1、第一章 概 论,一、生产过程自动化的发展,二、过程控制系统的定义,三、过程控制系统组成分类与特点,四、过程控制系统要求与任务,五、描述过程控制系统性能指标,1、自动化技术在工业生产中的作用，大致分为三个阶段：50年代前，第一阶段（局部自动化阶段） 理论基础：经典控制理论 实现了单输入单输出系统（也出现了串级、前馈等结构较为复杂系统）。,一、生产过程自动化的发展,60年代，第二阶段（集中控制阶段） 理论基础：现代控制理论研究工业现场的非线性，耦合，时变性，出现了电子数字计算机。70年代以来，第三阶段（集散控制阶段） 基础：工业自动化控制计算机商品化、大规模集成电路和微处理器的诞生。现代工业计算机
2、和集散控制等系统大量应用。,2、结论：自动化技术已经成为工业生产过程必不可少的组成部分，并且与工业生产过程发展相互促进。计算机的出现为工业生产大型集成控制打下基础。,二、过程控制系统的定义,1、过程控制 过程工业生产过程 过程控制工业生产过程控制过程控制是工业自动化控制的其中一个重要分支。,过程控制主要针对工业现场六大参数： 温度，压力，液位，流量，成分，物性。相关领域： 石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织等等。,2、过程控制系统生产过程控制系统是:以自动控制理论为依据，以表征生产过程主要参数为被控参数，通过调节控制参数，使被控参数按照预定的要求规律变化的自动控制系统。 电气控制系统；机电一体
3、化系统等等,例1：锅炉汽包液位控制,锅炉可产生高压蒸汽，作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源，是冶金、石油、化工、电力等行业常用的重要动力设备。 产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉。,例1：锅炉汽包液位控制,锅炉汽包的作用 1 连接 2 汽水分离 3 储水和储汽 汽包液位对于保证出汽稳定，锅炉安全十分重要。,汽包液位是锅炉运行的重要指标，控制目标是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。,例1：锅炉汽包液位控制,锅炉汽包水位人工控制：,要保持锅炉汽包水位在给定值范围内，可调节输出蒸汽量或输入进水量。但输出蒸汽量是锅炉运行的主参数，一般与负载有
4、关。故汽包水位通过调节进水量改变。 操作者用眼睛观测液位计显示水位，在大脑中与预定水位比较，算出偏差大小，手动调节进水阀开度。,例1：锅炉汽包液位控制,测量求差运算操作,锅炉汽包水位自动控制：,例1：锅炉汽包液位控制,生产过程被控参数： 汽包液位 控制要求： 保持液位恒定,例2:加热炉的控制,加热炉在生产过程中往往是关键的工艺设备，其控制系统的主要作用： 维持一可以控制的燃料燃烧效率(燃料的经济性)； 保证加热炉操作的安全。加热炉最主要的控制指标是：产品的出口温度，出口流量。,产品,加热炉的流量控制：,用流量计测量原料的流量，输入流量调节器与给定值比较，其偏差经运算后送到执行器操作原料阀开度，
5、构成加热炉原料流量控制系统。该系统可保证流量的平稳，为整个工艺的稳定操作提供了有利条件。,原料,生产过程被控参数： 出口流量 控制要求： 保持流量恒定,加热炉的温度控制：,为控制出口物料的温度，用温度计测量温度，通过温度变送器输入温度调节器与给定值比较，偏差经运算后送到执行器操作燃料阀开度，构成加热炉温度控制系统。,生产过程被控参数： 出口流量温度控制要求： 保持流量温度恒定,例3：过热蒸汽温度控制,蒸汽用来驱动汽轮机作功，带动发电机产生电力。汽轮机等负载对蒸汽温度是有要求的。,过热蒸汽温度控制,生产过程被控参数： 蒸汽温度 控制要求： 保持温度恒定,例4：再沸加热炉控制,石油化工常用设备 原
6、理：通过控制火嘴加热量和排风量来控制热油的加热温度。生产过程被控参数： 热油出口温度 烟气含氧量 控制要求： 保持温度恒定 烟气含氧量一定,三、过程控制系统组成、分类与特点,1、过程控制系统组成过程控制系统=过程检测控制仪表+被控对象,过程控制系统结构,被控对象（被控参数）,控 制 装 置,例1：锅炉汽包液位控制系统,被控对象： 锅炉汽包（加热器） 过程控制仪表： 液位测量变送器；调节器；执行器,系统方框图,方框图符号含义：y(t): 工业对象被控参数，汽包液位x(t): 工业对象被控参数设定值（给定值）z(t): 被控参数的测量值，液位电压或电流e(t): 设定值与被控参数测量值之差q(t)
