過(guò)程控制課程講義1

ProcessControl

過(guò)程控制※課程體系基礎(chǔ)課程：數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、機(jī)械類、電子類本專業(yè)課程：自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制。。?！鶐讉€(gè)問(wèn)題：1、學(xué)習(xí)過(guò)與控制有關(guān)的課程有那些？2、自動(dòng)控制原理的本質(zhì)？你們知道那些控制方法？3、計(jì)算機(jī)控制本質(zhì)？如何理解采樣周期？

給出實(shí)時(shí)控制的框圖。4、自控系統(tǒng)的研究對(duì)象是什么？與自動(dòng)控制原理有何區(qū)別？5、學(xué)過(guò)那些建模方法，簡(jiǎn)述其機(jī)理。6、PID控制的概念？給你一個(gè)溫度對(duì)象，該如何操作？專業(yè)知識(shí)自動(dòng)控制原理現(xiàn)代控制理論計(jì)算機(jī)控制智能控制飛行控制自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)程控制課程的目標(biāo)了解過(guò)程控制的基本概念、基本理論和基本方法了解過(guò)程控制的發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿問(wèn)題了解過(guò)程控制的典型對(duì)象鍛煉綜合運(yùn)用知識(shí)的能力:掌握常用工具：matlab，labwin等軟件課程內(nèi)容緒論過(guò)程控制的基本概念(分類、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域）生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化發(fā)展概況和趨勢(shì)過(guò)程控制的任務(wù)和要求第一篇 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)分析生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及建模比例積分微分控制及調(diào)節(jié)過(guò)程（PID，單回路）簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的整定第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)(大林和smith算法）解耦控制前饋控制第三篇 高等過(guò)程控制系統(tǒng)模糊過(guò)程控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)程控制系統(tǒng)第四篇 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制系統(tǒng)/物聯(lián)網(wǎng)(簡(jiǎn)單介紹/論文）實(shí)驗(yàn)：利用所學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字（PID及模糊）雙容水箱的液位控制。課程內(nèi)容緒論

過(guò)程控制概述一.什么是過(guò)程控制二.過(guò)程控制的發(fā)展三.簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成四.過(guò)程控制系統(tǒng)的任務(wù)五.過(guò)程控制面臨的問(wèn)題一、什么是過(guò)程控制

1、什么是過(guò)程（Process）--生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)過(guò)程(ContinuousProcess)(供油壓力）批量（間歇）過(guò)程(BatchProcess)離散過(guò)程(DiscreteProcess)流程工業(yè)(FlowManufacturingIndustry)離散制造業(yè)(DiscreteIndustry)從原料到產(chǎn)品加工過(guò)程（生產(chǎn)硝酸）歷經(jīng)一段時(shí)間（液位控制）伴隨物質(zhì)能量變化（溫度控制）2、過(guò)程（Process）的分類3、過(guò)程控制運(yùn)動(dòng)控制(MotionControl)離散過(guò)程：位置、速度、加速度、尺寸過(guò)程控制(ProcessControl)連續(xù)過(guò)程針對(duì)連續(xù)或半連續(xù)（間歇）過(guò)程中的溫度、壓力、流量、液（物）位、化學(xué)成分（如含氧量）、物性參數(shù)（如粘度、融溶指數(shù)）等變量而實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱為過(guò)程控制。溫度T溫度T4、被控參數(shù)種類以及涉及的對(duì)象測(cè)量范圍寬、原理多樣、物性復(fù)雜溫度壓力流量液位成分（氧含量，產(chǎn)品組份等）物性（粘度，干點(diǎn)，冰點(diǎn)等）罐、釜塔管道爐被控對(duì)象存在多樣性，滯后性，非線性

