1、过程控制系统 Process Control System,授课教师： 杨玲玲 讲师 联系方式： 13544324278E-Mail: ,自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。 过程控制等工程领域自动控制的理论基础是工程控制论，其奠基性著作是钱学森先生于1954年发表的工程控制论。 控制论的四大应用领域：工程控制、生物控制、经济控制和社会控制。 控制论的奠基性著作是：N.维纳于1948年发表的控制论。 维纳认为“一切有目的的行为都是需要负反馈的行为”,第一章 绪论,第一节 过程控制系统的组成及其分类 第二节 过程控制系统的特点 第三节 过程控制系统的质量指标 第四节 过程控制系统的发展概况
2、,第一节 过程控制系统的组成及其分类,过程控制的概念：,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,过程控制技术的优点：,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,一、过程控制系统的组成,过程控制系统：工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。,为保证生产安全顺利进行，必须对生产过程的各种参数进行自动控制。 过程控制是工业生产过程的自动化（人为干预和
3、控制）。 过程控制系统是工业生产过程参数（T、P、L、H）的实时控制自动控制系统。 过程控制系统=电子技术、自动控制技术、计算机技术、网络通信技术 ,1、锅炉过热蒸汽温度控制系统 控制系统组成 控制目标 过热蒸汽=Tc 原因： tTc汽轮机寿命 tTc损坏叶片 控制原理 T-Tc=e0（冷水）,锅炉过热蒸汽温度控制框图 控制参数： y(t)为被控参数； q(t)控制参数；z(t)测量信号； x(t)给定的信号；u(t) 控制信号； e(t)偏差信号； e (t) = x(t) - z(t).,锅炉过热蒸汽温度控制框图 控制过程：从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备，称为被控过程，可简称过程
4、；作用于过程且使被控参数变化的作用称为扰动。控制参数的作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰动作用企图使被控参数偏离给定值，称为外部扰动。控制系统中控制作用就是要克服外部扰动对被控参数的影响，保证其尽快回到给定值。,图1-1 锅炉汽包水位控制原理图 1汽包 2省煤器 3过热器 4给水阀门 5蒸汽阀门,2、锅炉汽包水位控制系统 ,2、锅炉水位控制系统框图 ,图1-2 过程控制系统原理框图,3. PH控制系统PHT： 检测变送器PHC：调节器被控参数：PH值控制参数：酸液流量被控过程：液槽,4. 液位控制系统HT：液位变送器HC：调节器被控参数：水位H 控制参数：进水量Q1被控过程：水
5、箱,图1-3 PH控制系统,图1-4 液位控制系统,二、过程控制系统的分类,（一）按系统的结构分类 1反馈控制系统 反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的一种过程控制系统。由于该系统由 被控量的反馈构成一个闭合回路，故又称为闭环控制系统。反馈信号也可有多个，构成一个以上闭环回路，称为多回路反馈控制系统。,2前馈控制系统 前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。它是开环控制系统，无法检查其控制效果，故不能单独应用。,3前馈反馈控制系统 前馈控制主要
6、优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量影响，前馈反馈控制利用反馈控制克服其它扰动，系统稳定时，使被控量迅速而准确地稳定在给定值上提高系统的控制质量。,（二）按给定值信号分类 1定值控制系统 工业生产过程中大多数工艺要求系统的被控量能稳定在某一给定值上，定值控制系统是应用最多的一种控制系统。若由于扰动作用，偏差一旦出现，系统便产生控制作用克服扰动对被控量的影响，使被控量稳定在给定值。 2随动控制系统 随动控制系统是被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。 3程序控制系统 程序控制系统被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。,二、过程控制系统的分类,第二节 过程控制系统的特点,1系统由过程检测控制
7、仪表组成 2被控过程的多样性 3控制方案的多样性 4控制过程多属慢过程和参量控制 5定值控制是过程控制的一种主要形式,第二节 过程控制系统的特点,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，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的,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。,第二节 过程控制系统的特点,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
8、有大惯性、大滞后、非线性特性,第二节 过程控制系统的特点,四、过程控制的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自动控制，所以过程控制多半为参量控制,第二节 过程控制系统的特点,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,第二节 过程控制系统的特点,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
9、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。,第二节 过程控制系统的特点,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。 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。,第三节 过程控制系统的质量指标,最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃信号，观察其阶跃响应的品质。阶跃响应分给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。其阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的性能指标是一致的。,第三节 过程控制系统的质量指标,第三节 过程控制系统的质量指标,1）余差C过渡过程结
