高級過程控制系統

1、高級過程控制系統簡述近年來生產過程控制技術發(fā)展異常迅速，隨著生產連續(xù)化、大型化的不斷強 化，隨著人們對生產過程內在規(guī)律的進一步了解，以及智能儀表、計算機技術的 不斷發(fā)展，過程控制獲得了前所未有的發(fā)展。可以說在控制系統領域中，過程控 制已獨樹一幟。它不僅在傳統的工業(yè)改造中起到了提高質量，節(jié)約能源和材料， 減少環(huán)境污染等作用，而且正在成為新建的大規(guī)模、結構復雜的工業(yè)生產過程中 不可或缺的組成部分。過程控制的概念在石油、化工、制藥、熱工、材料和輕工等行業(yè)領域中，以溫度、流量、物 位、壓力和成分等為主要被控變量的控制系統都稱為“過程控制”系統。過程控 制習慣上又稱為儀表控制，其控制系統的主要功能就是進

2、行回路控制。所謂回路 控制就是對最小過程單元進行閉環(huán)控制?；芈房刂埔话阌?2個現場輸入和一個 現場輸出，現場輸入和現場輸出之間有計算單位，此外，還有一個給定值用于設 定控制目標?；芈房刂频淖饔镁褪潜ＷC被控對象的基本運行單元能夠按照預定參 數正常運行?？刂破饔袃蓚€輸入:一個設定值和一個測量值，控制器的輸出是對 被控對象的控制量。被控對象的輸出就是被控變量，檢測元件得到被控過程的輸 出值，并作為檢測元件的輸出值傳遞給控制器，用以產生控制變量?？刂破鞯妮?出作為被控過程的輸入而被控過程的輸出作為控制器的輸入形成一個閉環(huán)。在閉 環(huán)控制系統中，控制器將根據既定控制算法處理測量值與設定值之間的偏差，輸 出

3、控制量以使過程的輸出值與設定值的偏差達到最小，這就是回路控制的基本作 用，也是過程控制的基本目的。過程控制的發(fā)展概況自20世紀30年代以來，自動化技術獲得了驚人的成就，已經在工業(yè)生產和 國民經濟的各行各業(yè)中起著關鍵的作用。自動化水平己經成為衡量各國生產力現 代化的一個重要標志。過程控制是指在生產過程中，運用合適的控制策略，采用自動化儀表及系統 來代替操作人員部分或全部的直接勞動，使生產過程不同程度的自動進行。他廣 泛應用于石油、化工、電力、冶金、機械、輕工、紡織、建材、原子能等領域。 過程控制系統是指自動控制的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成份、黏度、 濕度以及PH值，這樣一些過程變量的控制

4、系統。過程控制是提高社會生產力的 有力工具之一。它確保生產正常運行，對提高產品質量，降低能量損耗，降低生 產成本改善勞動條件，減輕勞動強度做出了巨大貢獻。自20世紀70年代以來，隨著控制理論的發(fā)展以及電子計算機的出現過程控 制系統已成為大型生產平臺不可缺少的重要組成部分。可以說，如果不配置適合 的過程控制系統，大型生產過程根本無法正常運行。工業(yè)過程生產由小型到大型，由簡單到復雜，直至今日，現代化、大型化或 多品種、精細化的工業(yè)，生產出各種各樣的產品滿足人們的日常生活需要。對于 這些工業(yè)生產要求做到正確化、自動化和高效化。由于工業(yè)生產中實際問題的不 斷出，促使理論研究不斷發(fā)展，同時理論研究的結果

5、變成相應的自動化工具產品， 用來解決生產實際問題。這樣生產實際問題、理論研究和控制系統三者共同作用， 推動著過程控制技術的發(fā)展。過程控制技術作為自動控制理論在工業(yè)過程控制領域中的應用分支，與控制 理論一樣更新發(fā)展著。從某種意義上說，過程控制是從工業(yè)生產實際出發(fā)而開創(chuàng) 的自動控制方法與技術，而對于每個發(fā)展階段的出現，都是生產實際問題、理論 研究和控制系統三者共同作用的結果。過程控制的發(fā)展主要經過了以下幾個階段:1）儀表化和局部自動化（5060年代）階段50年代前后。過程控制開始得到發(fā)展，一些工廠企業(yè)實現了儀表化和局部 自動化，這是過程控制發(fā)展的第一個階段。這個階段的主要特點是：采用過程檢 測控制

