過程控制課件第一章

過程控制系統(tǒng)與儀表第1章緒論

1.過程控制定義：連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。2.過程控制主要任務(wù)：對生產(chǎn)過程中的有關(guān)參數(shù)進行控制，使其連續(xù)型生產(chǎn)過程自動地工作。3.控制參數(shù)：溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度、PH值和物性。

連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。例如室內(nèi)溫度的控制。圖1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風回風恒溫室溫度計閥門圖1室溫人工控制示意圖眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設(shè)定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當?shù)目刂啤?/p>

過程控制系統(tǒng)的定義：

為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設(shè)備構(gòu)成的一個整體。圖2為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人?；仫L恒溫室23送風熱水M回水41圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。給定值被控變量干擾f

控制器變送器調(diào)節(jié)閥加熱器及房間

+e實測值－用通用名稱表示為：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－過程控制系統(tǒng)原理方框圖1.1過程控制的特點過程控制系統(tǒng)具有以下特點：1．控制對象復(fù)雜、控制要求多樣：有別于運動控制系統(tǒng)2．控制方案豐富：單多變量控制系統(tǒng)、常規(guī)儀表及集散控制系統(tǒng)、以提高控制品質(zhì)及特殊工藝要求的控制系統(tǒng)、PID控制及自適應(yīng)控制模糊控制3．控制對象大多屬于慢過程：被控過程多屬于大慣性、大滯后等特點4．大多數(shù)工藝要求定值控制：以減小或消除外界擾動對被控參數(shù)的影響，使其維持在設(shè)定值5．大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置：過程控制系統(tǒng)=檢測和控制儀表+被控過程1.2過程控制的發(fā)展概況

過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1．局部自動化階段（20世紀50～60年代）自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能（單輸入單輸出：溫度、壓力、流量和物位四種參數(shù)）標注信號為0.02~0.1MPa，壓縮空氣為動力的氣動儀表實現(xiàn)控制，主要解決生產(chǎn)工藝要求下的定值控制。2.減少信號連接長度，以避免因信號長距離傳輸而產(chǎn)生干擾，便于直接觀察到控制效果，適用于小規(guī)模、局部過程控制。3.控制裝置安裝在現(xiàn)場，工作環(huán)境比較惡劣，對控制裝置的穩(wěn)定性、抗干擾能力要求比較高。4.氣動和電動單元組合儀表，采用集中監(jiān)控與集中操作的控制，實現(xiàn)工廠儀表化和局部自動化。特點：自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。同時，這種方式適合對進、出中央控制室的信號進行隔離，較易實現(xiàn)防爆技術(shù)條件。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)?？刂品桨福捍壙刂?、前饋控制、比值控制、均勻控制等。2．模擬單元儀表控制階段(集中控制階段)（20世紀60～70年代）3．集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設(shè)想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。

80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；凇凹泄芾恚稚⒖刂啤钡睦砟?，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（DCS）。DCS系統(tǒng)實行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。缺點：不同廠家的DCS與上層Intrenet、Intrenet信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息共享。是一種封閉或?qū)Ｓ玫牟痪呋ゲ僮餍缘姆植际娇刂葡到y(tǒng)。隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。而用開放的、標準化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。21世紀控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應(yīng)時間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。

HART協(xié)議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(chǎn)品。1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善?，F(xiàn)代自動控制技術(shù)的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell等公司。

核電廠

新疆煉油廠

武鋼

哈爾濱伊蘭煤氣

哈爾濱伊蘭煤氣污水處理廠哈爾濱第三水廠

揚子石化揚子石化揚子石化

蘭州石化

蘭州石化自來水廠控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內(nèi)部控制柜內(nèi)PLC過程控制實驗室1.3過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類a.按所控制的參數(shù)來分:有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；b.按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分:有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；c.按照控制器類型來分:有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)(DDC\DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS)等。d.按結(jié)構(gòu)和完成的功能分：串級控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等；e.按控制規(guī)律分：P\PI\PID控制系統(tǒng)；f.按控制系統(tǒng)組成回路分：單回路及多回路、開環(huán)及閉環(huán)控制系統(tǒng)；g.按被控參數(shù)的數(shù)量分：單變量、多變量控制系統(tǒng)。實際中通常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類。1.按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設(shè)定值恒定不變。給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－要求被控參數(shù)保持恒定或在設(shè)定值范圍內(nèi)，保持生產(chǎn)過程平穩(wěn)2）隨動控制系統(tǒng)——設(shè)定值隨時可能變化。使被控參數(shù)準確且及時地跟隨設(shè)定值的變化而變化。如：加熱爐燃料與空氣混合的比例中燃燒量按照工藝要求、隨生產(chǎn)負荷變化或其他因素的干擾而改變。3）程序控制系統(tǒng)——設(shè)定值按預(yù)定的時間程序變化。程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值按程序自動改變，系統(tǒng)按設(shè)定程序自動運行，運行完止。如：造紙業(yè)中紙漿的蒸煮溫度控制、食品行業(yè)中罐頭滅菌溫度控制等。2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖缺點：誤差大，無法驗證控制的效果，通常與其他方法組合使用。3）復(fù)合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標實例：生產(chǎn)工藝參數(shù)直接表征生產(chǎn)過程，對產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量起著重要作用：分餾過程中在其操作壓力不變的情況下，精餾塔底與塔頂?shù)臏囟缺仨氁恢隆玫胶细竦漠a(chǎn)品；化工反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)，才能是反應(yīng)效率與質(zhì)量達到規(guī)定指標等。有些工藝參數(shù)不直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，但是保持其平穩(wěn)能夠使生產(chǎn)順利進行的必要條件：中間儲槽的液位高度維持在允許的范圍內(nèi)——使壓力穩(wěn)定，保持連續(xù)的均衡生產(chǎn)。工藝參數(shù)決定安全生產(chǎn)的重要因素：受壓容器的壓力不允許超出規(guī)定的限度——運行操作人員及設(shè)備的安全。當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標。控制系統(tǒng)的性能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。t0y1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。

靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實測值－1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為

f(t)=

A(t)Atf（t）在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0θa②0θa③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。④t0θa③θa0t過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)過程的過渡過程較慢，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動的情況下才采用。（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。

1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標對控制系統(tǒng)的性能評價，是根據(jù)工藝對控制過程和結(jié)果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程曲線是評價控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標是一致的。干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－干擾階躍響應(yīng)t0y給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－給定階躍響應(yīng)0ty1.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。

控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類單項性能指標以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標。1）衰減比n（振蕩過程衰減的程度，衡量過渡過程穩(wěn)定程度的動態(tài)指標）和衰減率ψ（經(jīng)過一個周期后波峰衰減的百分數(shù)）設(shè)第一個波振幅為y1、第三個波振幅為y3圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt衰減比n和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。試驗證明：衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系：n=4:1~10:1就相當于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt討論n<1,系統(tǒng)發(fā)散，n越小發(fā)散越快；n=1，系統(tǒng)等幅振蕩；n>1,衰減振蕩，n越大衰減越快；n接近∞，非周期衰減過程。工程上希望：過渡過程經(jīng)過兩次左右的波動便接近于新的穩(wěn)態(tài)值y(∞)。特殊：少數(shù)不希望有振蕩的控制過程，通常采用周期衰減的形式。最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標，也是衡量一個系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標。2）最大動態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量σ最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即:A

=ymax

-r

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動