc(s)Gpd(s)q++受控对象自控设备受控变量：控制系统的输出操纵变量：即调节介质扰动：影响受控变量的各种输入变量（操纵变量除外）测量值：被控变量经检测变送后的信号给定值：即被控变量的设定值偏差值：给定值与测量值之差控制变量：根据偏差值、经一定算法得到的输出值调节通道：影响操纵变量与受控变量之间关系的相关工艺设备及部件扰动通道：影响扰动与受控变量之间关系的相关工艺设备及部件测量变送：过程检测仪表控制器：过程控制仪表执行装置：控制阀（变频器、可控硅）返回压力系统温度系统液位系统返回流程图反应器热水生成物反应物A冷水TAC01精馏塔蒸汽TC02LIC01FRC02FfY01TV－02ATV－02BLV－01FV－02TI11反应物BFT01文字代号：参数类型（T，P，L，F，A）功能（T，C，I，R，A）图例：仪表设备及信号线2.2控制性能指标1.控制系统的动态与静态2.阶跃输入和过渡过程tr0t0M阶跃输入非振荡过程te0稳定te0不稳定te0发散振荡te0等幅振荡te0衰减振荡振荡过程2.2控制性能指标3.性能指标频率域：相稳定余度φ、幅稳定余度γ、带宽ωb03ωbωcωx-180°γφ根平面：主导极点的位置及其它零极点的分布S平面阶跃响应曲线指标：衰减比（B/B1）超调量（B/C）或最大偏差（A）余差（r-y(∞)=r-C）峰值时间（tp）调节时间（ts）y：一般是测量值。BB1yrtrtptsCt随动系统定值系统tstptBB1yCA2.2控制性能指标2.2控制性能指标min)(02dtteJmin)(0dtteJmin)(02dttteJmin)(0dttetJ偏差平方（ISE）偏差绝对值（IAE）时间与偏差平方乘积（ITSE）时间与偏差绝对值乘积（ITAE）偏差积分性能指标返回习题：第14页，课后1-11、课堂1-8第三章过程动态特性与建模3.1典型受控过程返回3.2实验法建立被控对象的数学模型3.1典型受控过程1.纯滞后过程传递函数G（s）=e-τs控制器qi控制输送带yuτuyt3.1典型受控过程QiQoVhRoiQQdtdhARhQhQoosQsQsAsHoiRsHsQo11TsRARsRsQsHiQiht2.有自衡作用的单容过程oiQQdtdV3.1典型受控过程3.无自衡作用的单容过程QoQiVh容积泵oiQQdtdhAQihtAsH(s)=Qi(s)G(s)=1/As=1/Ts3.1典型受控过程Q2Q1V2h2QiV1h1R2R1sA11sA2111R21RQiQ1h1Q2h2--G（s）=R2/（T1s+1）（T2s+1）a）没有相互影响的双容过程4.多容过程Qih2tQiQ2Q1V2h2V1h1R2R1-Q1-sA11sA2111R21RQih1Q2h2-3.1典型受控过程G（s）=R2/[T1T2s2+（T1+T2+A1R2）s+1]b）有相互影响的双容过程3.1典型受控过程蒸汽Gs冷水Gw热量h+-H(s)sK2111sTKGw(s)5.具有反向过程特性的过程Gwht6.衰减振荡过程返回3.2实验法建立被控对象的数学模型实验测试法建模是根据被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后得到数学模型。与机理法建模相比，测试法建模的主要特点是在预先设计一个合理的测试方案下，无需深入了解被控过程机理，通过试验数据以获得被控过程的数学模型。实验测试法建模是把被研究的被控过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。对于一些复杂的工业过程，测试方案设计显得尤为重要。所谓辨识，就是将非参数模型转换为参数模型由实验得到的以时间或频率为自变量的实验曲线，称为非参数模型。常用的实验方法有以下几种：时域方法、频域方法、统计相关法它是在假定被控过程是线性的前提下，不必事先确定模型的具体结构。3.2实验法建立被控对象的数学模型3.2实验法建立被控对象的数学模型阶跃响应曲线法是对处于开环、稳态的被控过程，使其控制输入量产生一阶跃变化，测得被控过程的阶跃响应曲线，然后再根据阶跃响应曲线，求取被控过程输入与输出之间的动态数学关系——传递函数。1阶跃响应曲线法建立被控对象的数学模型为得到可靠的测试结果，做测试时应注意以下几点：每次实验应在被控过程应处于相对稳定的工作状态时开始确定合适的阶跃变化量条件允许时，应重复多次（正、反方向变化）试验，选择比较接近的曲线作为分析依据，以减少随机干扰因素的影响根据阶跃响应曲线的形状，选定模型传递函数的形式，然后再确定具体参数。在工业生产中，通常用一阶惯性环节加滞后或二阶惯性环节加滞后形式来近似seTsKsG1)(sesTsTKsG)1)(1()(21对于无自衡特性的过程，常用以下形式近似seTssG1)(sesTsTKsG)1()(213.2实验法建立被控对象的数学模型确定参数的方法由作图法及最小二乘法、梯度校正法、极大似然法等统计法确定一阶惯性环节的特性参数K、T、τ3.2实验法建立被控对象的数学模型0yKx习题：第170页，4-8返回第五章简单控制系统的设计过程控制系统方案设计的基本要求安全、稳定和经济过程控制系统设计的主要内容方案设计、施工设计过程控制系统方案设计步骤1.熟悉和理解生产对控制系统的技术要求。有条件时建立被控过程的数学模型2.选择受控变量及操纵变量（确定控制方案）3.确定控制设备基本特性第五章简单控制系统的设计5.1系统受控变量选择返回5.2广义对象各环节特性对控制品质的影响5.3方案设计时对测量变送的考虑5.4方案设计时对执行装置的考虑5.5控制器的设计5.6控制系统的投运5.1系统受控变量选择1.选择的意义——保证控制系统能否发挥应有的作用2.具体内容——确定受控变量的数量及具体参数3.具体方法——工艺分析（相律）、参考同类型设备4.一般原则——尽量采用直接变量，避免采用间接变量采用间接变量时的注意问题：单调性、线性性、灵敏度、经济性返回采用间接变量的注意问题单调性、线性性灵敏度xyy1y2y3返回yxyy1y2x1x2X1’x5.2广义对象各环节特性对控制品质的影响sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsRsZoompvcmpvc11实例方框图分析目的：解决对象设计问题——合理选择操纵变量Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gm(s)reuqyzfGf(s)sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsZomfoompvcmf11仿真比较超调量（σ＝B/C）余差C与临界增益Kmax成反比。当衰减系数一定时定值系统tstptBB1yCA5.2广义对象各环节特性对控制品质的影响%100%21e临界增益Kmax与动态特性的关系：时间常数大、阶次高，Kmax小。最大偏差与控制临界增益的关系