东华大学 过程控制 ppt 1 概述

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电加热器加热水产生一定压力的水蒸汽，并通过上部的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，在锅炉下部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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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.过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点实例：液位控制系统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.过程控制系统的组成与特点被控过程（或对象）过程控制系统的组成与特点用于生产过程参数检测的检测与变送仪表；过程控制系统的组成与特点执行机构过程控制系统的组成与特点控制器工业控制计算机过程控制系统的组成与特点控制器数字化调节仪表过程控制系统的组成与特点实例：温度控制系统实例：流量控制系统过程控制系统的组成与特点控制系统的描述方法带控制点的工艺流程图(控制流程图)：在工艺流程图上借助图形符号和字符描述的控制方案，其基本规则是：圆圈：表示仪表/仪器实线：传递信号的线缆或管道利用专用符号表示某种特定功能的设备。如各类阀门、检测采样点、特定的检测仪器、电机等。圆圈中用水平实线或虚线/单线或双线表示仪表安装的位置，用字符组合描述每一个控制方案的特征、仪表的作用、及仪表的分组编号。过程控制系统的组成与特点示例：控制流程图过程控制系统的组成与特点示例：控制流程图过程控制系统的组成与特点示例：控制流程图过程控制系统的组成与特点仪表标注符号的含义FIC表示被控量的类型:F—流量T—温度L—物位P—压力A—成分表示该仪表的功能：A---报警C---控制I---指示T---传送R---打印/记录E---检测过程控制系统的组成与特点系统框图---描述系统的工作原理，对系统的工作特性进行分析和比较，其基本规则为：以矩形框表示系统中的每一个环节，两个环节间设一条带箭头的连线表示其相互关系和信号传递方向。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--过程控制过程控制系统的性能指标目的：确定系统的快速性、稳定性、准确性讨论方法：以阶跃输入信号的响应曲线的过渡过程特性为标准。过渡过程曲线分为以下两种类型：设定值变化：随动控制系统阶跃响应方式外部干扰影响：定值控制系统阶跃响应方式过程控制系统的性能指标余差系统准确指标衰减比或衰减率系统稳定性指标超调量或最大动态偏差系统稳定性指标调节时间或振荡频率系统快速性指标余差：它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下，余差为：定值控制系统中，r=0，因此有：e(∞)=-C。余差是控制系统稳态准确性指标。Cryre)()(过程控制系统的性能指标衰减比η：衰减比是控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：衰减率ψ也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：21BBη%1001%10012121BBBBB§3.2控制系统的性能指标–η1(0)扩散振荡即不稳定–η=1(=0)等幅振荡–η1(10)衰减振荡–η无穷大(=1)为非周期过程–η的理想值4~10（=0.75~0.9）过程控制系统的性能指标超调量和最大动态偏差：随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：定值控制系统中采用最大动态偏差A表示超调程度。即：%1001CBCBA1§3.2控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标过渡过程时间ts和振荡频率β：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间称为过渡过程时间ts（Settlingtime）。过渡过程时间是控制系统的快速性指标。振荡频率β与振荡周期p的关系是在相同衰减比n下，振荡频率越高，过渡过程时间ts越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，过渡过程时间ts越短。P2§3.2控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标偏差积分指标：偏差积分指标与前面几项指标不同，它们以目标函数方式表示对控制质量的综合评价，属于综合性指标。偏差绝对积分（IAE）：偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE）：偏差平方值积分（ISE）：时间乘偏差平方值积分（ITSE）：§3.2控制系统的性能指标min)(0dtteJmin)(0dttetJmin)(02dtteJmin)(02dttteJ过程控制系统的性能指标第一章概述--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