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过程控制系统 第1章

过程控制系统 第1章

1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续）

1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的 优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相 结合，逐步发展形成了大系统理论 （Mohammad，1983）。
核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与
控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的 典范。 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与 框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系 统仍然束手无策。
③操纵变量：受控制器操 纵的用以克服干扰的影 响，使被控变量保持设 定值的物料量或能量 （流过控制阀介质的流 量）。 ④扰动：除操纵变量外， 作用于被控过程并引起 被控变量变化的因素 （使被控变量偏离
图7-4 锅炉汽包水位控制
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
⑤设定值：工艺参数 所要求保持的数值 ⑥偏差：被控变量设 定值与实际值之差
蒸汽 汽 包
给水
操作人员所进行的工作有三方面:
①检测
用眼睛观察玻璃管液位计液位的高 低,并通过神经系统告诉大脑. 大脑根据眼睛看到的液位高度 , 加以思考分析 , 然后根据操作经 验,经思考决策后发出命令。 根据大脑发出的命令 , 通过双手去 改变阀门开度.
②运算、命令 ③执行
2 自动控制
自动化装置的三个部分分别是 ： ①测量元件与变送器
控制变压器活动触点的位 置即改变了输入电压，则 通过电阻丝的电流将产生 变化，使恒温箱得到不同 的温度。 被控变量是恒温箱的温度， 经热电偶测量并与设定值 比较后，其偏差经过放大 器放大，控制电动机的转 向，然后经过传动装置， 移动变压器的活动触点位 置。结果使偏差减少，直 到温度达到给定值为止。
随动控制系统
1.2.4 控制系统的分类

高等过程控制-第1章绪论

高等过程控制-第1章绪论

☆工业生产过程的目标 在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将
原材料加工成预期的合格产品。
原材料
理想条件
合格产品
干扰
控制
产品？
过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
过程控制
☆过程控制的任务：
在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性基础基 础上，应用理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物 流变化信息量作为被控量，选用适宜的技术手段，实现生 产过程的控制目标。
最大动态偏差ym或超调量 衰减率衰减比n
静态偏差 y()或e()
时域指标
1．静态偏差y()或e()
静态偏差，也称余差，是指被调量的稳态 值与给定值的长期偏差。
e()= r()—y() 静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指 标之一，它反映了控制系统的调节精度 。
2．控制过程时间（调节时间，回复时间）ts
对于定值控制系统，控制过程时间是指阶跃响应曲 线由开始起到最后一次进入偏离稳态值为±△范围，并 且以后不再越出此范围的时间即 t≥ts 时 ｜ y（t）－ y（∞）｜≤ △ ， △= 5%或2%
（5%y1或2%y1）
对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其 稳态值之差不超过稳态值的±5%或±2%所需要的时间， 就认为控制过程已经结束。即 t≥ts 时 y（t）－ y（∞）≤ ±5%y（∞）
二、什么是高等过程控制？
1、由来
为实现上述工业生产过程的目标
工业自动化
现代化大型企业过程控制已采用先进的DCS系统
但是 绝大多数控制回路仍采用PID控制
（Proportional Integral and Differential）
据报道：85% —95%控制回路采用传统PID控制； 约5% —15%控制回路PID控制不能奏效或效果不好 Why？

过程控制

过程控制
第一章 过程控制系统 绪 论 基本概念
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ 型和电动Ⅰ型）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S

过程控制第1章_绪论

过程控制第1章_绪论

36
§1-3 方块图与流程图
反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。
若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统
1

一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 ．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换 热器 2 ．燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。典型设备：加热炉
2
一、生产过程及其特点 3 ．化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的 产品的反应过程。典型设备：反应器
按被控变量的名称分类 温度，压力，流量，液位，成分等控制系统
按被控变量的数量分类 单变量控制系统，多变量控制系统
按控制器的控制规律分类 比例P控制系统，比例积分PI控制系统，比例微积分PID 控制系统 按控制系统的结构分类 反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈控制系统，
21
二、过程控制系统的分类
41
§1-3 方块图与流程图
图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图
图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。
42
§1-3 方块图与流程图 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所 处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件 的名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈， 并在其中标有仪表位号。 仪表位号由字母代号和数字编号组成，如下例所示：