6、儀表為基地式儀表和部分單元組合式儀表，而且多數是氣動儀表；過程控 制系統的結構絕大多數是單輸入單輸出系統；被控參數主要是溫度、壓力、流量 和液位四種：控制的主要目的是保持這些工藝參數的穩(wěn)定確保生產安全；過程控 制系統分析、綜合的理論基礎是以頻率法和根軌跡法為主體的經典控制理論。2）集中控制階段（20世紀6070年代）60年代，隨著世界范圍內化學工業(yè)的蓬勃發(fā)展，平臺規(guī)模的不斷擴大，生 產的復雜性和對產品質量要求的嚴格，迫切要求單元生產過程集中管理與控制。 電子技術的迅速發(fā)展，半導體產品取代了電子真空管，集成電路取代了分離元件， 電子儀表的可靠性、可使用性大大提高，從而逐步代替了氣動儀表。在這一期

7、間， 計算機進入控制領域，引發(fā)了控制技術從模擬技術到數字技術的變革。計算機可 以很方便的完成各種復雜、智能的控制算法，不需要對控制器的計算單位進行改 裝。為集中控制提供了強大的技術基礎。這一階段，人們通過長期的生產實踐和 經驗積累，研究出了克服參數干擾、提高系統控制品質的過程控制方法，如串級 控制、前饋控制等；以及在生產過程中實現特定生產任務的過程控制系統，如比 值控制、選擇控制等。大多數的測量儀表通過電動或者氣動變送把信號統一送到 區(qū)域內的集中控制室操作人員通過現實和控制儀表對生產過程的各種參數進行 集中監(jiān)視和控制。在過程控制理論方面，除了仍然采用經典控制理論解決實際生產中遇到的問 題外，現

8、代控制理論開始在過程控制領域內應用。3）集散控制階段（20世紀70年代中期至今）隨著辦公自動化、數字化技術、通信和網絡技術的持續(xù)發(fā)展，人們對控制系 統的要求不斷提高，過程參數日益增多，致使控制回路更加復雜。工業(yè)生產進入 微機化、數字化和網絡化的時代1。20世紀70年代中期，以電子儀表和微型處 理器為基礎的集散控制系統（DCS）逐步應用于工業(yè)過程控制中，它作為一種自動 設備結束了以特定位速率工作的數字儀表控制，允許以較低的位速率直接交換各 種元件的信號。集散控制系統是集計算機技術、控制技術、通信技術和圖形顯示 技術為一體的平臺。這種系統在結構上是分散的，就是將計算機分布到車間或平 臺。這不僅使系

9、統的危險分散，消除了全局性的故障點，而且提高了系統的可靠 性，同時能方便靈活地實現各種新型的控制規(guī)律與算法。由于它采用標準化、模 塊化、系列化設計，由過程控制級、控制管理級和生產管理級所組成的一個以通 信網絡為紐帶的集中顯示操作管理，控制相對分散，具有靈活配置、組態(tài)方便的 多級計算機網絡系統結構，所以一經出現就受到了工業(yè)控制界的青睞，實現了過 程控制最優(yōu)化和生產調度與經營管理自動化相結合的集散控制系統，使生產過程 自動化的發(fā)展達到了一個新的水平。近年來，被控過程日趨復雜，工業(yè)過程嚴重的非線性和不確定性，使許多系 統無法用數學模型精確描述。這樣建立在數學模型基礎上的古典和現代控制方法 將面臨空前

10、的挑戰(zhàn)，同時也給新的控制方法的發(fā)展帶來了良好的機遇?！皬碗s系 統”及“智能控制”成為近年來控制理論研究的熱點。過程控制的現狀及發(fā)展趨勢目前過程控制正處于第三發(fā)展階段，生產過程正在向大型化和精細化兩個方 向發(fā)展。隨著計算機科學、網絡和智能信息處理技術的進步，以及社會生產力發(fā) 展的強烈需求，在如何解決日益增加的復雜系統、網絡系統、多傳感器信息融合 等重大問題上，控制科學與工程正面臨著更重大、更迫切的挑戰(zhàn)。傳統控制理論 面臨的問題：1）控制對象的復雜性傳統控制理論的思想是建立在精確數學模型基礎上的，然而對實際應用中的 非線性、時變性、不確定性和不完全性的系統，一般無法獲得精確的數學模型。 對含有對象

