過控.老師過程控制-1緒論

1、過程控制主講：孔亞廣 課程目的本次課程的學(xué)習(xí)需要掌握以下內(nèi)容控制策略與參數(shù)整定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與投運(yùn)面向?qū)嶋H應(yīng)用的技術(shù)性課程典型流程方案設(shè)計(jì) 課程特點(diǎn)課程內(nèi)容涵面廣自動(dòng)控制原理檢測(cè)技術(shù)控制儀表及裝置過程計(jì)算機(jī)控制化工過程控制工程集散控制系統(tǒng)內(nèi)容以敘述性為主，理論推導(dǎo)較少第一章緒論過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制 自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中起著十分重要的作用，自動(dòng)控制水平的高低也是衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。隨著國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，其重要作用也越來越顯著。生產(chǎn)過程自動(dòng)控制（簡稱過程控制）是自動(dòng)控制技術(shù)在石油、化工、電

2、力、冶金、機(jī)械、輕工、紡織等生產(chǎn)過程的具體應(yīng)用，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)40年代 手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測(cè)儀表用于生產(chǎn)過程。20世紀(jì)40年代末50年代過程控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)，采用基本PID控制與串級(jí)、前饋控制等自動(dòng)化儀表：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動(dòng) 型和電動(dòng)型）；控制理論：以反饋為中心的經(jīng)典控制理論，以傳遞函數(shù)作為模型描述方法，以根軌跡、頻率法作為基本的分析和綜合方法；過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)20世紀(jì)60年代：過程控制系統(tǒng)：串級(jí)、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)。自動(dòng)化儀表：單元

3、組合儀表（氣動(dòng)型和電動(dòng)型）成為主流產(chǎn)品。60年代后期，出現(xiàn)了專門用于過程控制的小型計(jì)算機(jī)，直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域?？刂评碚摚撼霈F(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為基本特征的現(xiàn)代控制理論,傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域?？刂评碚摚盒纬闪舜笙到y(tǒng)理論和智能控制理論。模糊控制、專家系統(tǒng)控制、模式識(shí)別技術(shù)20世紀(jì)7080年代過程控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、 模糊控制自動(dòng)化儀表：氣動(dòng)型和電動(dòng)型，以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器 (PLC) 、工業(yè)PC機(jī)、

4、和數(shù)字控制器等，已成為控制裝置的主流。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)控制理論：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制20世紀(jì)90年代至今：信息技術(shù)飛速發(fā)展過程控制系統(tǒng)：管控一體化現(xiàn)場(chǎng)，綜合自動(dòng)化是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制的發(fā)展方向。自動(dòng)化儀表：總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、無紙紀(jì)錄儀過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)生產(chǎn)過程的連續(xù)性 在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過程都是以長期的或間歇形式運(yùn)行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動(dòng)的影響。被控過程的復(fù)雜性 過

5、程控制涉及范圍廣，被控對(duì)象較復(fù)雜 控制方案的多樣性 過程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富過程控制的任務(wù) 從生產(chǎn)過程的角度看，過程控制的主要任務(wù)包括：安全性：確保生產(chǎn)過程中人身與設(shè)備的安全，主要措施包括：對(duì)重要參數(shù)設(shè)置定值控制、采取參數(shù)超限報(bào)警與事故報(bào)警、設(shè)置自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)（ESD）系統(tǒng)等；經(jīng)濟(jì)性：即實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化或操作成本的最小化，常用方法：采用約束控制與操作最優(yōu)化技術(shù)；穩(wěn)定性：即要求系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。常用方法：結(jié)合工業(yè)對(duì)象特性與控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性與魯棒性分析。典型的流程工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范疇 宇航方面： 同步衛(wèi)星（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）衛(wèi)星的發(fā)射與回收（

6、神州5號(hào)飛船，航天飛機(jī)）自動(dòng)關(guān)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)軍事方面： 火炮自動(dòng)點(diǎn)火、巡航導(dǎo)彈其他方面：農(nóng)業(yè)（病蟲害防治、專家系統(tǒng)） 社會(huì)科學(xué)（計(jì)劃生育，人口增長模型）現(xiàn)代管理：辦公自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)：自動(dòng)車床、加熱爐、發(fā)酵罐鍋爐液位控制系統(tǒng)- 實(shí)例 1、人工控制方法眼看腦想手動(dòng)1）檢測(cè)用眼睛觀察高低，并通過神經(jīng)系統(tǒng)告訴大腦2）運(yùn)算大腦思考后得出偏差值，再根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，決策后發(fā)出命令3）執(zhí)行根據(jù)大腦發(fā)出的命令，手去改變閥門開度。人工調(diào)節(jié)水位示意圖 2、自動(dòng)控制方式變送器控制器執(zhí)行器自動(dòng)化裝置檢測(cè)/變送器代替人眼控制器代替人腦 執(zhí)行器代替人手 自動(dòng)化裝置鍋爐液位控制系統(tǒng)- 實(shí)例 受控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位

