過程控制技術(shù)及應(yīng)用課件

過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用1本課程是過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)（基礎(chǔ)）課，是集自動(dòng)控制技術(shù)、儀器儀表、化工生產(chǎn)過程與科研自動(dòng)化于一體的綜合性、技術(shù)性課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們①初步掌握過程裝備控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本概念；②重點(diǎn)掌握過程檢測(cè)技術(shù)（壓力、溫度、流量、物位、物料成分等主要工藝參數(shù)的測(cè)量方法和所用儀器儀表）和過程控制裝置的應(yīng)用；③了解計(jì)算機(jī)控制等先進(jìn)過程控制系統(tǒng)的概念和典型應(yīng)用。在掌握以上基礎(chǔ)知識(shí)后，結(jié)合典型過程控制系統(tǒng)應(yīng)用方案，培養(yǎng)同學(xué)們?cè)趯I(yè)學(xué)習(xí)和工作中分析和解決化工實(shí)際問題的能力。前言2課程總學(xué)時(shí)：64課時(shí)（其中講授52、實(shí)驗(yàn)12）總學(xué)分：4考核方式：期末考試（70％）實(shí)驗(yàn)成績(jī)（10％）平時(shí)成績(jī)（20％）3和設(shè)備，即能平穩(wěn)連續(xù)地把以流體為主的各種流程性材料，讓其在裝置內(nèi)部經(jīng)歷必要的物理化學(xué)過程，制造出人們需要的新的流程性材料產(chǎn)品。過程設(shè)備(如塔、換熱器、反應(yīng)器與儲(chǔ)罐等)與過程機(jī)器(如壓縮機(jī)、泵與分離機(jī)等)二者的統(tǒng)稱為過程裝備。

過程裝備控制是指在過程設(shè)備上，配上一些自動(dòng)化裝置以及合適的自動(dòng)控制系統(tǒng)來代替操作人員的部分或全部的直接勞動(dòng)，使設(shè)計(jì)、制造、裝配、安裝等在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行。這種利用自動(dòng)化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法就是生產(chǎn)過程自動(dòng)化。過程裝備控制是生產(chǎn)過程自動(dòng)化最重要的一部分。第一章控制系統(tǒng)的基本概念1、概述5總之，生產(chǎn)過程自動(dòng)化是提高社會(huì)生產(chǎn)力的有力工具，它能夠穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，改善勞動(dòng)條件。自20世紀(jì)30年代以來，隨著自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展以及電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，自動(dòng)化技術(shù)已取得了驚人的成就，自動(dòng)化裝置已成為大型設(shè)備不可分割的重要組成部分?？梢哉f，如果不配置合適的自動(dòng)控制系統(tǒng)，大型生產(chǎn)過程是根本無法運(yùn)行的。實(shí)際上，生產(chǎn)過程自動(dòng)化的程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。第一章控制系統(tǒng)的基本概念1、概述6第一章控制系統(tǒng)的基本概念1.1.1生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)包含的內(nèi)容

1、概述生產(chǎn)過程的工藝變量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)操縱系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)連鎖系統(tǒng)7第一章控制系統(tǒng)的基本概念生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)包含的內(nèi)容

1、概述生產(chǎn)過程的工藝變量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)操縱系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)連鎖系統(tǒng)9第一章控制系統(tǒng)的基本概念②自動(dòng)操縱系統(tǒng)這是一種根據(jù)預(yù)先規(guī)定的程序，自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作，極大地減輕操作人員的繁重或重復(fù)性體力勞動(dòng)的裝置。③自動(dòng)控制系統(tǒng)利用一些自動(dòng)控制儀表及裝置，對(duì)生產(chǎn)過程中某些重要的工藝變量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使它們?cè)谑艿酵饨绺蓴_影響偏離正常狀態(tài)后，能夠自動(dòng)地重新回復(fù)到規(guī)定的范圍之內(nèi)，從而保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。1、概述10第一章控制系統(tǒng)的基本概念生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)包含的內(nèi)容

1、概述生產(chǎn)過程的工藝變量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)操縱系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)連鎖系統(tǒng)11第一章控制系統(tǒng)的基本概念1.1.2過程裝備控制的任務(wù)和要求過程裝備控制是工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要組成部分，它主要是針對(duì)過程裝備的主要參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位（或物位）、成分和物性等參數(shù)進(jìn)行控制。雖然工業(yè)生產(chǎn)對(duì)過程裝備控制的要求是多方面的，最終可以歸納為三項(xiàng)要求：即安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。1、概述13第一章控制系統(tǒng)的基本概念

安全性——是指在整個(gè)生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備的安全，這是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限報(bào)警、事故報(bào)警和連鎖保護(hù)等措施加以保證。