7、: 操作变量。能改变被控参数的量，是执行器的输出量。水流量。p(t)、u(t)： 控制信号。用于控制执行器输出操作变量的大小。电压或电流。n(t)、f(t)：被控对象的外界扰动,测量变送器：把被控参数转变成可以与设定值相比较的量。 y(t)-z(t) e(t)调节器：对偏差进行算法运算后，给出控制量。 e(t)- PID算法 p(t)执行器：执行控制量，变成对应大小的操作变量。P(t)-q(t)被控对象：通过一定大小操作变量，相应大小的改变被控参数。 q(t)-y(t),参 数 电,电 变 量,信号运算,方框图方框含义,例2：过热蒸汽温度控制系统,被控对象： 炉膛、炉筒、过热器 过程控制仪表：
8、 TB，TC（温度调节器）、执行器、减温器,系统方框图,比较两个方框图，符号和形式一样。 但是不同实际系统，符号含义不一样，方框对应的过程控制仪表不同。调节器中PID参数不同。,2、过程控制系统分类基本分类方法有两种，分别是按照系统克服干扰的方法（结构特点）和按照设定值信号特点分类。按系统克服干扰方法分类反馈控制系统前馈控制系统前馈-反馈控制系统（复合控制系统）,按设定值信号特点分类定值控制系统 设定x(t)=x0随动控制系统 设定随着另一个参数变化。例如：锅炉进气量控制系统顺序控制系统 设定随着预定的时间顺序变化。工业退火炉温度控制,3、过程控制系统特点被控过程多样包含生产范围大，产品分布广
9、，工艺不同控制方案多样本课程介绍基本的方案:单回路;串级;前馈;比值;均匀;分程;选择控制系统由过程检测控制仪表组成大部分是慢过程和参量控制慢过程:大滞后,大时延。参量控制：用参量表征过程是否正常。定值控制是主要的一种形式,四、过程控制系统任务与要求,1、工业生产对过程控制的要求安全性基本要求经济性越来越重视稳定性抗干扰能力,2、过程控制的任务在了解掌握生产过程工艺、过程的特性的基础上，按照安全性，经济性，稳定性要求，对系统进行分析综合后，采取适宜的技术手段实现。包括：系统的设计和实现,过程控制系统设计与实现1.确定控制目标2.选择被控参数及测量参敏3.选择操作变量即控制参数4.确定控制方案
10、5.选择控制算法6.选择执行器及调节阀7.设计报警和联锁保护8.调试和投运,(1)、根据工艺要求，确定控制目标比如例3，再沸加热炉控制系统中，要求保证热油出口温度稳定(2)、选择被控参数y(t)-测量参数要选择能够代表控制目标的参数：热油出口温度测量参数直接参数：与被控参数直接相关的测量值，比如出口温度间接参数：直接参数不能测量，采用测量与直接参数有函数关系的量,间接参数的例子：精馏塔（石油提炼，产品苯-甲苯混合物）原油中各种成分沸点各不相同，通过不同压力温度下蒸馏得到不同产品。（从海水中提取淡水）,固定塔压温度-苯含量 关系曲线,温度就是苯含量的间接参数,(3)、选择控制参数 q(t)一般由
11、工艺决定。比如例3，热油出口温度的控制参数为燃油的流量。当有多个控制参数可以选择时，选取安全性，经济性，稳定性最好的参数。比如例3，烟气的含氧量的控制参数可为烟道档板角度或燃油量。,(4)、确定控制方案采用哪种结构的控制系统。比如例3，再沸炉热油出口温度控制，温度控制要求不高，可以通过单回路温度控制系统（控制方案：燃油流量控制）实现。控制方案与控制目标，控制精度密切相关。上面温度控制精度高时，要考虑烟气中氧含量控制。,(5)、选择控制算法 e(t)-p(t)控制算法有：PID算法，最优算法，滤波算法，自适应算法等等控制方案和控制算法的选择是系统设计的核心内容。,(6)、选择执行器 p(t)-q
12、(t)一般是调节阀，调节阀是可以通过改变外加信号大小可以改变阀的开度大小，从而改变通过阀的气、液流量大小的器件。选择：调节阀规格、流量特性,(7)、设计报警和连锁保护-安全性为防止在故障情况下，设置报警。在严重事故情况下，需要有次序的停止各个设备的运转。称为连锁保护。比如例3，再沸炉热油出口温度控制系统，故障时，需要先关闭燃油阀，再关闭烟气的引风机和热油。否则，会因温度过高烧坏炉管。,(8)、调试和投运调试：过程控制仪表安装完成后，应该进行试运行，即调试控制仪表设备，设置必要参数，设置调节器控制算法和参数。投运：依次使整套设备投入运行。,过程控制系统设计与实现1.确定控制目标2.选择被控参数及
13、测量参敏3.选择操作变量即控制参数4.确定控制方案 5.选择控制算法6.选择执行器及调节阀7.设计报警和联锁保护8.调试和投运,五 过程控制系统的控制质量指标,相关理论回顾： 过程控制系统的过渡过程：系统的稳态和动态 1、系统的稳态： 定义：被控变量不随时间变化的平衡状态。 特点： 各个参数变化率为零；,过程控制系统的控制质量指标,2、系统的动态： 定义：系统受外来干扰或设定值改变后，各变量随时间变化的不平衡状态。 特点： 各个参数变化率不为零；稳态和平衡是暂时的、相对的、有条件的 不平衡和动态是普遍的、绝对的、无条件的。干扰不断产生，控制作用不断克服干扰的影响，所以过程控制系统处在运动之中。
