1、过程控制系统 Process Control System,主讲：王红旗 电气工程与自动化学院 电话：15993790676,课程性质及考核,自动化专业必修课 考试（80%+20%）闭卷教材：过程控制工程，第2版，化学工业出版社，王树青，国家级规划教材。,1,过程控制工程课程的任务,1、了解连续工业过程的生产特点及要求。,2、应用自动控制理论、控制技术和自动化仪表来设计过程控制系统，解决实际工程中的有关问题。,3、能解决过程控制工程中的一般问题，具有分析和设计比较复杂的过程控制系统的能力。,主要内容（2 学时）1.1 过程控制及其特点1.2 过程控制的性能要求 1.3 过程控制系统的组成 1
2、.4 过程控制系统的发展概况 1.5 过程控制的方法分类1.6 过程控制系统案例,第一章 绪 论,典型过程控制,1.1 过程控制及其特点,过程控制-采用化学、物理方法将原料加工成产品的过程, 涉及过程操作和设备。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。,8、提高市场竞争能力等,1、自动化技术的重要组成部分,2、实现各种最优技术经济指标,3、提高经济效益和社会效益,4、提高劳动生产率,5、节约能源,6、改善劳动条件,7、保护环境卫生,过程控制技术的优点：,1,过程控制的特点,一、连续生产过程的自动控制,连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控
3、制，而且应是连续可调的,1,二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成,过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。 一个过程控制系统是由被控和过程检测控制仪表两部分组成。,1,三、被控过程是多种多样的、非电量的,现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。,1,四、控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制,因为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和
4、自动控制，所以过程控制多半为参量控制,1,五、过程控制方案十分丰富,单变量控制系统、多变量控制系统；仪表过程控制系统、计算机集散控制系统；复杂控制系统，满足特定要求的控制系统。,1,六、定值控制是过程控制的一种常用方式,过程控制的目的： 消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低耗能的目标。,1.2 过程控制性能要求,过程控制要求-在设定值发生变化或受到外界扰动作用时，被控量应能平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。,1.2 过程控制性能要求,稳定性-首要指标,快速性-当控制系统受到干扰影响时，控制系统能尽快地做出响应，改变控制量，使被控量与
5、设定值之间有偏差的时间尽可能短.,准确性-控制系统的被控量与设定值之间的偏差,偏离度-被控量偏离设定值的离散程度,t,O,1.2 过程控制性能要求时域性能,时域性能指标-阶跃输入信号作用下，控制系统输出响应曲线表示的控制系统性能指标。,ts,衰减比,衰减率,振荡过程的衰减程度，衡量稳定度 n=1:1,等幅振荡，临界稳定 n1:1,衰减振荡，稳定 n1:1,发散振荡，不稳定,一般控制要求：n=4:1或10:1;=0.75或0.9（两周期后趋于稳定）,1.2 过程控制性能要求时域性能,超调量,余差,调节时间,从扰动开始到被控量进入稳态值的5%或2%范围内的时间.,均值=0；标准差=0.5,1.2
6、过程控制性能要求时域性能,偏离度-被控量的统计特性，通常遵循正态分布。若采用被控量的均值a作为设定值，则偏离度采用其标准差度量。,均值=0；标准差=1,误差积分(IE)误差绝对值积分(IAE) 适用于衰减或无静差系统误差平方值积分(ISE) 会产生振荡响应误差绝对值与时间乘积的积分 (ITAE) 解析解不易获得,1.2 过程控制性能要求综合性能,1.2 过程控制性能要求,一个过程控制系统正常运行的重要准则： 1）负反馈准则：控制系统成为负反馈的条件是该控制系统各开环增益之积为正。 2）稳定运行准则：在干扰量作用下或设定值变化时，控制系统静态稳定运行条件是控制系统各环节增益之积基本不变；控制系统
