1、过 程 控 制 系 统,主讲人：钱艳平 能源与电气学院,2,联系方式,办公室：勤学楼5403（江宁） 电 话：13851684797 Email ： 课堂小纸条、课间交流,3,课程性质、地位及基础课程,过程控制系统是研究自动控制系统在工业生产过程的应用的技术科学。 本课程是自动化专业的主干专业课程。 基础课程：检测技术、电力电子技术、电机及拖动基础、微机原理及接口技术和自动控制原理等等,只有在掌握上述课程相关知识后，学习本专业课才会得心应手，融会贯通。,4,课程安排,第一讲 概述 第二讲 被控过程的数学模型 第三讲 过程检测仪表 第四讲 过程执行器 第五讲 过程控制策略 第六讲 计算机过程控
2、制系统,5,参考书目,Shinskey, F.G. 著，萧德云等译，过程控制系统应用、设计与整定（第 3 版），清华大学出版社 俞金寿等编著，过程控制系统，机械工业出版社 陈夕松等主编，过程控制系统，科学出版社 等等,6,课堂纪律,上课不要迟到 上课保持安静、不要影响他人 关闭手机 上课认真听讲，要记笔记,7,成绩评定,出勤 15 抽查点名缺一次扣5分 作业 15 缺一次扣5分 考试 70,允许请假,允许补齐,8,第一讲 概 述,1.1 过程控制的任务与目标 1.2 过程控制系统的组成与特点 1.3 过程控制系统的性能指标 1.4 过程控制系统的设计方法 1.5 过程控制的进展,9,1.1 过
3、程控制的任务与目标,自动化技术应用的两个重要分支,运 动 控 制,自 动 化技 术,过 程 控 制,10,1.1 过程控制的任务与目标,自动化技术在工业过程中广泛应用,自动化技术应用于冶金工业,11,1.1 过程控制的任务与目标,自动化技术在工业过程中广泛应用,自动化技术应用于石油化工,12,1.1 过程控制的任务与目标,自动化技术在工业过程中广泛应用,自动化技术应用于电力工业,13,1.1 过程控制的任务与目标,什么是工业生产过程？,生产过程,物料,产品,物理变化 化学变化 生化反应 物质能量的传递,14,1.1 过程控制的任务与目标,举例：炼铁过程,还原过程,铁矿石,生铁,15,1.1 过
4、程控制的任务与目标,举例：炼铁过程,16,1.1 过程控制的任务与目标,过程控制(Process Control) 是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制。 主要解决 各种生产过程中的温度、压力、流量、液位(或物位)、物理特性及化学成分等参数的自动监测和控制问题,17,1.1 过程控制的任务与目标,过程控制的任务,工业生产过程,产品,原材料,自动化工具,控制理论,生产工艺 及流程,六大参数：温度、压力、流量液位、成分、物性,18,1.1 过程控制的任务与目标,过程控制的目标 安全性 越限、事故报警；连锁保护；故障预测与 诊断；容错 稳定性 抑制干扰
5、、保持生产过程的稳定运行 经济性 低成本、高效益、少能耗,19,1.2 过程控制系统的组成与特点,1.2.1 过程控制系统的组成,电加热锅炉的简易流程图,20,1.2.1 过程控制系统的组成,电加热锅炉液位人工控制方案,21,1.2.1 过程控制系统的组成,电加热锅炉液位自动控制方案,22,1.2.1 过程控制系统的组成,带控制点的工艺流程图,表示液位变送器,表示液位控制器,保护 装置,检测/ 变送,控制器,执行 机构,被控 对象,被测变量 L 液位 F 流量 P 压力 T 温度,仪表功能 T 变送 C 控制 I 指示 R 记录 A 报警,23,1.2.1 过程控制系统的组成,过程控制系统基本
6、结构图,24,1.2.1 过程控制系统的组成,例1：1）试确定乙烯裂解气温度控制系统中：被控对象、被控参数和控制参数各是什么？2）画出该控制系统的方块图。,25,1.2.1 过程控制系统的组成,例1： 1）被控对象为丙烯冷却器；被控参数为乙烯裂解 气的出口温度；控制参数为气态丙烯的流量。 2）该控制系统的方块图为：,26,1.2.2 过程控制系统的特点,被控过程（对象）形形色色； 控制过程多属缓慢过程和多参量控制形式； 控制方案的多样性，有单回路（50%以上）、串级（20%以上）、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等； 定值控制是主要控制形式。,27,1.2.
7、3 过程控制系统的分类,按系统的结构特点来分 反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统（前馈反馈控制系统） 按给定值信号的特点来分 定值控制系统 随机控制系统 程序控制系统,28,1.2.3 过程控制系统的分类,反馈控制系统 偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。 反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。,29,1.2.3 过程控制系统的分类,前馈控制系统 扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。 属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。,30,1.2.3 过程控制系统的分类,复合控制系统 充分发挥了前馈和反馈的各自优点。,31,1.2.3 过程控制系
8、统的分类,定值控制系统 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（温度、压力、流量、液位、成分等）的给定值是固定不变的。 有时可在规定的小范围附近不变。,32,1.2.3 过程控制系统的分类,随动控制系统 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。如锅炉燃烧控制系统中，要求空气量随燃料量的变化而变化，以保证燃烧的经济性。 其主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。 一般意义上的随动控制系统（Following Control System）是指位置随动系统，如火炮、导弹的位置跟踪等。,33,1.3 过程控制系统的性能指标,稳定性 稳
9、定压倒一切（最重要、最基本的需求！） 准确性 系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标） 快速性 系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）,一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，能快速、平稳、准确地达到或趋近给定值,34,1.3.1 过程控制系统性能的决定因素,控制系统结构 单回路、串级、前馈-反馈控制等； 各组成环节特性： 被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特性）； 检测环节特性（非线性、间接测量）； 执行环节特性（非线性）； 控制器特性。当系统结构和上述三个环节都确定后，控制器特性是决定系统性能的唯一因素。,35,1.3.2 过程控制系统性能的分析方法,
10、性能指标确定 过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。需同时注意稳态和动态性能指标。 分析方法 阶跃响应性能指标 误差积分性能指标,36,(一) 阶跃响应性能指标,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。,过程控制系统阶跃响应曲线,37,(一) 阶跃响应性能指标,1.衰减比和衰减率 衰减率是经过一个周期以后，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。,过程控制系统阶跃响应曲线,38,(一) 阶跃响应性能指标,1.衰减比和衰减率 一般希望过程控制系统的衰减比=4:110:1，相当于衰减率=0.75到0.9。 若衰减率 =0.