过程控制系统课件第一章绪论(共67张PPT)

过程控制系统课件第一章绪论(共67张PPT)
系统稳态准确性的指标。
C= y(∞) - r
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程控制系统的质量指标
2）衰减(shuāi jiǎn)比n和衰减率
ψ
设第一个波振幅
(zhènfú)为 y 、第三个波振幅为 y
1
3
y1y3
1

1
y1
过程
(guòchéng)
控制系统
Process Control System
共六十七页

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(shēngwù)控制、经济
y()
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程(guòchéng)控制系统的质
量指标
4）过渡过程时间Ts
Ts是指从过渡过程开始(kāishǐ)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。
统的控制质量。
共六十七页
y(t )
二、过程控制系统
的分类
(kònɡ zhìxìtǒnɡ)
（二）按给定值信号分类
1．定值控制系统

过程控制- 第1章绪论

过程控制- 第1章绪论
经济性： 要求生产成本低而效率高。
稳定性：系统具有抑制外部扰动，保持生产过程长期稳 定运行的能力。
过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和自 动化仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。
以具体实例来说明过程控制任务的具体实现
1.确定控制目标 ⑴ 在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定。
⑵ 在安全运行条件下，保证热油出口温度和烟气 含氧量稳定。
㈡ 按给定值的信号特点分类
1.定值控制系统 x（t）=常数 2.随动控制系统 x（t） =RND（t） （自动跟踪系统）
目的是使所控制的工艺参数准确快速地跟随给定 值变化。 3.程序控制系统 x（t） =f（t） （顺序控制系统）
退火炉温度控制系统的给定值： 按升温、保温与逐次降温等程序自动变化的。
ISE e2 t dt min 0
时间乘误差的平方积分（ITSE）
ITSE te2 t dt min 0
误差绝对值积分（IAE）
IAE
0
e
t
dt
min
时间乘误差绝对值的积分（ITAE）
ITAE
0
t
et
dt
min
工艺管道及工艺流程图
控制流程图符号意义
序号
安装位置
图形符号
备注
周四现场教学分组：
学号 1001～1028 1029～1057 1058～最后
时间 8:30 ～9:00 9:00 ～9:30 9:30 ～10:00
地点：机电楼C129
回路编号
被测变量
工段号
功能
1.字母代号 2.仪表位号的书写规则
控制流程图字母意义
字
第一位字母
后继字母 字
母 被测变量 修饰词 功能 母

过程控制第一章绪论 ppt课件

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返回本节 36
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第2讲
第三节 过程控制系统的组成及其分类
一、过程控制系统组成
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37
人工控制
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工控制示意图
人工/自动
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自动控制
给水 w h 蒸汽 D
测量单元
执行单元
控制单元
给定单元
（1）局部自动化阶段 （20世纪 50～60年代）
自动化仪表安装在现场生产设 适用于小规模、局部过程控制。
备上，只具备简单的测控功能。
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12
（2）模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代 ） 特点： 自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需 控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参
第三章 简单过程控制系统
第四章 复杂过程控制系统
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54
主要参考书
施仁， 《自动化仪表与过程控制》 电子工业出版社 ，2003 孙优贤， 《工业过程控制技术 》 化学工业出版社 ，2006 陈夕松 ， 《过程控制系统》， 科学出版社，2003 刘元杨， 《自动检测和过程控制》 冶金工业出版社 ，2003 金以慧，《过程控制》，清华大学出版社
以不变性原理为理论基础，直接根据扰动量的大小进行工 作，扰动是控制依据，及时克服扰动对被控量的影响。它 是一种开环控制，实际中一般不能单独使用。
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49
3）复合控制系统
将前馈和反馈控制结构结合起来，充分利用开环前馈和反馈 控制两者的优点，大大提高控制质量
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50
2、按给定值信号特点来分类