連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)，相變過(guò)程及能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，因而是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)大系統(tǒng)。系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，不確定性及非線性等因素決定了控制的困難程度。大滯后非線性：難建數(shù)學(xué)模型連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中常伴隨十分苛刻的生產(chǎn)條件和環(huán)境，如高溫高壓易燃易爆有毒等，所以安全性很重要，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備關(guān)鍵生產(chǎn)過(guò)程必須有預(yù)報(bào)和診斷，有時(shí)還需要連鎖保護(hù)和自啟停。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性整體性，所以從全局出發(fā)協(xié)調(diào)和處理裝置間復(fù)雜的耦合制約關(guān)系，采用集成及智能理論和技術(shù)處理這類問(wèn)題，以求全局最優(yōu)。5、所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域石油化工：輸油，煉油，乙烯，合成橡膠，合成氨電力：火電廠冶金：冶金加熱爐，熱處理爐生化：啤酒，制藥輕工：食品，漂染環(huán)境：水處理，大氣監(jiān)測(cè)其它：農(nóng)業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)6、控制內(nèi)容自動(dòng)檢測(cè)：傳感，測(cè)量自動(dòng)監(jiān)視：計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，顯示儀表，電視監(jiān)視器自動(dòng)調(diào)節(jié)：控制器，調(diào)節(jié)器順序控制：可編程控制器自動(dòng)保護(hù)：報(bào)警，連鎖保護(hù)裝置級(jí)甚至廠級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)控制控制手段：各種類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)二、過(guò)程控制的發(fā)展被控對(duì)象（過(guò)程和設(shè)備）、控制理論、控制工具的交替發(fā)展與相互促進(jìn)匯成過(guò)程控制發(fā)展的主旋律（見(jiàn)下表）歷經(jīng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單變量到多變量，從單一回路到整個(gè)裝置乃至是全廠，從單純控制到綜合自動(dòng)化等等的變化過(guò)程規(guī)模煉油裝置：250萬(wàn)噸：1000萬(wàn)噸乙烯裝置：10萬(wàn)噸30萬(wàn)噸60萬(wàn)噸100萬(wàn)噸企業(yè)集成系統(tǒng)的功能模型分層經(jīng)營(yíng)決策M(jìn)arketing&Decision

信息管理InformationManagement

計(jì)劃調(diào)度Planning&Scheduling

過(guò)程監(jiān)控SCC（SupervisoryComputerControl)

現(xiàn)場(chǎng)控制FCS（FieldControlSystem）

被控生產(chǎn)過(guò)程Processes五層結(jié)構(gòu)的Purdue模型企業(yè)集成系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)ERP/MES/PCSERP(EnterpriseResourcePlanning)企業(yè)資源規(guī)劃層PCS(ProcessControlSystem)過(guò)程控制層MES(ManufacturingExecutionSystem)制造執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)----現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線是聯(lián)接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。RVDMS總體結(jié)構(gòu)布局RVDMS總體控制方案三、簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)示例基本組成部分被控過(guò)程測(cè)量變送控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)單回路反饋控制系統(tǒng)框圖1、控制系統(tǒng)的組成液位控制系統(tǒng)示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí)為使被控變量（液位）與設(shè)定值保持一致檢測(cè)被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對(duì)偏差運(yùn)算輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值變送器檢測(cè)液位控制器對(duì)偏差運(yùn)算執(zhí)行器改變操縱變量

1、控制系統(tǒng)的組成壓力控制系統(tǒng)的示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí)為使被控變量（壓力）與設(shè)定值保持一致檢測(cè)被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對(duì)偏差運(yùn)算輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值變送器檢測(cè)壓力控制器對(duì)偏差運(yùn)算執(zhí)行器改變操縱變量

1、控制系統(tǒng)的組成溫度控制系統(tǒng)示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí)為使被控變量（溫度）與設(shè)定值保持一致檢測(cè)被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對(duì)偏差運(yùn)算輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值變送器檢測(cè)溫度控制器對(duì)偏差運(yùn)算執(zhí)行器改變操縱變量

2、控制系統(tǒng)的框圖

控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、檢測(cè)變送、控制器和執(zhí)行器等組成傳遞函數(shù)被控對(duì)象變送器計(jì)算機(jī)檢測(cè)元件控制器執(zhí)行器3、時(shí)域控制性能指標(biāo)1）.衰減比n：衰減比（Subsidenceratio）是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)。它是相鄰?fù)较騼蓚€(gè)波峰的幅值之比。即：n<1擴(kuò)散振蕩即不穩(wěn)定n=1等幅振蕩n.>1衰減振蕩n無(wú)窮大為非周期過(guò)程衰減率ψ也用于表示控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它是每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)，即：2）超調(diào)量和最大動(dòng)態(tài)偏差：控制系統(tǒng)中，超調(diào)量（Overshoot）σ定義為：