11、75，大约两个振荡后系统进入稳态。,39,(一) 阶跃响应性能指标,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（y1）。 最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。 超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。,40,(一) 阶跃响应性能指标,3.余差（残余偏差） 余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。 余差是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。,41,(一) 阶跃响应性能指标,4.调节时间 调节时间ts 是从过渡过程开始到结束的时间。 理论上应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳态值的5%
12、范围内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。,42,(一) 阶跃响应性能指标,5.阶跃响应性能指标之间的关系 有些指标之间是相互矛盾的（如超调量与调节时间）。 对于不同的过程控制系统，性能指标各有其重要性。 应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的性能指标要求。,43,(一) 阶跃响应性能指标,例2 某发酵过程工艺规定操作温度为405。 试确定该系统的余差（稳态误差）、衰减比、超调量和调节时间。,44,(一) 阶跃响应性能指标,例2 稳态误差 ess=41-40=1 衰减比 第一个波峰值=45-41=4；第二个波峰值=42-41=1 超调量=（45
13、-41）/41=9.75% 调节时间=20min（误差带为2%）。,45,(二) 误差积分性能指标,1. 基本概念 该指标是过渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积分 无论是误差幅度大或者时间拖长都会使误差积分增大 该指标是一类综合指标，希望愈小愈好,46,(二) 误差积分性能指标,2. 常用类型 (1) 误差绝对值积分IAE（Integral of Absolute Error）,e(t)=y(t)-y(); 着重于抑制过渡过程中的大误差;,47,(二) 误差积分性能指标,2. 常用类型 (2) 误差绝对值与时间乘积的积分ITAE（Integral of Time and Absol
14、ute Error）,用以降低初始大误差对性能指标的影响； 强调了过渡过程后期的误差对指标的影响；着重惩罚过渡过程拖得过长； 突出快速性的要求；,48,(三) 几点说明,阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但如何统筹（兼顾偏差和时间），则比较困难。 误差积分性能指标可综合误差和时间关系，即可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各单项指标，属于综合性能指标。 一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定，在工程应用中使用广泛；而误差积分性能指标则更便于计算机控制、仿真和理论分析。,49,1.4 过程控制系统的设计方法,设计的首要条件 花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性
15、。 设计步骤 （1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量； （2）确定控制方案； （3）选择硬件设备； （4）选择控制算法，进行控制器设计； （5）设计报警、联锁保护系统; （6）系统的调试及投运;,50,1.4 过程控制系统的设计方法,火嘴,燃 油,热油出口,待加热油,引风机,烟气,进风,薄膜式调节阀,燃 油 加 热 炉 流 程 图,3005C,目标 油温稳 油温和含氧量稳 油温稳且 热效率高（烟温、含氧量、一氧化碳）,51,1.5 过程控制的进展,1.5.1 过程控制装置的发展,手工操作 基地式气动仪表 电动、气动单元组合模拟仪表 集中式控制 集散控制 现场总线控制,20世纪40年代以前 2
16、0世纪50年代前后 20世纪60年代初期 20世纪60年代中期 20世纪70年代中期 近年来,规模由小到大，结构由简单到复杂,分散化、网络化、智能化,52,1.5.1 过程控制装置的发展,计 算 机,生 产 过 程,采 样 设 备,多 路 转 换,A/D,D/A,M1,MN,E1,EN,显示 打印 记录,53,1.5.1 过程控制装置的发展,生 产 过 程,数据 采集器,扩展 控制器,基本 控制器,DEP 面板,高速数据通道,CRT操作站,监控计算机,管理计算机,DCS系统,54,1.5.1 过程控制装置的发展,现场总线控制系统结构,55,1.5.2 过程控制理论的发展,过程控制策略与算法出现
17、了三种类型： 简单控制单回路PID控制应用广泛，许多DCS和PLC系统均设有PID控制算法软件，或PID控制模块。 复杂控制（50年代始）串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等,56,1.5.2 过程控制理论的发展,过程控制策略与算法出现了三种类型： 先进控制（80年代始）1、解耦控制、推断控制、预测控制、自适应控制制等2、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等智能处理方法,57,第一讲 小结,过程控制对象 过程控制主要是指连续过程工业的控制，其被控量是温度、压力、流量、液位（或物位）、物理特性和化学成分。 过程控制系统组成 过程控制系统一般由控制器（调节器）、执行机构、参数检测与变送仪表、被控过程（或对象）以及相关的报警、保护和连锁等其它部件组成。,58,第一讲 小结,过程控制特点 被控过程的多样性、控制方案的多样性、慢过程、多参数控制以及定值控制。 过程控制性能指标 阶跃响应性能指标、误差积分性能指标,