过程控制技术PPT课件

过程控制技术PPT课件
1.1 过程控制发展简介
过程控制经历了基地式仪表、单元组合仪表、计算机直接数字控制、集散控制、现场总 线和网络控制等几个时期，可将它们大致划分为三个阶段。 1.1.1仪表控制阶段
这个阶段分为基地式仪表和单元组合仪表两个时间段。
1
20 世纪 40 年代前，过程工业生产处在初级阶段，许多作业流程靠手工、凭经验进行。 50年代前后，生产控制开始采用笨重的基地式仪表（Instruments on Base）随设备就地分散 安装，一套生产设备，一套体积不小的检测与控制仪表伴随，不同系统之间没有什么联系，测 量与控制内容大多是一些热工参量的定值控制，其目的是要保证产品质量和数量的稳定。
最大动态偏差maximumdynamicdeviation与超调在阶跃响应中响应曲线被控量随时间的变化规律偏离最终稳态值的最大幅度数值就是最大动态偏差通常是响应的第一个波峰与稳态值的距离如图12中最大偏差占响应曲线稳态值的百分比称为超调量overshoot显然最大动态偏差与超调量之间具有相同的物理含义区别是
Control）等。这对于提高产品质量和生产能力起到了积极的促进作用。
3
1.1.3 网络过程自动化阶段
进入 20 世纪 80 年代以后，集散控制系统进一步发展，同时出现了具有一定智能的仪表 和执行机构。到 80 年代末、90 年代初期，现场总线控制系统（Field-bus Control Systems, FCS）问世，它突破了集散控制系统采用通信专用网络的局限，采用公开化、标准化的网络协 议，实现不同网络的互联互通；它保留集散控制系统的分散布置特点，将集中控制功能彻底下 放到现场，同时加强现场信息采集、数据计算和故障诊断等自治能力。它的基层网络不仅联接 现场检测与控制设备，而且沟通与上层网络的联系，进一步增强了生产现场的控制能力，提高 了系统的灵活性和可靠性。它主要由三部分组成：现场智能仪表、控制器和总线监督与组态计 算机组成。典型的现场总线产品有：Profibus 、基金会现场总线（Foundation Fieldbus, FF）、LonWorks 总线、CAN 总线（Control Area Network）和 HART总线（Highway Addressable Remote Transducer）。
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02.03.2021
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直接数字控制系统
直接数字控②分时方式控制
02.03.2021 ③灵活性、多功能性，控精品制课由件计算机完成．
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计算机监控系统
02.03.2021
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(3) 第三阶段 (第三代控制理论) 特点: ① 可靠性高，价格低． 由于计算机，大规模集成电路技术的发展，使计算机功能更强， 价格大幅度降低. 在采用了冗余技术, 软硬件自诊断功能等措施 后，可靠性提高到基本上能够满足工业控制的要求 ② 多学科相互交叉, 相互渗透. 突破了局部控制, 进入到全局控
可以看到，控制策略是随控制目标和控制精度要求而不同的．
02.03.2021
精品课件
14
5) 选择控制算法 控制算法由控制方案确定 常见的控制算法有：PID控制，解藕控制，最优控制等 如加热炉热油温度控制，可采用PID控制．
6) 执行器的选择
在自动控制系统中,执行器的作用是按控制器的命令, 直接控制能量或物料 等被测介质的输送, 是自动控制系统的终端执行部件, 一般由执行机构, 调节机构两部分组成．按使用能源种类可分为气动，电动，液动三种．
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u---调节器输 D---干扰
6
(2) 第二阶段 (现代控制理论)
1) 理论基础: 状态空间分析方法, 包括以最小二乘法为基础的系统辩 识, 以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波
理 论为核心的最佳估计等．
2) 优点： ① 能够深入揭示系统内在的规律性, 从局部控制进入到一定意义下 的全局最优 ② 在结构上已经从单环扩展到适应环, 学习环．
输 入单输出的控制系统
3) 缺点： ① 只能满足于保持生产的稳定和安全，属于局部自动化范畴 ② 依赖手工和经验
02.03.2021
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简单控制系统方框图
r ---给定值(模拟,数字) e---偏差 (e=r-ym) 出
