第1章過程控制課件.ppt

1、1,過程控制系統(tǒng),東北大學秦皇島分校自動化系,2,凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制通稱為過程控制。(另有電力拖動控制方向) 過程控制主要針對溫度，壓力，流量，液位（物流），成分和物性等參數(shù)的控制。它覆蓋石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，核能等領域。,第一章 緒論,1.1 過程控制的任務與目標,3,過程控制的要求： 1）安全性 整個生產(chǎn)過程中，人身安全和設備安全是最重要和最基本的要求。 2）穩(wěn)定性 系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運行。 3）經(jīng)濟性 低成本高效益。 應用理論知識，系統(tǒng)分析和綜合，采用先進的技術手段，實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制。,4,過程控制

2、的目的：保持過程中的有關參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。,1、被控對象的多樣性 2、對象特性的難辨性 3、普遍存在滯后 4、特性往往具有非線性： 如間歇式加溫、齒輪運動等。,1.2 過程控制的特點及計算機的作用,5,5.控制方案的多樣性 有單回路、串級、前饋-反饋、比值、均勻、分程、選擇性、時滯、數(shù)字和計算機過程控制系統(tǒng)等。 6.控制過程屬慢過程、多半屬參量控制 7.定值控制是主要控制形式,6,計算機的應用不僅促進了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，而且也推動了自動化向深度與廣度進軍，使生產(chǎn)自動化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步邁進。 微型計算機控制生產(chǎn)過程，按不同的控制目的，可分為兩類：一是數(shù)據(jù)檢

3、測處理，二是形成微機控制系統(tǒng)。,7,微機控制在提高產(chǎn)品質量、保證安全運行、減少原料和能量消耗、控制和減少環(huán)境污染、提高企業(yè)的管理水平方面正在并將發(fā)揮越來越重要的作用。,8,1-1典型單回路控制系統(tǒng),1、控制原理,以液體儲槽的液位控制為例進行說明。,液位變送器,液位控制器,執(zhí)行器,1.3 過程控制的組成及術語,一、系統(tǒng)組成,9,2、系統(tǒng)方塊圖,單回路系統(tǒng)方框圖,10,3、主要組成部分,(1)、被控對象：生產(chǎn)過程中被控制的工藝設備或裝置。 (2)、檢測變送單元：檢測量轉換為統(tǒng)一標準的電信號。 (3)、控制器：實時地對被控系統(tǒng)施加控制作用。 (4)、執(zhí)行器：將控制信號進行放大以驅動控制閥。常見的有氣

4、動和電動兩種。 (5)、控制閥：控制進料量。有氣開式和氣關式之別。,11,1、被控對象 (簡稱對象或過程)： 2、被控參數(shù)：按照生產(chǎn)過程要求，某些變量應該維持在穩(wěn)定的變化范圍內，如果對其施加控制作用，就稱其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。,二、常用術語,12,凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動。分內干擾和外干擾。(內干擾如原料成分變化等。) 4、控制參數(shù)：即調節(jié)介質。如儲水槽液位控制系統(tǒng)的給水量。 5、測量值：被控變量經(jīng)檢測變送后即是測量值。,3、干擾:,13,6、給定值：即被控變量的設定值。 7、偏差值：準確地說，應是被控量的給定值與實際值之差。但能夠直接得到的信號是被控

5、量的測量值，故通常把給定值與測量值之差稱作為偏差。 8、調節(jié)器輸出：根據(jù)偏差值、經(jīng)一定算法得到的輸出值。調節(jié)器輸出亦稱控制作用。,14,1.4 過程控制系統(tǒng)的分類,一、一般分類,1、按工藝參數(shù)分類：,有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)等。,2、按系統(tǒng)的任務分類：,有比例控制、均勻控制、前饋控制等。,3、按自動化裝置的不同分類：,有常規(guī)控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)。,15,是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最多的一種過程控制系統(tǒng)。在運行時，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小范圍附近波動。,4、按控制器的動作分類：,1、定值控制系統(tǒng),P

6、,PI,PID,位式,二、按設定值形式分類,16,2、隨動控制系統(tǒng),是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。,17,3、程序控制系統(tǒng),其給定值按預定的時間程序來變化。如機械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)，其給定值是按升溫、保溫、逐次降溫等程序變化的。家用電器中應用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機、電飯煲等。,18,三.按系統(tǒng)的結構特點來分 反饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng) 復合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）,19,反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）,根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定值的偏差進行工作， 偏差值是控制的依據(jù)，最后達到減小或消除偏差的目的 反饋

