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1、1,1,过程控制工程,电气与自动化工程学院,2,联系方式,办公室：电力电子技术实验室（百工楼428）,电子邮箱：,手机：,3,关于课程结构,自动化仪表,过程控制,检测仪表 第2章,执行器 第3章,控制器 第5章,过程特性 第4章,控制系统 第7、8、9章,控制策略 第5、6章,4,控制系统到底做什么？,5,控制工程与其他相关学科,6,本课程的教学要求,了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法掌握过程对象的建模方法掌握PID类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合了解控制系统的设计与实施,7,3,第1章 过程控制系统概
2、述,过程控制系统的组成和特点,过程控制系统的分类和区别,过程控制的阶跃响应指标,主要内容,过程控制的发展,本课程的地位和任务,8,传感测量：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀,差压传感变送器电动调节器自动调节阀,控制在日常生活中无处不在！,1.1 过程控制系统组成及特点,控制系统的由来,1.1.1 过程控制认识,9,4,1.1 过程控制系统组成及特点,1.1.1 过程控制认识,1.过程控制,根据工业生产过程的特点，采用自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。,2.工业生产过程,离散过程：火箭、机械加工、汽车制造等,连续过程：化工、石油、冶金等,温度
3、、压力、流量、物位和成分等变量。,被控参数,10,1.1 过程控制系统组成及特点,3.过程控制的认识,EX1:球磨给矿过程控制,工作过程,存在问题,解决办法,11,球磨给矿过程控制系统方框图,1.1 过程控制系统组成及特点,以流量为被控参数的工业生产过程控制系统，通过给矿过程的自动控制稳定产量，并为后续工艺质量的控制提供基础。,总结,12,1.1 过程控制系统组成及特点,13,1.1 过程控制系统组成及特点,化工行业硫酸生产工艺中，SO2主风机以前采用手动调节蝶阀开度，控制风机出口压力，压力波动大。采用变频器，调节风机转速来稳定压力，具有显著的节能效果。,EX2:硫酸工艺过程控制,14,1.1
4、 过程控制系统组成及特点,硫酸工艺流程过程控制系统方框图,4.过程控制目的,抑制外界扰动的影响，确保过程的稳定性，使生产过程的工况最优化。,15,1.1 过程控制系统组成及特点,1.1.2 过程控制系统组成,被控变量-CV(Controlled Variable),设定值-SP(Setpoint),操纵变量-MV(Manipulated Variable),扰动变量-DV(Disturbance Variable),控制变量-Control Variable,测量信号-Measurement,过程控制系统的重要术语,16,1.1 过程控制系统组成及特点,1.1.2 过程控制系统组成,问题：指出
5、每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？,17,1.2 过程控制系统分类及性能指标,图示乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯流量使温度控制在（151.5）。,EX3:丙烯冷却器过程控制,18,1.2 过程控制系统分类及性能指标,1.指出系统中被控过程、被控参数和控制参数各是什么？,2.试画出该控制系统的组成方块图。,被控过程为丙烯冷却器；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。,19,在示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。,3.试比较示意图和方块图，说明控制参数的信号流向与 物料的实际流
6、动方向不同。,在方块图中，气态丙烯作为控制参数，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。,20,1.1 过程控制系统组成及特点,1.1.3 过程控制的特点,生产过程,传热过程,燃烧过程,化学过程,精馏过程,传质过程,换热器、加热器、再沸器,锅炉、冶炼炉、加热炉,各类化学反应设备,提纯或分离，精馏塔,不同组分的分离与结合,21,板翅式换热器,盘管式换热器,过程控制生产装置,22,铜矿冶炼炉,过程控制生产装置,23,萃取装置,污水汽提装置,过程控制生产装置,24,1.1 过程控制系统组成及特点,1.1.3 过程控制的特点,被控过程复杂多样。控制方案多样性。控制过程多属缓慢过程，存在滞后和非线性。有定值控制
7、和随动控制，定值控制是主要控制形式。控制过程由规范的检测变送、控制和执行装置组成，实现生产过程的自动监控。,25,1.2 过程控制系统分类及性能指标,1.2.1 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 随动控制系统,26,1.反馈控制系统,偏差值是控制的依据，控制目的是减小或消除偏差。属于闭环控制系统，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）。,1.2 过程控制系统分类及性能指标,27,2.前馈控制系统,1.2 过程控制系统分类及性能指标,扰动量是控制的依据，控制目的是
8、及时抑制干扰。属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。,28,3.闭环与开环系统,1.2 过程控制系统分类及性能指标,EX4:列管式换热器过程控制,蒸汽流量控制系统,进料流量控制系统,29,1.2 过程控制系统分类及性能指标,闭环控制系统,开环控制系统,闭环控制系统,30,“反馈”是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制！开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。,1.2 过程控制系统分类及性能指标,总结,31,1.2 过程控制系统分类及性能指标,4.复合控制系统,充分发挥了“前馈”和“反馈”的各自优点。,32,1.2 过
9、程控制系统分类及性能指标,5.定值和随动控制系统,定值控制系统是被控量（温度、压力、流量、液位、成分等）的给定值是固定不变的过程控制系统。有时可在规定的小范围附近不变。,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。主要作用是克服扰动，使被控量随时跟踪给定值。,33,1.2 过程控制系统分类及性能指标,1.2.2 过程控制的性能指标,过程控制系统的性能由组成系统的结构、被控过程与过程仪表（测量变送、执行器和控制器）各环节特性所共同决定的。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：,34,1.2 过程控制系统分类及性能指标,一个性能良好的过程控制系统，在受到外来