經(jīng)濟(jì)性——是指在生產(chǎn)同樣質(zhì)量和數(shù)量產(chǎn)品所消耗的能量和原材料最少。也就是要求生產(chǎn)成本低而效率高。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇和能源的匱乏，經(jīng)濟(jì)性已越來越受到各方面的重視。

穩(wěn)定性——是指系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗外部干擾，保持生產(chǎn)過程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。在生產(chǎn)過程中，原材料成分變化、反應(yīng)器內(nèi)催化劑老化、換熱器表面結(jié)垢等都會(huì)或多或少地影響生產(chǎn)過程穩(wěn)定性。1、概述14第一章控制系統(tǒng)的基本概念

過程裝備控制的任務(wù)：就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述三項(xiàng)要求，應(yīng)用理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用合適的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。因此可以說，過程裝備控制是控制理論、工藝知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等相結(jié)合而構(gòu)成的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)。1、概述15第一章控制系統(tǒng)的基本概念2、控制系統(tǒng)的組成17第一章控制系統(tǒng)的基本概念2、控制系統(tǒng)的組成插：鍋爐組態(tài)18第一章控制系統(tǒng)的基本概念2、控制系統(tǒng)的組成19第一章控制系統(tǒng)的基本概念2、控制系統(tǒng)的組成從上面鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制系統(tǒng)中可以看出，一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成:一部分是起控制作用的全套自動(dòng)控制裝置，它包括測(cè)量?jī)x表、變送器、控制儀表以及執(zhí)行器等;另一部分是自動(dòng)控制裝置控制下的生產(chǎn)設(shè)備，即被控對(duì)象。被控對(duì)象21第一章控制系統(tǒng)的基本概念2、控制系統(tǒng)的組成

被控對(duì)象：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器稱為被控對(duì)象。在化工生產(chǎn)中，各種塔、反應(yīng)器、泵、壓縮機(jī)以及各種容器、貯堆、貯槽等都可以是被控對(duì)象。測(cè)量元件和變送器：測(cè)量需控制的工藝參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為一種特定信號(hào)(電信號(hào)或氣壓信號(hào))的儀器，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著“眼睛”的作用。

調(diào)節(jié)器：又稱控制器，它將測(cè)量元件或變送器送來的信號(hào)與其內(nèi)部的工藝參數(shù)給定值信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào);根據(jù)這個(gè)偏差的大小按一定的運(yùn)算規(guī)律算出控制信號(hào)，由控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。22第一章控制系統(tǒng)的基本概念2、控制系統(tǒng)的組成

執(zhí)行器：執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器送來的信號(hào)，自動(dòng)地改變閥門的開度，從而改變輸送給被控對(duì)象的能量或物料量。最常用的執(zhí)行器是氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)器。被控對(duì)象變送器測(cè)量元件給定值調(diào)節(jié)器(顯示)執(zhí)行器23第一章控制系統(tǒng)的基本概念3、控制系統(tǒng)方框圖

被控變量y：指需要控制的工藝參數(shù)，如鍋爐汽包的水位、反應(yīng)器的溫度、物料流量等。給定值(或設(shè)定值)ys：對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)過程中被控變量的期望值?？捎烧{(diào)節(jié)器內(nèi)部或由外界給定。

測(cè)量值ym：由檢側(cè)元件得到的被控變量的實(shí)際值。

操縱變量(或控制變量)m：受控于調(diào)節(jié)閥，用以克服干擾影響，具體實(shí)現(xiàn)控制作用的變量，它是調(diào)節(jié)閥的輸出?？刂菩盘?hào)u：控制器將偏差按一定規(guī)律計(jì)算得到的量。25第一章控制系統(tǒng)的基本概念例：畫出右圖反應(yīng)器控制系統(tǒng)的方框圖，并指出被控對(duì)象、被控變量、操縱變量及可能影響被控變量的干擾。3、控制系統(tǒng)方框圖26第一章控制系統(tǒng)的基本概念4、控制系統(tǒng)的分類按輸出變量對(duì)操縱變量影響分

閉環(huán)控制這種系統(tǒng)輸出信號(hào)的改變返回來影響操縱變量，操縱變量不是獨(dú)立存在的，它依賴于輸出變量。閉環(huán)控制系統(tǒng)的最常見形式是負(fù)反饋控制系統(tǒng)（當(dāng)操縱變量使系統(tǒng)的輸出信號(hào)增大時(shí)，反饋影響操縱變量的結(jié)果使輸出信號(hào)減?。?。工業(yè)控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制操縱變量不受系統(tǒng)輸出信號(hào)的影響。為了使系統(tǒng)的輸出滿足事先規(guī)定的要求，必須周密而精確地計(jì)算操縱本來的變化規(guī)律。一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，當(dāng)反饋回路斷開或調(diào)節(jié)器置于“手操”位置時(shí)，就成為開環(huán)控制系統(tǒng)。29第一章控制系統(tǒng)的基本概念4、控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)這類控制系統(tǒng)只有一個(gè)簡(jiǎn)單的反饋回路，所以也可稱為單回路控制系統(tǒng)。

