第一章过程控制系统概述教材课件.ppt

2023/3/24,赵小强,过程控制系统,兰州理工大学电信学院,04:17:17,2,基本概念,组成,特点,分类,性能指标,发展历程,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,3,兰州理工大学电信学院,过程控制与集散系统,生产过程：是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程.生产过程的总目标：将原物料加工成预期的产品.过程控制的任务:了解工艺流程和动静态特性.实现生产过程的控制目标.,过程控制的基本概念,1.1,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,4,兰州理工大学电信学院,生产过程的要求：安全性,稳定性,经济性(1)安全性:生产过程中，确保人身和设备安全 是最重要和最基本的要求.(2)稳定性:系统抑制外部干扰、保持生产过程 长期稳定运行的能力.(3)经济性:低成本高效益是过程控制的另一个目标.工业过程可以分为：连续过程工业、离散过程工业和间歇过程工业.过程控制主要是指连续过程工业的过程控制,过程控制与集散系统,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,5,过程控制（Process control）：是指连续生产过程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。连续生产过程特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。例如室内温度的控制。,过程控制与集散系统,兰州理工大学电信学院,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,6,兰州理工大学电信学院,过程控制系统的组成与特点,1.2,过程控制系统的一般性框图,1被控过程（或对象）；2检测变送(用于生产过程参数检测的检测与变送仪表)；3控制器；4执行器(机构).,过程控制与集散系统,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,7,兰州理工大学电信学院,名词术语：（1）被控参数（变量）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数,如温度、压力、流量、液位、成分等；（2）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；（3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；（4）设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；（5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；（6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的输出值。,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,8,兰州理工大学电信学院,控制器（或称调节器）根据系统输出量测值与设定值的偏差，按照一定的控制算法输出控制量，对被控过程进行控制。执行机构（如：调节阀）接受控制器（调节器）送来的控制信息调节被控量，达到预期的控制目标。过程的输出信号通过检测与变送仪表，反馈到控制器的输入端，构成闭环控制系统。,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,9,1.开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2.闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。3.阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state),第1章 过程控制系统概述,04:17:17,10,在此人的作用可分为三步：眼看 脑想 手动,第1章 过程控制系统概述,例：图为人工控制室温。假设在冬季，室内加温是通过热水加热器，将送风加热后源源不断送往恒温室。为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。,04:17:17,11,眼看用传感器或变送器将温度信号转换为控制器可接受的信号。脑想控制器将输入的实测温度信号和要求值进行比较（相减求偏差),并按偏差值计算出控制量。手动人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变开度。人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,12,过程控制系统的定义：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的 一个整体。,图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。,过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,13,兰州理工大学电信学院,转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪供给转炉一定的氧气，进行吹氧。使铁水中的碳氧化燃烧，不断降低铁水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧时间，可以获得不同品种的钢产品。图可见，从节流装置1采集到的氧气流量，送入流量变送器FT2，再经过开方器3，其结果送到流量控制器（调节器）FC4作为流量反馈值，与供氧量的设定值比较，得到偏差值，经过流量控制器（调节器）FC4进行PID运算，输出控制信号，去控制调节阀5的开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺要求。,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,14,兰州理工大学电信学院,第1章 过程控制系统概述,过热蒸汽控制,04:17:17,15,兰州理工大学电信学院,一过程工业的特点 过程控制是指连续过程工业，特点主要指连续过程生产，过程工业是十分复杂的大系统，存在不确定性、时变性以及非线性等因素，过程控制的难度是显而易见的，工业过程生产环境恶劣，生产条件苛刻，采用智能控制方法和计算机控制技术。,过程控制系统特点,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,16,兰州理工大学电信学院,二.过程控制系统的特点 1控制对象复杂、控制要求多样 石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程。过程控制系统中的被控对象（被控量）是多样的。2控制方案丰富 生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。系统硬件和控制算法、软件设计。3控制对象大多属于慢过程 连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。4大多数工艺要求定值控制 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。5大多使用标准化的检测、控制仪表及装置,第1章 过程控制系统概述,04:17:17,17,仪表控制系统：由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成。控制方法上:单变量过程控制系统、多变量过程控制系统。控制算法：PID控制、智能控制等。过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,18,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：常规仪表过程制系统、计算机过程控制系统,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,19,按设定值分类：定值控制系统、随动（伺服）控制系统、程序控制系统1、定值控制系统：是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。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。2、随动控制系统：是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。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。3、程序控制系统：其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,20,按系统结构分类：1）反馈控制；2）前馈控制；3）复合控制。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,21,1）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。如：,反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,22,2）前馈控制系统（开环控制系统）控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。如：,测量值,被控量,干扰f,控制器,执行器,被控对象,开环控制系统原理框图,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,23,3）复合控制系统 前馈与反馈相结合，优势互补。如：,前馈-反馈复合控制系统原理框图,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,24,过程控制系统的性能指标,1.3,控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,25,稳态与动态 1、稳态把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态）。当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。静态特性静态时系统各环节的输入输出关系。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,26,2、动态把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡过程。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。动态特性在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,27,控制系统的过渡过程:控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。系统的过渡响应受内部和外部两种因素的影响。1、内部因素：系统特性 系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。2、外部因素：输入信号 在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,28,阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。