7、动态稳定运行条件是控制系统总开环传递函数的模基本不变。,给定,测量值,控制信号,被控量,控制量,扰动,偏差,1.3 过程控制系统组成,1,第一个阶段,50年代前后：实现了仪表化和局部自动化,其特点：,1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表 2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统 3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数 4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减少主要扰动对生产过程的影响 5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题,1.4 过程控制系统发展概况-体系结构,1,第二个阶段,6
8、0年代来：大量采用气动和电动单元组合仪表,其特点：,1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能，适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统 2、计算机系统开始运用于过程控制 3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统（串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制） 4、在过程控制理论方面，现代控制理论的得到了应用,1.4 过程控制系统发展概况-体系结构,1,第三个阶段,70年代以来：现代过程控制的新阶段计算机时代,其特点：,1、对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算系统进行多参数综合控制 2、自动化技术工具方面有了新发展，以微处理器为核心的智
9、能单元组合仪表和开发和广泛应用 3、在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用 4、集散控制系统的广泛应用,1.4 过程控制系统发展概况-体系结构,1,第四个阶段,80年代以后：飞跃的发展,其特点：,1、现代控制理论的应用大大促进了过程控制的发展 2、过程控制的结构已称为具有高度自动化的集中、远动控制中心 3、过程控制的概念更大的发展,1.4 过程控制系统发展概况-仪表,（1）基地式仪表把检测、显示和调节（控制）等环节放在一个表壳里，通常就地安装。功能较完全，可以减少管线连接所导致的滞后；常用于就地调节系统和单机的局部控制系统。 （2）单元组合式仪表实现某种功能的独立单元仪表：变送单元、转换单元
10、、控制单元、运算单元、显示单元、执行单元、给定单元和辅助单元。各单元之间采用统一的标准信号彼此联系；可以灵活组合，通用性强； 适用于中、小型企业的自动化系统。 （3）智能仪表以微处理器为核心；精度、稳定性与可靠性均比模拟式仪表优越。可输出全数字信号或模拟数字混合信号。,1.4 过程控制系统发展概况-策略,（1）经典控制策略：20世纪50年代以前基础：微分方程和传递函数方法：时域分析方法、S域分析方法和频域分析方法。PID控制策略构成的简单控制模式。 （2）现代控制策略：20世纪60年代以后基础：状态空间表达式方法：最小二乘法为基础的系统辨识、以极小值原理和动态规划为基础 的最优控制、以卡尔曼滤
11、波理论为核心的最优估计等。 （3）复杂控制策略：20世纪70年代以后核心思想：系统分解与协调、多级递阶优化与控制。重心：有限维-无穷维，确定性-不确定性和随机性，线性-非线性 方法：非线性控制、自适应控制、鲁棒控制、随机控制、专家系统、模 糊控制、神经网络控制、学习控制等。,反馈控制系统前馈控制系统复合控制系统,1.5 过程控制方法分类结构特点,以偏差为依据，以减少或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不及时。！闭环,反馈控制系统,扰动作为依据，以减少扰动对被控量的影响。无法消除偏差。！开环,前馈控制系统,前馈能及时克服主要扰动的影响 反馈能检查控制效果，提高控制质量,
12、复合控制系统,定值控制系统给定值固定不变 恒温箱控制随动控制系统给定值随时间变化被控量要跟踪给定值雷达跟踪 顺序控制系统给定值按预定程序变化空调预设温度,1.5 过程控制方法分类设定值信号,目的：保持被控量稳定在给定值，能克服扰动对被控量的影响。,1.6 过程控制系统案例,开环控制系统基本结构,1.6 过程控制系统案例,开环控制框图,1.6 过程控制系统案例,换热器热流体出口温度控制系统,1.6 过程控制系统案例,换热器热流体出口温度控制系统框图,1.6 过程控制系统案例,水箱单容液位定值控制系统,1.6 过程控制系统案例,双容液位定值控制系统,1.6 过程控制系统案例,单闭环流量控制系统,1.6 过程控制系统案例,盘管流量纯滞后控制系统,