14、,过程控制系统的控制质量指标,3、过程控制系统的过渡过程定义：处于平衡状态的自动控制系统受输入信号(干扰)的作用从一个稳态到另一个稳态的变化过程。 在过渡过程中，被控变量是不断变化的。影响过渡过程的因素： 与干扰类型、幅值有关； 与组成自动控制系统各个环节特性有关。,过程控制系统的控制质量指标,4、过渡过程的几种基本类型,振幅越来越大，不稳定,在稳态值附近等幅震荡，不稳定,到达最大值之后，缓慢到达稳态，稳定,较快到达最大值之后，衰减振荡到达稳态，稳定,过程控制的控制质量指标,决定过程控制系统品质的环节： 被控过程特性（固定） 控制系统结构（设计选择） 过程检测、控制仪表（设计选择）,过程控制的
15、控制质量指标,过程控制系统品质评价指标可概括为： 系统必须是稳定的； （平稳） 系统应能提供尽可能准确的稳态调节；（准确） 系统应能提供尽可能好的过渡过程。 （迅速）过程控制系统品质的用系统的性能指标描述。 控制性能指标通常采用系统阶跃响应曲线性能指标和偏差积分性能指标。 实际系统的控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定。,（1）阶跃响应曲线性能指标,阶跃响应曲线：给定值为阶跃信号系统响应曲线 典型响应曲线如下：,（1）阶跃响应曲线性能指标,衰减比n： 1. 定义：第一个波峰与同向第二个波峰之比。n=B1/B2 2. 工程意义：反映过程稳定性的指标。n1，衰减振荡；n=1， 等幅振荡；
16、n1， 发散振荡。对衰减振荡系统来说，n总是大于1的。工程上n合适的取值为4:110:1，此时系统有较好的快速性，又有较好的稳定性。n过小，系统振荡频繁，过大则被控量容易单调变化。,（1）阶跃响应曲线性能指标,衰减率 ： 1. 定义：=(B1B2) / B1=11/N 2. 工程意义：反映过程稳定性的指标。与N有对应关系，其合适的取值为0.75-0.9 。,（1）阶跃响应曲线性能指标,最大动态偏差B1 ： 1. 定义：过渡过程开始后第一个波峰超过新稳态值的幅度，即B1。 2. 工程意义：反映过程准确性的指标。偏差愈大，时间越长，离生产状态愈远，甚至引起生产事故。B1小些更好，但还要受其他因素的
17、制约。,（1）阶跃响应曲线性能指标,超调量 ： 1.定义：最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分数。 = (y (tp) y ()/ y ()*100% 2. 工程意义：反映过程准确性的指标。反映被控量偏离给定值的程度。,（1）阶跃响应曲线性能指标,余差e()： 1. 定义：过渡过程结束后，被控量新的稳态值与新的设定值之差。2. 工程意义：反映过程准确性的指标。生产中一般希望余差越小越好，但实际系统余差不可能为零。* 一般由工艺人员提出受控变量的波动范围所规定。,（1）阶跃响应曲线性能指标,调节时间ts和振荡频率f： 1.调节时间ts ：指过渡过程从开始到进入新稳态值允许误差范围之内的时间即t
18、s。允许误差范围一般为2% 5%。 振荡频率：两个同向波峰或波谷之间的时间间隔的倒数，f=1/T。 2. 工程意义：反映过程快速性的指标。余差越小越好，但实际系统余差不可能为零。,（1）阶跃响应曲线性能指标,稳定、快速、准确是相互有联系的。在实际生产过程中，应分清主次、统筹兼顾，优先满足主要质量指标。,过程控制系统的控制质量指标,(2)偏差积分性能指标：它是以控制系统瞬时误差函数e(t)的积分来评价系统的品质指标，是一类综合指标。实际上，控制质量主要由偏差e(t)来体现，相同的输入作用下，偏差越大，持续时间越长，则系统的质量越差。,(2)常用偏差积分性能指标：,1. 偏差积分 (IE) 2.
19、绝对偏差积分(IAE) 3. 平方偏差积分(ISE) 4. 时间与绝对偏差乘积积分(ITAE)5. 时间乘偏差平方积分(ITSE),(2)偏差积分性能指标,偏差积分性能指标都有一定的局限性，采用不同指标以意味着估计整个过程的侧重面不同。偏差积分性能指标有一个缺陷，即不能保证控制系统具有合适的衰减率。故应首先确定系统的衰减率，在此前提下再确定某个偏差积分指标为最小。,一、单项性能指标 衰减率、超调量、稳态误差、调节时间 二、时间积分指标IE、IAE、ISE、ITAE 小结： 1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣； 2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣； 3 根据具体生产过程的实际选用不同的指标； 4 通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。,