,如图，输入信号在 t=0时，阶跃上升幅度为 A，其后保持。表达为,f(t)=A(t),第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,29,在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：,单调衰减过程 被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。振荡衰减过程 被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,30,等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。振荡发散过程 被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,31,过渡过程的分类（1）稳定的过渡过程 单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。单调过程的过渡过程较慢，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,32,（2）不稳定过渡过程 发散振荡过程中，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。（3）临界过渡过程 处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。只是某些控制要求不高的场合，如位式控制时，只能达到这种效果。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,33,第1章 过程控制系统概述,1。阶跃响应性能指标：,兰州理工大学电信学院,04:17:17,34,1）衰减比和衰减率 衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。衡量振荡过程衰减程度的指标。,第1章 过程控制系统概述,衰减率经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。,是衡量过度过程稳定性的一个动态指标(于递减比含义相同).一般取=0.750.9。,兰州理工大学电信学院,04:17:17,35,过程控制系统的衰减比为4：1到10：1，相当于衰减率=0.75到0.9。若衰减率=0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。2）.最大动态偏差和超调量 最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的第一个波峰。超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。最大动态偏差是过程控制系统动态准确性的衡量指标。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,36,3）.余差残余偏差（稳态误差、静差）是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。4）.调节时间ts和振荡频率 调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间。理论上它应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳态值的5%范围内，就算过渡过程已经结束，这时所需时间就是调节时间.调节时间是过程控制系统快速性的指标。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,37,过渡过程的振荡频率是振荡周期的倒数，即,在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调节时间越短。振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,38,控制系统的单项品质指标小结稳定性 衰减比n=4:110:1最佳 准确性 余差C小好 最大偏差 A 小好快速性 过渡时间 Ts 短好 振荡周期 T 短好各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,39,例：某发酵过程工艺规定操作温度为455，现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的曲线如下图所示，试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和过渡过程时间。,解：稳态误差=41-40=1 衰减比=4:1 超调量=（45-41）/41=9.75%过渡过程时间=23min。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,40,例 某换热器的温度控制系统给定值为200。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。解：,最大偏差 A=230-200=30余差 C=205-200=5衰减比 n=y1:y3=25:5=5:1,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,41,振荡周期 T=20 5=15（min）设被控变量进入稳态值的土2，就认为过渡过程结束，则误差区域=205（2）4.1在新稳态值（205）两侧以宽度为4.1画一区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts=22min,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,42,2.系统阶跃响应的综合性能指标偏差积分 单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,43,t,偏差的定义存在分歧：e(t)=y(t)-y()不能表达余差 e(t)=y(t)-y(r)如有余差则积分无穷大,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,44,偏差积分指标有以下几种形式：,(1)偏差绝对值积分：,(2)偏差平方值积分：,(3)偏差绝对值与时间乘积积分：,(4)时间乘偏差平方积分:,缺点：不能保证衰减率,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,45,偏差积分IE（Integral of Error）,缺点：不能保证系统是衰减振荡。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,46,绝对偏差积分IAE（Integral Absolute value of Error）,排除了正负偏差抵消的可能。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,47,平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）,对大偏差敏感,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,48,时间与绝对偏差乘积积分ITAE（Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error）,对调节时间敏感,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,49,过程控制的进展,1.4,在二十世纪40年代以前，处于手工操作状态，操作工人通过对火候、冷热、色泽、形状等的观察来调整生产过程。二十世纪50年代前后，实现仪表控制和局部自动化。采用的是基地式仪表和部分组合仪表，、气动式，单输入/单输出、4大参数稳定、经典控制理论。自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。适用于小规模、局部过程控制。二十世纪60年代随着电子技术的迅速发展，采用单元组合仪表（包括气动与电动）以及组装仪表。以420mA和010mA电动模拟信号为统一标准信号的电动模拟控制系统。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,50,1946年世界上第一台计算机诞生。1959年工业控制计算机（Process Control Computer,如TR300等）便在化肥厂和炼油厂试用于控制生产过程。60年代中期，出现了用计算机实现的直接数字控制DDC（Direct Digital Control）系统和计算机监控SCC(Supervisory Computer Control)系统。二十世纪70年代中期，推出了分布式计算机控制系统DCS（Distributed Control System，集散系统）和可编程序控制器（PLC）.二十世纪80年代以来，一方面分布式计算机控制系统DCS成为流行的过程控制系统；另一方面，兼顾连续控制和逻辑控制/顺序控制功能的复合控制系统HCS（Hybrid Control System）得到发展。它可以是基于DCS而增添逻辑顺序功能的系统，也可以是基于PLC而增添连续控制功能的系统。另外，各厂家相继推出了各种数字化智能变送器和智能化数字执行器，以现场总线（Fieldbus）为标准，实现以微处理器为基础的现场总线网络控制系统FCS（Fieldbus Control System）。现场总线控制系统FCS进一步将控制功能分散，增强了系统的灵活性和可靠性。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,51,在控制装置发展的同时，产生出许多智能传感器和执行器。能提供仪表状态和诊断的信息，具有通讯功能，便于调试、投运、维护和管理。一些重要的生产过程逐渐采用技术先进在线分析仪器，如：近红外、质谱、色谱、专用生化过程传感器等等。随着各种光、机、电传感技术以及厚膜电路等先进加工工艺的广泛应用，使工业仪表显得异彩纷呈。近年来，以太网技术逐渐渗入到工业自动化领域。随着高速以太网的到来，智能以太网交换机的使用和耐工业环境（防尘、防潮、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等）以太网器件的面市，工业以太网将会更加广泛地在工业自动化中得到应用，从而使过程控制系统更为灵活、方便和经济。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,52,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、复杂控制与先进控制.通常将单回路PID控制称为简单控制。PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合。目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均设有PID控制算法软件，或PID控制模块。从二十世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。二十世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,53,从80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。,第1章 过程控制系统概述,兰州理工大学电信学院,04:17:17,54,兰州理工大学电信学院,04:17:17,谢谢,