11、復雜性和不確定性的控制過程，很難用傳統數學建模方法來解決建模 問題。2）控制方法和手段單一性傳統的控制對象往往局限于單一的、有確定的物理規(guī)律的系統。對于復合型 系統，傳統的控制方法就會出現片面性、單一性而顯得力不從心。3）無法滿足控制性能的高要求通常，控制系統需要具有所期望的控制精度、穩(wěn)定性及動態(tài)性能。為了提高 系統性能，傳統控制系統可能變得相當復雜，從而使得系統的可靠性與其它系統 性能成為不可調和的矛盾。由于實際系統的復雜性，人們往往很難（或不可能）從 基本的物理定律出發(fā)直接推導出系統的數學模型，這就需要利用可以測量的系統 輸入和輸出數據，來構造系統內結構及參數的估計，并研究估計的可靠性和精

12、度 等問題，這就是系統辨識的任務。控制系統能夠處理數值的、符號的、定性的、 定量的、確定的和模糊信息等各類信息，即要求控制系統具有多層次的信息處理 結構。傳統的控制方法是很難做到這一點的。由于系統的數學模型與實際系統存在著參數或結構等方面的差異，而我們設 計的控制律大多都是基于系統的數學模型，為了保證實際系統對外界干擾、系統 的不確定性等有盡可能小的敏感性，導致了研究系統魯棒控制問題;現代工程技 術、生態(tài)或社會環(huán)境等領域的研究對象往往是十分復雜的系統，對這類系統難以 用常規(guī)的數學方法來建立準確的數學模型，需要用學習、推理或統計意義上的模 型來描述實際系統，這就導致了智能控制的研究。不管是從過程

13、控制的歷史和現狀看，還是從其發(fā)展的必要性和可能性看，過 程控制是朝綜合化和智能化方向發(fā)展。過程控制的特點過程控制除具有其它控制系統的特點之外還具有一些自己的特點：1、被控過程的多樣性過程控制系統是面向生產的自動控制系統，由于生產規(guī)模 不同，工藝要求不同，產品品種多樣，因此過程控制的形勢也是多樣的。2、系統由過程檢測控制儀表組成如圖11所示是過程控制系統框圖，它反映了X(t)X(t)由圖可以看出一個完整的控制系統，一般有調節(jié)器、調節(jié)閥、被控對象和測 變送元件四部分組成。用戶根據工藝要求選用適當的過程檢測控制儀表組成控系 統。通過整定調節(jié)器參數使控制系統運行在最佳狀態(tài)。3、控制方案十分豐富由于過程

14、控制的多樣性，決定控制方案的多樣性。4、控制過程多屬于慢性過程參量控制被控過程大多具有大慣性，大時延等點， 因此，決定過程控制是一個慢過程。5、定值控制是過程控制的主要控制形式過程控制的目的主要是消除或減少界擾 動對被控量的影響，使被控量能控制在給定值上，使被控對象穩(wěn)定，從而到被控 目的。過程控制的分類及其性能指標過程控制的分類過程控制的分類方法有很多。例如，按被控變量的不同，可以分為溫度，壓 力和流量等控制系統，按照調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律又可分為比例、比例積分等控制系 統;如按工藝要求分又可以分為比值、均勻等控制系統。通常情況下主要有以下 幾種分類方法：按克服系統的干擾的方法分1）反饋控制系統反饋

15、控制系統是根據系統的給定值與反饋值之間的偏差進 行工作的，偏差值是控制的依據?？刂频淖罱K目的是減小或消除偏差。2）前饋控制系統前饋控制是直接根據擾動的大小進行工作，擾動是其工作的 依據。前饋控制不構成閉合回路，也就是開環(huán)控制回路。3）前饋一反饋控制系統前饋一反饋控制系統是前饋控制系統和反饋控制系 統相結合構成的負荷控制回路。前饋控制迅速克服主要擾動對被控量的影響，反 饋控制克服剩余擾動對系統的影響，二者結合能使系統在穩(wěn)態(tài)時比較精確的穩(wěn)定 在給定值上。按給定值的特點分1）定值控制系統定值控制系統是過程控系統中應用最為普遍的一種控制系 統?？刂葡到y的被控變量（如溫度、壓力、流量、液位等）應穩(wěn)定在給