10、束后，被控参数的稳态值y()与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。,C= y() - r,第三节 过程控制系统的质量指标,2）衰减比n和衰减率,设第一个波振幅为 y1、第三个波振幅为 y3,第三节 过程控制系统的质量指标,衰减比 n 和衰减率 是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。 试验证明：衰减比在 4: 1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。 衰减比n与衰减率之间有简单的对应关系： n = 4:110:1 就相当于 = 75 %90%,最大动态偏差是控制系统动态准确性指
11、标。,3）最大动态偏差A和超调量最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即: A = ymax - r,第三节 过程控制系统的质量指标,有时也采用超调量来表示被控参数偏离设定值的程度， 的定义是第一个波振幅与最终稳态值y()之比。即,4）过渡过程时间TsTs是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的5% （或2%）范围内，就认为过渡过程结束。,第三节 过程控制系统的质量指标,调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。 过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T ，其倒数称为振荡频率f = 1/ T,5）峰值时间Tp又称上升时间
12、，是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。,第三节 过程控制系统的质量指标,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,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
13、时间点 Ts = 22min,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。,二、误差（偏差）性能指标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。,第三节 过程控制系统的质量指标,t,偏差的定义存在分歧：e (t) = y(t)
14、 - y() 不能表达余差e (t) = y(t) - y(r) 如有余差则积分无穷大,第三节 过程控制系统的质量指标,偏差积分指标有以下几种形式： 偏差积分IE（Integral of Error）,缺点：不能保证系统是衰减振荡。,第三节 过程控制系统的质量指标,绝对偏差积分IAE（Integral Absolute value of Error）,排除了正负 偏差抵消的可能。,第三节 过程控制系统的质量指标,平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）,对大偏差敏感,第三节 过程控制系统的质量指标,时间与绝对偏差乘积积分ITAE（Integral of Time
15、 multiplied by the Absolute value of Error）,对调节时间敏感,第三节 过程控制系统的质量指标,控制系统的误差性能指标小结,采用不同的积分公式意味着估计整个过渡过程优良程度时的侧重点不同。ISE着重于一直过渡过程中的大误差；ITAE着重惩罚过渡过程拖得过长。 误差积分指标的缺点：不能保证控制系统具有合适的衰减率，而衰减率是人们首先关注的。,第四节 过程控制系统的发展概况,发展经历三个阶段 一、仪表化与局部自动化阶段 年代：5060年代 组成：基地仪表（多数是气动仪表）机构部件 特点：单输入单输出的单回路定值控制系统；对生产过程的热工参数，如温度，压力，流
16、量和液位进行自动控制；控制目的是保持这些参数的稳定。 理论：频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论 。,二、综合自动化阶段（局部自动化、智能化） 年代：7080年代 组成：电子仪表、智能仪表（多数是电动）机构部件 特点：大量采用单元组合仪表（包括气动和电动）和组装式仪表 ；实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；系统结构方面采用复杂控制系统，例如，串级、比值、均匀和前馈反馈控制等 。 理论：除经典控制理论外，现代控制理论以解决实际生产过程中遇到的更为复杂的问题。,第四节 过程控制系统的发展概况,三、全盘自动化阶段（集散系统、现场总线） 年代：90 组成：微型计算机 特点：对整个工艺流程
17、，全工厂，乃至整个企业集团公司进行集中控制和经营管理以及应用多台微机对生产过程进行控制和多参数综合控制。在检测变送方面，除了热工参数的检测变送以外，粘度、湿度、PH值及成分的在线检测与数据处理的应用日益广泛。模拟过程检测控制仪表的品种、规格增加，可靠性提高，具有安全火花防爆(DDZ)性能，可用于易燃易爆场合。,三、全盘自动化阶段（集散系统、现场总线） 特点：以微处理器为核心的单元组合仪表正向着微型化，数字化，智能化和具有通讯能力方向发展。过程控制系统的结构方面，也从单参数单回路的仪表控制系统发展到多参数多回路的微机控制系统。 现场总线控制系统是一种全分散、全数字化、智能化、双向、互联、多变量、
18、多点和多站的通讯和控制系统。它的出现给过程控制系统带来了一次全新的革命性的变化。是过程控制系统的发展方向。 理论：除经典控制理论外，现代控制理论以解决实际生产过程中遇到的更为复杂的问题。,电厂集控室,渭河电厂,巴基斯坦古杜电厂,核电厂,武钢,哈尔滨伊兰煤气,污水处理厂,扬子石化,自来水厂,控制柜,控制柜内部,控制柜内PLC,过程控制实验室,“过程控制系统”课程的性质和任务,一、过程控制系统课程的性质,1、是自动化专业的专业课,2、自动化仪表、微型计算机是构成过程控制的重要自动化技术工具，是实现工业生产过程自动化的重要装置，也是实现过程控制的前提,3、在工业生产过程中，将生产过程控制在最佳的工况下运行，减少原材料和动力的消耗，降低成本，实现优质、高产、低耗，保证安全生产，防止事故发生，延长设备使用寿命，提高设备利用率，减轻劳动强度，改善劳动条件，保护环境卫生，维护生态平衡,二、过程控制系统课程的任务,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及实际工程中的有关问题,3、能过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能力,作业,习题 1-2,