定值控制系統(tǒng)采用最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)表示超調(diào)程度。即：3）余差：它是控制系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差e(∞)。在階躍輸入作用下，余差（Steady-stateerror）為：定值控制系統(tǒng)中，r=0，因此有：e(∞)=-C。余差是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。4）回復(fù)時(shí)間和振蕩頻率：被控變量從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值±5%或±2%范圍內(nèi)的時(shí)間作為過(guò)渡過(guò)程的回復(fù)時(shí)間Ts（Settlingtime）?；貜?fù)時(shí)間是控制系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。振蕩頻率ω與振蕩周期T的關(guān)系是

在相同衰減比n下，振蕩頻率越高，回復(fù)時(shí)間越短；在相同振蕩頻率下，衰減比越大，回復(fù)時(shí)間越短。5）偏離度：控制系統(tǒng)偏離度是被控變量統(tǒng)計(jì)特性的描述。在相同干擾作用下，定值控制系統(tǒng)輸出的最大偏差越大，系統(tǒng)的偏離度越大；在相同的衰減比下，系統(tǒng)輸出的周期越大，系統(tǒng)的偏離度越大。4、控制系統(tǒng)運(yùn)行的重要準(zhǔn)則針對(duì)連續(xù)或半連續(xù)（間歇）過(guò)程中的溫度、壓力、流量、液（物）位、化學(xué)成分（如含氧量）、物性參數(shù)（如粘度、融溶指數(shù)）等變量而實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱為過(guò)程控制。大延遲、大時(shí)間常數(shù)、非線性

采樣周期1—30秒各種控制方法應(yīng)用四、過(guò)程控制系統(tǒng)的任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)：保證生產(chǎn)過(guò)程的安全性：使操作壓力、溫度等在規(guī)定的許可范圍保障人身、設(shè)備、過(guò)程安全穩(wěn)定性：保證連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)操作，各參數(shù)維持在允許的波動(dòng)范圍經(jīng)濟(jì)性：提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量降低原、材料與能源消耗，降低成本要求：抑制外部干擾對(duì)過(guò)程參數(shù)的影響確保連續(xù)過(guò)程的穩(wěn)定生產(chǎn)工況達(dá)到最優(yōu)（次優(yōu)）自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)物料平衡；能量平衡；質(zhì)量指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1)確定控制目標(biāo)：滿足平衡關(guān)系或某項(xiàng)指標(biāo)2)選擇被控參數(shù)：直接可測(cè)，間接可測(cè)3)選擇調(diào)節(jié)量：用以控制被控參數(shù)的介質(zhì)4)確定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)位芈反?jí)前饋反饋5)確定控制算法：PID，模糊，自適應(yīng)，優(yōu)化，預(yù)測(cè)6)選擇控制系統(tǒng)的組成硬件：傳感測(cè)量控制儀表， 調(diào)節(jié)閥，計(jì)算機(jī)及其接口五、過(guò)程控制面臨的問(wèn)題及解決方法1過(guò)程建模2軟測(cè)量技術(shù)3控制方法4過(guò)程的優(yōu)化5生產(chǎn)管理與調(diào)度6動(dòng)態(tài)系統(tǒng)故障診斷7實(shí)用軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程建模1、過(guò)程建模的難點(diǎn)：對(duì)過(guò)程控制越來(lái)越高的要求與過(guò)程內(nèi)在機(jī)理的復(fù)雜性的矛盾2、建模方法：機(jī)理法：根據(jù)能量、物質(zhì)守恒系統(tǒng)辨識(shí)法：時(shí)域法、頻域法，最小二乘法，極大似然法等先進(jìn)辨識(shí)方法：人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模，模糊建模，小波建模，混沌建模等軟測(cè)量技術(shù)

在過(guò)程控制中，一些需要控制的過(guò)程變量在現(xiàn)在的技術(shù)條件下難于直接測(cè)量或不易快速在線測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)直接質(zhì)量控制要求而產(chǎn)生了采用離線或在線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模型的軟測(cè)量方法，其實(shí)質(zhì)為建立被測(cè)量參數(shù)與影響該參數(shù)的其他操作參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。（實(shí)時(shí)測(cè)速）控制方法1、PID控制器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易調(diào)整，最常用2、預(yù)測(cè)控制:對(duì)過(guò)程不確定系統(tǒng)進(jìn)行控制的有效方法

3、容錯(cuò)控制與魯棒（Ro