16、定值對應的 工藝指標上，或者根據工藝要求可以在工藝指標上下很小偏差的范圍內變化。給 定值是恒定不變的所以稱為“定值”。2）隨動控制系統隨動控制系統的給定值隨時間而變化的，系統的主要作用 就是被控量迅速、準確的跟蹤給定值的變化，這類系統也叫自動跟蹤系統。3）程序控制系統程序控制系統的給定值是由程序按照時間的順序預先給定 好的，控制目的是使被控量按照規(guī)定的程序自動變化，如生產過程中常用的升溫、 保溫等間歇性控制。過程控制的性能指標當過程控制系統的給定值發(fā)生變化或系統受到干擾時，人們總是希望被控變 量能夠迅速、準確地跟蹤或回復到設定值，并穩(wěn)定在設定值附近。系統給定值定 變化等可以看成是控制參數的一個

17、階躍，其完成控制任務的過程即是系統的一個 過渡過程，其過渡過程可以用圖12表示：用來表述單位階躍輸入的暫態(tài)響應的主要性能指標有:最大超調量、上升時 間、峰值時間、調整時間、衰減比、穩(wěn)態(tài)誤差、震蕩周期。最大超調量。對于定值控制系統，最大超調量是指過渡過程中第一次波峰值與給定值的偏 差。它反映了調解過程中被控參數與給定值的偏離程度。I火/p) - WE) inno/cr =*x 100%y()峰值時間t：過渡過程第一次到達波峰的時間。上升時間t：過渡過程中第一次達到對應的輸入的終值的時間。調整時間t:輸出與其對應的輸入的終值之間的偏差到達容許范圍(3%10%) 所經歷的時間。圖12系統過渡過程性能

18、圖衰減比:衰減比是過渡過程中相鄰的兩個波峰值之比。一般情況下衰減比在 4:1 一 10:1的范圍內比較好。穩(wěn)態(tài)誤差e(co):過渡過程終止時(被控過程達到穩(wěn)態(tài)時)，被控變量的實際值 與給定值之差。震蕩周期:第一個波峰與相鄰第二個同向波峰之間的時間間隔，其倒數為震 蕩頻率。在相同的衰減比條件下，震蕩過程與過渡時間成正比。因此，震蕩周期 短些比較好。在控制系統的設計過程中如果同時滿足上述性能指標是幾乎不可能的。因為 這些性能指標對應的量都是互相聯系的，而在控制系統的設計過程中人們往往會 孤立地提出控制指標。因此，控制規(guī)律(如PID)的設計必然會成為一個湊試的過 程，尋找出一組比較折衷的參數使系統的

19、控制性能達到一個可以接受的程度。因 此，需要建立一個單一卻能反應綜合性能指標的最優(yōu)評價，它與過渡過程代表的 質量指標不同，它是系統動態(tài)特性的一種綜合性能指標。如誤差平方積分(ISE)， 和誤差絕對值積分(IAE)。令系統的給定值與實際輸出值分別為;(t)和少(t)，則誤差為:e（，）=項）ISE性能指標，即、IAE性能指標，即IAE=e（t）dt為評價控制效果還引入了總變差（0）的概念，用來評價控制信號平滑性的， 它的值越小說明控制信號越平滑控制性能越好。=| “（幻-N。T）lI適合學校教研用的實驗設備A3000-DCS高級過程控制系統是北京華晟高科教學儀器有限公司根據自動 化、化工及相關專

20、業(yè)的教學特點，結合國內外最新科技動態(tài)而推出的集自動化儀 表技術、計算機技術、通訊技術、現場總線技術、自動控制技術、現代控制技術 為一體的多功能實驗裝置。PCT系列過程控制系統教學實驗裝置，PCT-I型過程控制系統實驗裝置，實 驗裝置的特點：工藝設備模擬了工業(yè)生產過程的流量、溫度、壓力、液位四大熱工參數對象. 并采用了標準的工業(yè)自動化儀表，以培養(yǎng)學生對實際工業(yè)過程自動化系統的設計 能力、調試能力和分析能力。GEC-800系列過程控制系統教學實驗裝置，在實驗系統中，采用了遠程數據 模塊、PlC控制方式和DCS控制方式，向用戶提供了自動化領域最新的技術與裝備， 學?？梢詫嶒炑b置用于研究生教學和教師科研。整個實驗系統具有如下特點：通過被控對象與控制系統，可以完成本科教學的實驗內容。采用工程實際中使用的元器件，使學生對以后工作中所能遇到的元器件有 一定的了解，增強學生的工作適應能力。實驗對象的參數選取合理，實驗中調節(jié)器、執(zhí)行器、被控單元之間的參數 配置典型，實驗系統具有良好的動靜態(tài)特性。THJ22型高級過程控制實驗系統裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對象的實 驗統，包括流量、溫度