7、信號可能有多個，從而可以構成多回路控制系統(tǒng)（如串級控制系統(tǒng)）。,20,前饋控制系統(tǒng),也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 根據(jù)擾動量的大小進行工作 擾動是控制的依據(jù) 在實際生產(chǎn)中不能單獨采用。,21,復合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）,22,決定過程控制系統(tǒng)品質的環(huán)節(jié)： 控制系統(tǒng)結構 被控過程特性 過程檢測、控制儀表 性能良好的過程控制系統(tǒng)，在受到外來擾動作用或給定值發(fā)生變化后，應 平穩(wěn)、 準確、 迅速地回復（或趨近）到給定值上。,1.5 控制系統(tǒng)的質量指標,23,過程控制系統(tǒng)的評價指標可概括為： 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的； （平穩(wěn)） 系統(tǒng)應能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調節(jié)；（準確） 系統(tǒng)應能提供盡可能好的過渡過程。（迅速）

8、 控制性能指標應根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實際需要確定，通常采用系統(tǒng)階躍響應曲線的性能指標和偏差積分性能指標。,穩(wěn)，準，好,24,階躍響應性能指標,25,階躍響應性能指標,26,衰減比越大系統(tǒng)越穩(wěn)定，一般認為，隨動系統(tǒng)n:1=10:1時穩(wěn)定性好，定值系統(tǒng)4:1為好，應根據(jù)實際情況靈活處理。,衰減比（Subsidence Ratio)它是相鄰的同向波峰值之比，即,1、衰減比,27,是衡量過度過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(與衰減比含義相同).一般取=0.750.9，對應n=4：110:1。,每經(jīng)過一個周期，波動幅值衰減的百分數(shù),2、衰減率,28,描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的唯一指標 指系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數(shù)

9、穩(wěn)態(tài)值之差。 一般要求余差不超過預定值或為零。,3.余差（靜態(tài)偏差）C,29,最大偏差A（或超調量） 最大偏差A是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差 超調量：,4、動態(tài)偏差（亦即超調量）,30,過渡過程時間ts 指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值5%（或2%）的范圍內所經(jīng)歷的時間。 一般要求ts愈短愈好。,5、調節(jié)時間（過渡過程時間）,31,性能指標之間的關系,有些是相互矛盾的（如超調量與過渡過程時間） 對于不同的控制系統(tǒng)，這些性能指標各有其重要性。 應根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿足主要的品質指標要求。,除上述單項性能指標外，常采用偏差積分性能指標來

10、衡量控制系統(tǒng)。,32,偏差積分性能指標,偏差絕對值積分（Integral of Absolute Error:IAE） 適用于衰減和無靜差系統(tǒng),33,偏差積分性能指標,偏差絕對值與時間乘積的積分（ITAE） 用以降低初始大誤差對性能指標的影響； 同時強調了過渡過程后期的誤差對指標的影響。,34,偏差積分性能指標,偏差平方值積分（ Integral of Squared Error: ISE） 同IAE,35,偏差積分性能指標,時間乘偏差平方積分（ITSE） 同ITAE,36,生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動條件、保證安全和提高勞動生產(chǎn)率重要手段，一直起著極其重要的作用

11、。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個方面：,1.6 過程控制的發(fā)展概況,37,過程控制的發(fā)展簡況,手工操作狀態(tài)（20世紀40年代前后） 儀表化與局部自動化階段（5060年代） 綜合自動化（60-70年代中期）階段 全盤自動化階段（70年代中期至今）,38,儀表化與局部自動化階段（5060年代）,系統(tǒng)結構大多為單輸入-單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)。 過程檢測控制儀表為基地式儀表和部分單元組合式儀表。,39,基地式儀表,一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內 同時具有檢測、控制與顯示的功能 結構簡單、價格低廉、使用方便 通用性差，信號不易傳遞 一般應用于簡單控制系統(tǒng)中。,40,單元組合式儀表,將儀表按其功

12、能分成若干單元 各個單元之間以統(tǒng)一的標準信號相互聯(lián)系 具有高度的靈活性和通用性，各個單元可以適當組合，也可與計算機等設備配合，組合各種復雜的、新型的控制系統(tǒng)。 有氣動組合儀表和電動單元組合儀表（QDZ和DDZ儀表）兩類。,41,氣動單元組合儀表（QDZ）,采用140kPa壓縮空氣為能源，以20100kPa標準統(tǒng)一信號輸出 結構簡單、價格便宜、性能穩(wěn)定、工作可靠、安全防火防爆 特別適用于石油、化工等易燃易爆場合,42,電動單元組合儀表（DDZ）,采用0-10mA 或4-20mA標準統(tǒng)一信號 體積小、重量輕、安裝維護方便、便于計算機接口 部分儀表（如DDZ-型）采取了先進的安全防爆措施，能構成本質安全防爆系統(tǒng)，同樣能應用于易燃易爆場合。,43,綜合自動化階段（60-70年代中期）,工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)了一個車間甚至于一個工廠的綜合自動化 過程檢測控制儀表是單元組合儀表和組裝式儀表 逐步采用數(shù)字計算機以及以微處理器為基礎的