μ---执行器输出
y---被调量实际值
02.03.2021
ym---被调量的测量信号
过 程控 制
02.03.2021
精品课件
1
绪论
一 生产过程自动化的发展概况和趋势 1) 过程控制定义 2) 自动化技术发展简介
二 过程控制的任务和要求
02.03.2021
精品课件
2
一 生产过程自动化的发展概况和趋势
1. 过程控制定义： 通常是指石油,化工,电力,冶金,轻工,建材和核能等工业生产中连续或
按一定周期进行的生产过程自动控制,它是自动化技术的重要组成部分．
2. 针对参数：温度,压力,流量,液位(物位),成分和物性
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3
3. 工业生产对过程控制的要求
① 安全性 （最基本，最重要要求） 在整个生产过程中，确保人身和设备的安全 保证措施：参数越限报警, 事故报警, 联锁保护, 在线故障预
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加热炉控制流程图
12
2) 选择测量参数(被调量)
无论采用什么控制方案，都需要通过某些参数的测量来控制和监视整个 生产过程．参数由目标确定．如需温度稳定，就肯定要检测温度参 数．确定了参数，应选择合适的测量元件和变送器．
有些参数难以直接测量,则应通过测量与之成一定关系的另一些参数来获 取
3) 操作量的选择
的 方案就可以满足要求．
② 对于第二个目标，需要烟气含氧量稳定，则可以再加一个烟气含氧 量简单控制系统，用两个单回路来完成控制任务．
③ 对于第三个控制目标，除了分别对温度和含氧量采用定值控制外，
含氧量的设定值还应该保证加热炉热效最高。这需要建立燃烧过程
数学模型，使之在不同工况下，均能依靠调整含氧量设定值保持加 热炉热效率最高．
要设计过程控制系统，首先必须了解 控制目标．对于给定的被控过程，可 以根据具体情况提出各种不同的控制 目标.本例中可以有几个目标:
① 在安全运行的条件下，保证热油
出口温度稳定
② 在安全运行条件下，保证热油出 口温度和烟气含氧量稳定
③ 在安全运行条件下，保证热油出
口温度稳定,而且加热炉热效最
高
02.03.2021
测和 诊断, 设计容错控制系统．
② 经济性 使生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少, 即低成 本高效率. 通过实现生产过程局部或整体最优化来实现．
③ 稳定性 系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力
02.03.2021
精品课件
4
4.自动化技术发展概况 (三个阶段)
(1) 第一阶段 (经典控制理论) 1) 理论基础：传递函数 (被控系统的数学描述) 根轨迹法和频率法 (对系统进行分析和综合) 2) 设计方法：将复杂的生产过程分解为若干个简单过程，实现单
3) 缺点: ① 由于当时计算机技术的限制, 计算机控制处于试验阶段
② 现代控制理论与工程实际之间有较大差距: 建模困难, 性能指标 不
易确定, 控制策略缺乏.
现代控制理论是人们对控制技术在认识上的一次质的飞跃,为实现高水平的 自动化奠定了理论基础. 同时, 电子计算机的发展为实现工业自动化提供了 重要的技术手段. 出现了直接数字控制(DDC)系统和计算机监控系统．
制.
英文缩写
DDC－－直接数字控制 (Direct Digital Control)
DCS－－分布式/集散控制 (Distributed Control System)
CIPS－－计算机集成过程(生产)系统 (Computer Integrated Produc
02.03.2021
-tion System) 精品课件
一般情况下，操作量都是工艺规定的，设计中没有多大的选择余地．但在 有多个操作量和被调量的情况下，用哪个操作量去控制哪个被调量还是需 要认真选择的．
4) 控制方案的确定
控制方案是随控制目标和控制精度要求而不同的,它是整个设计过程中的关 键步骤
02.03.2021
精品课件
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① 如果采用的是第一种方案，即：在安全运行的条件下，保证热油出口 温度稳定．那么只要对炉子进行人工调整，使之不冒黑烟，不熄火， 保证一定的安全性和经济性，然后采用热油出口温度简单控制系统
10
二 过程控制的任务和要求
任务：在了解掌握工艺流程及生产过程的静态和动态特性的基础上，根据 安全性，经济性，稳定性的要求，应用理论对控制系统进行分析和 综合，最后采用适宜的技术手段加以实现．
要求： 安全性，经济性，稳定性
02.03.2021
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过程控制系统的设计步骤：
1) 确定控制目标