復(fù)雜控制系統(tǒng)工程上的控制系統(tǒng)常常比較復(fù)雜，它們可表現(xiàn)為在系統(tǒng)中包含多個(gè)調(diào)節(jié)器、檢測(cè)變送器或執(zhí)行器，從而形成系統(tǒng)中存在有多個(gè)回路或者在系統(tǒng)中存在有多個(gè)輸入信號(hào)和多個(gè)輸出信號(hào)。30第一章控制系統(tǒng)的基本概念4、控制系統(tǒng)的分類31第一章控制系統(tǒng)的基本概念4、控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)克服干擾的方法分

反饋控制系統(tǒng)當(dāng)干擾使系統(tǒng)的被控變量發(fā)生改變時(shí)，被控變量反饋至系統(tǒng)輸入端與給定值相比較并得到偏差信號(hào)，經(jīng)調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)閥影響操縱變量以減弱或消除被控變量的變化。

前饋控制系統(tǒng)當(dāng)干擾引起被控對(duì)象的輸出y2改變時(shí)，控制系統(tǒng)測(cè)得干擾信號(hào)的大小，并輸入前饋補(bǔ)償器(或稱前饋控制器)，由前饋補(bǔ)償器的輸出去控制操縱變量二，引起被控對(duì)象輸出y1的改變，并且y1與y2的方向相反，32第一章控制系統(tǒng)的基本概念4、控制系統(tǒng)的分類由此減弱或消除被控變量y受干擾影響而產(chǎn)生的變化。當(dāng)前饋完全補(bǔ)償時(shí)，有y=y1＋y2=0。33第一章控制系統(tǒng)的基本概念前饋－反饋控制系統(tǒng)當(dāng)以上兩種控制系統(tǒng)復(fù)合在一起時(shí)，就構(gòu)成了前饋一反饋控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)當(dāng)受到干擾的影響時(shí)，可以通過前饋控制器使被控變量不變，若前饋補(bǔ)償不完全或受其他因素影響，還可以通過反饋控制系統(tǒng)加以修正。4、控制系統(tǒng)的分類34第一章控制系統(tǒng)的基本概念4、控制系統(tǒng)的分類在實(shí)際工程上控制系統(tǒng)的形式多種多樣，各具特點(diǎn)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，以及智能化儀表和計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用，自動(dòng)控制系統(tǒng)的形式越來越多，有些控制系統(tǒng)可以是不同類型系統(tǒng)的組合。35第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)1.5控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)處于平衡狀態(tài)下的自動(dòng)控制系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量會(huì)發(fā)生變化而偏離給定值，系統(tǒng)進(jìn)入過渡過程。自動(dòng)控制系統(tǒng)就立即檢測(cè)變化、計(jì)算偏差并消除偏差。在這一過程中，被控變量的變化情況、偏離給定值的最大程度以及系統(tǒng)消除偏差的速度、精度等都是衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)。36第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程從被控對(duì)象受到干擾作用使被控變量偏離給定值時(shí)起，調(diào)節(jié)器開始發(fā)揮作用，使被控變量盡量回復(fù)到給定值附近。然而這一回復(fù)并不是瞬間完成的，而是要經(jīng)歷一個(gè)過程，這個(gè)過程就是控制系統(tǒng)的過渡過程。它是控制系統(tǒng)在閉環(huán)情況下，在干擾和自動(dòng)控制的共同作用下形成的。在生產(chǎn)過程中，干擾的形式是多種多樣的，而且大部分都屬于隨機(jī)性質(zhì)，其中階躍于擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響最大，且最為多見。37第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)在階躍干擾的作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程有如下幾種基本形式：

等幅振蕩過程被控變量在某穩(wěn)定值附近振蕩，而振蕩幅度恒定不變。這意味著系統(tǒng)在受到階躍干擾作用后，就不能再穩(wěn)定下來，一般不采用。只是在某些工藝上允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)、控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，這種形式的過渡過程才被采用。38第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)

發(fā)散振蕩過程它表明系統(tǒng)在受到階躍干擾的作用后，不但不能使被控變量回到給定值，反而越來越偏離給定值，以致超出生產(chǎn)的規(guī)定限度，嚴(yán)重時(shí)引起事故。這是一種不穩(wěn)定的過渡過程，因此要盡量避免。衰減振蕩過程被控變量在穩(wěn)定值附近上下波動(dòng)經(jīng)過二三個(gè)周期就穩(wěn)定下來。這是一種穩(wěn)定的過渡過程，在過程控制中，多數(shù)情況下都希望得到這樣的過渡過程。39第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)