7、、成分與物性等六大參數(shù)；過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)的組成 過程控制系統(tǒng)檢測(cè)元件（裝置）控制器執(zhí)行器（裝置）檢測(cè)被控制的物理量將設(shè)定值與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果作為控制信號(hào)送給執(zhí)行裝置作用是接受控制器的控制信號(hào)，直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控變量發(fā)生變化工藝控制流程圖 （帶控制點(diǎn)的工藝流程圖）用自控工程設(shè)計(jì)的文字符號(hào)和圖形符號(hào)在生產(chǎn)工藝流程圖上描述出生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)，有如下要素： 1、測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn) 2、測(cè)量變量、控制變量、監(jiān)測(cè)與操作變量 3、檢測(cè)儀表、執(zhí)行器、控制器（如調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器、DCS等）、其他輔助儀表 4、控制方案（單回

8、路、復(fù)雜控制回路、監(jiān)視與操作） 過程控制系統(tǒng)的兩種表示形式工藝控制流程圖 - 常用圖形符號(hào) 1各種測(cè)量點(diǎn)通用表示方法 熱電偶 熱電阻 節(jié)流元件 取壓點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)儀表：各種變送器的通用表示方法工藝控制流程圖 - 常用圖形符號(hào) 2記錄儀表操作器就地安裝就地集中盤面、盤后安裝控制室盤面、盤后安裝顯示儀表控制器工藝號(hào)回路順序號(hào)工藝控制流程圖 - 常用圖形符號(hào) 3 直通閥（單座，雙座） 三通閥 蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥組合 氣閉式氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥 氣開式氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥帶閥門定位器的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥閥 角 閥 執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)字母第一位字母后繼字母被測(cè)變量或初始變量修飾詞功能A 分析報(bào)

9、警B 噴火焰 C電導(dǎo)率 控制（調(diào)節(jié)）D 密度或相對(duì)密度差E電壓或電勢(shì)檢測(cè)元件F 流量 比（分?jǐn)?shù)）G長度波動(dòng)H手動(dòng)I 電流指示J功率 掃描NO節(jié)流孔工藝控制流程圖 - 常用字母符號(hào) 1字母第一位字母后繼字母被測(cè)變量或初始變量修飾詞功能P壓力（或真空）積分計(jì)算試驗(yàn)點(diǎn)（接頭）Q數(shù)量或件數(shù)積分，積算R放射性記錄或打印S速度或頻率安全開關(guān)或聯(lián)鎖T溫度傳送U變量多功能V粘度閥（擋板）W變量或力套管K時(shí)間或時(shí)間程序自動(dòng)-手動(dòng)操作器L物位（液位）指示燈M水分或濕度Z位置驅(qū)動(dòng),執(zhí)行或未分類的執(zhí)行器XY繼動(dòng)器或計(jì)算器工藝控制流程圖 - 常用字母符號(hào) 2熱交換器自動(dòng)控制系統(tǒng)流量自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例 繪制帶控制點(diǎn)流程圖說

10、明FN安全柵；df/dt流量變化率運(yùn)算函數(shù)；XAH控制器輸出高限報(bào)警；XAL控制器輸出低限報(bào)警；dx/dt控制器輸出變化率運(yùn)算；FYI/P電氣轉(zhuǎn)換器；TAH溫度高限報(bào)警；TDA溫度設(shè)定點(diǎn)偏差報(bào)警；LAH液位高限報(bào)警；LAL液位低限報(bào)警；LAHH液體高限報(bào)警。思 考 題1在自動(dòng)化控制流程圖中，下列文字表示何種功能？（a）TIT；（b）PdIT；（c）FIC；（d）LIA；（e）LV；（f）PRC。2常用的熱工儀表控制圖有哪幾種？3在熱工控制測(cè)量系統(tǒng)圖中，下列文字符號(hào)各表示什么取源測(cè)量點(diǎn)？（a）PE；（b）FE；（c）LE；（d）TE；（e）AE。4畫出就地安裝儀表、盤后安裝儀表和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖形

11、符號(hào)。5繪制管道儀表流程圖應(yīng)注意哪些問題？6下頁圖所示是化工廠水氯活化裝置工藝及自動(dòng)化控制流程圖，閱讀并解釋控制流程圖。 化工廠水氯活化裝置工藝及自動(dòng)化控制流程圖 過程控制系統(tǒng)的兩種表示形式方框圖方框、信號(hào)線、比較點(diǎn)、引出點(diǎn)組成控制系統(tǒng)或系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的功能和信號(hào)流向的圖解表示 帶有輸入輸出信號(hào)的方框 比較點(diǎn) 分支點(diǎn) 繪制方框圖注意事項(xiàng)過程控制系統(tǒng)的兩種表示形式通過測(cè)量變送裝置將被控變量的測(cè)量值送回到系統(tǒng)的輸入端反饋負(fù)反饋正反饋 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了表達(dá)清楚一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)各個(gè)組成環(huán)節(jié)之間的相互影響和信號(hào)聯(lián)系，便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。圖中每一條線代表系統(tǒng)中的一個(gè)變量