10、扰动作用或给定值发生变化后，应能迅速、平稳、准确地达到或趋近给定值。过程控制系统性能的评价指标可概括为：系统必须是稳定的系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）；系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。,1.过程控制系统的性能评价,35,1.2 过程控制系统分类及性能指标,2.性能指标的确定和分析方法,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。需同时注意静态和动态性能指标。分析方法：1.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；2.偏差积分性能指标，计算机仿真时采用。,36,1.2 过程控制系统分类及性能指标,典型的控制系统过渡过程曲线,不稳定,稳定,37,1.2 过程控制系统
11、分类及性能指标,阶跃扰动作用下衰减振荡过渡过程,过渡时间,稳态误差,衰减比,给定值,稳态值,超调量,38,1.2 过程控制系统分类及性能指标,零或越小越好。,静态性能指标,动态性能指标,1.衰减比:2.超调量:3.过渡过程时间:,稳态误差:,取衰减比为4:110:1,越小越好,越小越好,39,1.2 过程控制系统分类及性能指标,EX5:阶跃响应性能指标的求取,某发酵过程工艺规定操作温度为805。试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和过渡过程时间。,40,1.2 过程控制系统分类及性能指标,稳态误差ess=80-81=-1衰减比n=B1:B2=7:1 第一个波峰值B1=88-81=7；第二个波
12、峰值B2=82-81=1；超调量=（88-81）/81=8.64%过渡过程时间ts=18min,给定值,稳态值,41,1.2 过程控制系统分类及性能指标,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。偏差积分性能指标可综合偏差和时间关系，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；而偏差积分性能指标则更便于计算机仿真和理论分析。,3.阶跃响应和偏差积分性能指标的比较,42,1.3 过程控制技术的发展,1.3.1 控制系统的发展史,开大阀门还是逃命？,温度指示,手动操作机械装
13、置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯,冷却阀,由人直接根据指示来调节阀门,43,1.3 过程控制技术的发展,手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯,浮子用来测量液位,闸门的位置决定流量,支点的位置决定：闸门的变化/液位变化,怎样改变设定值？,变量的值由装置的位置来表达,1.3.1 控制系统的发展史,44,1.3 过程控制技术的发展,1.3.1 控制系统的发展史,手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯,管道中的信号为3-15psi的气压,气压改变阀门开度,怎样执行PID计算？,变量大小与气压成比例(50 150=3 15psi)。,45,1.3 过程控制技术的
14、发展,1.3.1 控制系统的发展史,手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯,电线中的信号为4-20mA的电流,电流转变为气压来操纵阀门,怎样执行PID计算？,变量大小与电流或电压成比例(50 150=4 20mA)。,46,手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯,电线中的信号为4-20mA的电流,电流转变为气压来操纵阀门,采用电动信号传输进行数字计算,1.3 过程控制技术的发展,1.3.1 控制系统的发展史,47,1.3 过程控制技术的发展,1.3.1 控制系统的发展史,手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算数字计算和通讯,电流转变为气压来操纵阀门,数字PID
15、,信号采用数字传输,信号在局域网中传输，传感器和阀门也可带有微处理器！,48,1.3 过程控制技术的发展,控制在哪里实现？,现场显示,现场调节,电缆，可能有几百米长,中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门,传感器、现场显示和阀门都在生产现场,49,1.3 过程控制技术的发展,1.3.2 过程控制仪表的发展,50,1.3.3 计算机在过程控制中的应用及发展,1.3 过程控制技术的发展,51,1.3.4 过程控制理论的发展,1.3 过程控制技术的发展,上世纪40年代至60年代，经典控制理论为主。60年代后，现代控制理论在生产过程控制中得到了越来越多的应用。近年来，控制理论界已形成一个包括智能控
16、制等在内的多角度、多方位的研究态势。,52,1.3 过程控制技术的发展,1.3.5 我国过程控制技术的发展,上世纪50年代末期，主要采用机械式和气动仪表；60年代，广泛采用型电动单元组合仪表；70年代中期，型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品；80年代初，开始采用型电动单元组合仪表，相继引进了集散控制系统（DCS）、可编程序控制器（PLC）和工业PC机（IPC）等。目前，控制系统以DCS和PLC-SCADA系统为主。我国已有DCS、PLC的研发和生产能力。,53,1.3 过程控制技术的发展,现场总线控制系统FCSPLC-SCADA系统的应用研究远程监督与控制智能控制应用研究过程控制与
17、管理信息集成,过程控制的几个发展方向,54,1.4 本课程的地位和任务,1.4.1 本课程的地位,1.4.2 本课程的任务,过程控制和运动控制的区别。,55,确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。,1
18、.4 本课程的地位和任务,1.4.3 过程控制的设计,56,调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况(包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。,1.4 本课程的地位和任务,1.4.3 过程控制的设计,57,目标：破碎腔内料位需要稳定。方案：仪表测量破碎腔内料位，信号
19、传输到控制器，改变给矿机频率，从而稳定破碎腔内料位。,1.4 本课程的地位和任务,EX6:一个不恰当的过程控制方案,58,1.4 本课程的地位和任务,问题：给矿皮带较长，矿量改变后传输到破碎机时间长，存在时间的滞后，无法及时控制。结论：需要串级控制而设计成单回路控制的系统，无法满足工艺指标要求！,59,习题1,试举一个日常生活中的控制系统，说明该系统的控制目标及其如何实现该控制目标的。并指出该控制系统的被控变量、控制变量以及主要干扰。,60,习题2,如图所示为一个加热炉出口温度控制系统，燃料流量为Rf，假设加热炉进料流量Rv是主要干扰。试：1、指出被控变量、操纵变量；2、画出系统的方块图。,61,习题3,P.14,习题1.8,