非振蕩的單調(diào)過程它表明被控變量最終穩(wěn)定下來了，是一個(gè)穩(wěn)定的過渡過程。但與衰減振蕩相比，其回復(fù)到平衡狀態(tài)的速度慢、時(shí)間長(zhǎng)，因此一般不采用。綜上所述，一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程，應(yīng)該是一個(gè)漸趨穩(wěn)定的過程，這是滿足生產(chǎn)要求的基本保證；因此，在大多數(shù)場(chǎng)合下，對(duì)待干擾應(yīng)是采用衰減振蕩的調(diào)節(jié)過程。40第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)控制過程的性能指標(biāo)：衰減振蕩的過渡過程是人們所希望得到的一種穩(wěn)定過程。它能使被控變量在受到干擾作用后重新趨于穩(wěn)定，并且控制速度快、回復(fù)時(shí)間短。但每一個(gè)衰減振蕩過程的控制質(zhì)量并不完全相同。要評(píng)價(jià)和討論一個(gè)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，就必須建立某些統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。取什么樣的指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)工藝過程的實(shí)際需要而定的。通常采用如下的兩大類標(biāo)準(zhǔn)。41第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)一類是以系統(tǒng)受到單位階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線（又稱過渡過程曲線）的形式給出的，如最大偏差(或超調(diào)量)、衰減比、余差、回復(fù)時(shí)間等，稱為過渡過程的質(zhì)量指標(biāo);另一類是偏差積分性能指標(biāo)，一般是期望輸出與系統(tǒng)實(shí)際輸出之間誤差的某個(gè)函數(shù)的積分，常用的有平方誤差積分指標(biāo)、時(shí)間乘平方誤差的積分指標(biāo)、絕對(duì)誤差積分指標(biāo)以及時(shí)間乘絕對(duì)誤差的積分指標(biāo)等，這些值達(dá)到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。42第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)（1）、以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標(biāo)：定值系統(tǒng)

隨動(dòng)系統(tǒng)

最大偏差A(yù)（或超調(diào)量σ）：對(duì)一個(gè)定值控制系統(tǒng)來說，最大偏差是指過渡過程中被控變量第一個(gè)波的峰值與給定值的差；在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常采用超調(diào)量指標(biāo)43第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)定值系統(tǒng)

隨動(dòng)系統(tǒng)

衰減比：是過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個(gè)波峰之比，即B1:B2一般用n:1表示。n愈小，衰減程度愈小，n愈大，愈接近非周期單調(diào)過程.n=1時(shí)，過渡過程為等幅振蕩;n<1時(shí)，過渡過程則為發(fā)散振蕩;n>1時(shí)，過渡過程為衰減振蕩;n→∞，過渡過程為單調(diào)過程。從便于操作管理，一般希望衰減比在4:1—10:1為好。44第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)

回復(fù)時(shí)間ts：是指被控變量從過渡狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)所用時(shí)間，即整個(gè)過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間。從理論上講，被控變量完全達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)需要無限長(zhǎng)的時(shí)間，但通常在被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的±5%的范圍內(nèi)不再超出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。因此，實(shí)際的過渡時(shí)間是從擾動(dòng)開始作用之時(shí)起，直至被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的±5%的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。定值系統(tǒng)

隨動(dòng)系統(tǒng)45第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)定值系統(tǒng)

隨動(dòng)系統(tǒng)

余差e（∞）是指過渡過程終了時(shí)，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差。即e(∞)＝y(tǒng)(∞)－ys在控制系統(tǒng)中，余差反映了系統(tǒng)的控制精度。

振蕩周期T過渡過程的第一個(gè)波峰與相鄰的第二個(gè)同向波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期。在相同的衰減比條件下，振蕩周期短些為好。46第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)（2）、偏差積分性能指標(biāo)：假若要對(duì)幾種過渡過程曲線作出誰是“最優(yōu)”的評(píng)論，則必須首先規(guī)定“最優(yōu)”的性能指標(biāo)。這種指標(biāo)與過渡過程形式代表的質(zhì)量指標(biāo)不同，它應(yīng)是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種綜合性能指標(biāo)，這樣才能對(duì)整個(gè)過渡過程曲線的形狀作評(píng)價(jià)。一般采用誤差函數(shù)的積分形式表示。假定控制系統(tǒng)期望輸出與實(shí)際輸出分別為r(t)和y(t)。則定義誤差(又稱偏差)為e(t)=r(t)－y(t)當(dāng)系統(tǒng)有余差時(shí)，可定義為e(t)=y(∞)－y(t)47第一章控制系統(tǒng)的基本概念5、過渡過程及性能指標(biāo)平方誤差積分指標(biāo)(ISE)

時(shí)間乘平方誤差積分指標(biāo)(ITSE)

絕對(duì)誤差積分指標(biāo)(IAE)

時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分指標(biāo)(ITAE)48