12、信號(hào)，線上的箭頭表示信號(hào)傳遞的方向。每個(gè)方塊代表系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。需要指出的是，方塊圖的每一個(gè)方塊都代表一個(gè)具體的裝置，方塊與方塊之間的連線只是代表方塊之間的信號(hào)聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料關(guān)系。 從簡單控制系統(tǒng)的方塊圖可看出，控制系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉合回路，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果控制器與被控對(duì)象之間只有順向控制而沒有反饋聯(lián)系的控制系統(tǒng)，即操縱變量通過被控對(duì)象去影響被控變量，但被控變量的變化沒有通過反饋?zhàn)饔萌ジ淖兛刂谱饔?。從信?hào)上看，這時(shí)沒有形成閉合回路，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)覺察被控變量的變化情況，也不能判斷操縱變量的校正作用是否適合實(shí)際需要而自動(dòng)改變操縱變量。過程控制

13、系統(tǒng)的兩種表示形式 下面對(duì)控制系統(tǒng)的方塊圖進(jìn)行幾點(diǎn)說明： 方塊圖中各環(huán)節(jié)的增益都有正、負(fù)之分，如控制閥有氣開、氣閉之分，控制器有正、反作用，對(duì)象也有正、負(fù)，即操作量增加使被控變量增加的為正，反之為負(fù)。 系統(tǒng)的輸出變量是被控變量，被控變量經(jīng)過測(cè)量變送又返回到輸入端，與給定值進(jìn)行比較，構(gòu)成反饋。如果反饋信號(hào)使原來的信號(hào)加強(qiáng)，則是正反饋；如果使原來的信號(hào)減弱，為負(fù)反饋。只有負(fù)反饋才能減小偏差，使被控變量回到給定值。需要指出，反饋原理是控制系統(tǒng)最重要也是最基本的概念。 有時(shí)候?yàn)榱朔治鰡栴}方便起見，往往把控制閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送環(huán)節(jié)合在一起成為廣義對(duì)象，這樣系統(tǒng)就歸結(jié)為控制器和廣義對(duì)象兩部分，一般情況

14、下，往往把廣義二字也給省略了。 總之，自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，所以它可以隨時(shí)了解被控對(duì)象的情況，根據(jù)被控變量的變化改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近所希望的狀態(tài)。過程控制系統(tǒng)的兩種表示形式過程控制系統(tǒng)的主要類型 閉環(huán)控制系統(tǒng)指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 不管任何擾動(dòng)引起被控變量偏離設(shè)定值，都會(huì)產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時(shí)，控制作用對(duì)擾動(dòng)的克服不及時(shí)，從而使其控制質(zhì)量大大降低。過程控

15、制系統(tǒng)的主要類型 閉環(huán)控制系統(tǒng)分類根據(jù)設(shè)定值分為定值控制系統(tǒng)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 作用：克服擾動(dòng)的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上過程控制系統(tǒng)的主要類型隨動(dòng)控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：設(shè)定值是一個(gè)未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 放大器被測(cè)電壓ut可逆電機(jī)指示記錄儀滑線電阻Eup 作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化自動(dòng)平衡電位差計(jì)的方框圖 過程控制系統(tǒng)的主要類型程序控制系統(tǒng)特點(diǎn)：設(shè)定值是變化的，且按一定時(shí)間程序變化的時(shí)間函數(shù)程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特殊情況，其分析研究方法與隨動(dòng)控制系統(tǒng)相同。

16、作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化過程控制系統(tǒng)的過渡過程工業(yè)過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種狀態(tài)，一種是被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)指的是系統(tǒng)中各信號(hào)的變化率為零，即信號(hào)保持在某一常數(shù)不變化，但是穩(wěn)態(tài)時(shí)，生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出。 系統(tǒng)由于干擾的作用破壞了平衡時(shí)，被控變量會(huì)發(fā)生變化，從而使控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置改變平衡時(shí)所處的狀態(tài)，產(chǎn)生一定的控制作用來克服干擾的影響，使系統(tǒng)恢復(fù)平衡，把被控變量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。 在過程控制系統(tǒng)中，了解穩(wěn)態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)楦蓴_是客觀存在的，是不可避免的。因此，要評(píng)價(jià)一個(gè)過渡

17、過程的控制質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還要考慮它的動(dòng)態(tài)行為。穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)(a)穩(wěn)定系統(tǒng)；(b)不穩(wěn)定系統(tǒng)圖1-11穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)(a)有差系統(tǒng)；(b)無差系統(tǒng)圖1-12 自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)典型動(dòng)態(tài)過程y t t y t y t y t y t 1.發(fā)散振蕩過程曲線所示 5.非振蕩發(fā)散過程曲線所示3.等幅振蕩過程曲線所示4.衰減振蕩過程曲線所示2.非振蕩衰減過程曲線所示過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)圖1-17 系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求常見典型信號(hào) 階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、加速度信號(hào)和正弦信號(hào)等。 階躍信號(hào)A 0 t0 t0 數(shù)學(xué)表達(dá)式為：當(dāng)A=1時(shí)稱為單位階躍信號(hào)。特 點(diǎn)易產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)輸出影響大便于分析和計(jì)算過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求單項(xiàng)控制指標(biāo)