《過程控制概述》課件

過程控制概述過程控制是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，通過自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動(dòng)化管理，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。課程目標(biāo)了解過程控制的基本概念學(xué)習(xí)過程控制系統(tǒng)的基本組成、工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域。掌握常見測量元件和執(zhí)行元件的種類和工作原理學(xué)習(xí)不同類型控制器的功能和應(yīng)用場景。理解反饋控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)的原理。學(xué)習(xí)過程建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)掌握過程控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試和維護(hù)知識(shí)。什么是過程控制自動(dòng)控制過程控制是一種自動(dòng)化技術(shù)，利用傳感器、控制器和執(zhí)行器，對工業(yè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。優(yōu)化效率過程控制可以優(yōu)化生產(chǎn)效率，降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少人工干預(yù)。安全可靠過程控制系統(tǒng)可以確保生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止意外事故的發(fā)生。過程控制系統(tǒng)的組成測量元件測量元件用于獲取被控過程變量的值。它們將被控過程變量的物理量轉(zhuǎn)換為可測量的信號(hào)。常見的測量元件包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)和液位計(jì)?？刂破骺刂破魇沁^程控制系統(tǒng)的核心，它接收測量元件的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略，輸出控制信號(hào)。執(zhí)行元件執(zhí)行元件根據(jù)控制器的指令，改變被控過程變量的值，從而達(dá)到控制目標(biāo)。常見的執(zhí)行元件包括閥門、電機(jī)、加熱器和冷卻器。反饋回路反饋回路將控制器的輸出信號(hào)與被控過程變量的實(shí)際值進(jìn)行比較，并根據(jù)偏差調(diào)整控制器的輸出信號(hào)，以保持被控過程變量在設(shè)定值附近。反饋回路可以有效地提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。測量元件的種類及工作原理11.溫度測量元件溫度傳感器通過測量溫度變化來感知過程參數(shù)的變化。它可以根據(jù)工作原理分為熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、雙金屬片等類型。22.壓力測量元件壓力傳感器通過測量壓力變化來感知過程參數(shù)的變化。它可以根據(jù)工作原理分為彈性元件式、壓電式、電容式等類型。33.流量測量元件流量傳感器通過測量流體的流量來感知過程參數(shù)的變化。它可以根據(jù)工作原理分為容積式、差壓式、渦街式、電磁式等類型。44.液位測量元件液位傳感器通過測量液體的液位來感知過程參數(shù)的變化。它可以根據(jù)工作原理分為浮子式、差壓式、超聲波式、雷達(dá)式等類型。測量元件的選擇測量精度測量元件應(yīng)具有足夠的精度，以滿足過程控制的要求。測量范圍測量元件的測量范圍應(yīng)覆蓋過程變量的實(shí)際變化范圍。響應(yīng)速度測量元件的響應(yīng)速度應(yīng)足夠快，以跟蹤過程變量的快速變化。成本測量元件的成本應(yīng)與過程控制系統(tǒng)的整體成本相匹配。執(zhí)行元件的種類及工作原理閥門閥門是常見的執(zhí)行元件之一，通過改變閥門開度來控制流體的流量或壓力。電機(jī)電機(jī)可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械設(shè)備，例如泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等。加熱器加熱器用于對過程流體進(jìn)行加熱，常見的有電加熱器、蒸汽加熱器等。冷卻器冷卻器用于對過程流體進(jìn)行冷卻，常見的有水冷器、風(fēng)冷器等。執(zhí)行元件的選擇11.過程參數(shù)根據(jù)過程變量的要求選擇合適的執(zhí)行元件，例如，溫度控制需要選擇溫度控制執(zhí)行元件。22.控制精度控制精度要求越高，執(zhí)行元件的精度也需要越高。33.響應(yīng)速度快速響應(yīng)的過程需要選擇響應(yīng)速度快的執(zhí)行元件。44.可靠性執(zhí)行元件的可靠性對整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要?？刂破鞯姆N類及工作原理比例控制器比例控制器根據(jù)偏差大小輸出控制信號(hào)。比例系數(shù)越大，控制作用越強(qiáng)。比例控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制器積分控制器根據(jù)偏差的累計(jì)值輸出控制信號(hào)。積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分時(shí)間常數(shù)越小，積分作用越強(qiáng)?？刂破鞯倪x擇控制器類型選擇控制器類型，如PID控制器、模糊控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等，需要根據(jù)具體的過程和控制需求。性能指標(biāo)控制器的性能指標(biāo)，如響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、抗干擾能力、精度等，也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。功能需求控制器需要滿足的功能，如數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警管理、遠(yuǎn)程控制等，也需要仔細(xì)考慮。成本和易用性最后，需要綜合考慮控制器的成本、易用性和可維護(hù)性等因素。反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是指，通過將被控過程的輸出量與給定值比較，得到誤差信號(hào)，并利用該誤差信號(hào)來控制執(zhí)行元件，使輸出量接近給定值。常見的反饋控制系統(tǒng)包括溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等。反饋控制系統(tǒng)可以有效地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度和抗干擾能力。它能夠自動(dòng)地將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到期望的狀態(tài)，并能夠適應(yīng)環(huán)境變化和系統(tǒng)參數(shù)變化。反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)精確控制反饋控制系統(tǒng)可以精確地控制過程變量，使之始終保持在設(shè)定值附近?？垢蓴_能力強(qiáng)反饋控制系統(tǒng)可以有效地抑制外界干擾對過程的影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。自適應(yīng)性強(qiáng)反饋控制系統(tǒng)可以通過反饋信息，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)過程變化。廣泛應(yīng)用反饋控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程、自動(dòng)化設(shè)備和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)也稱為非閉環(huán)控制系統(tǒng)，是指沒有反饋回路的控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，控制器的輸出不依賴于被控對象的實(shí)際輸出，而是完全由控制器的輸入信號(hào)決定。例如，自動(dòng)售貨機(jī)就是一個(gè)典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)用戶投入硬幣后，售貨機(jī)根據(jù)硬幣的價(jià)值釋放相應(yīng)的產(chǎn)品。在這個(gè)過程中，售貨機(jī)沒有反饋機(jī)制來確認(rèn)產(chǎn)品是否成功釋放，因此它的輸出完全由控制器的輸入信號(hào)決定。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)簡單開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，僅需執(zhí)行元件和控制器，不需要測量元件和反饋環(huán)節(jié)。成本低由于結(jié)構(gòu)簡單，開環(huán)控制系統(tǒng)成本相對較低?？烧{(diào)性強(qiáng)開環(huán)控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)來改變系統(tǒng)輸出。前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，通過預(yù)測干擾對過程的影響，并提前進(jìn)行調(diào)整來消除或減輕干擾對系統(tǒng)的影響。前饋控制系統(tǒng)需要對過程的特性和干擾的規(guī)律有較深入的了解，以便建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測干擾的影響。前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)預(yù)測干擾前饋控制系統(tǒng)預(yù)測可能影響過程的干擾，并采取措施來抵消其影響。提高穩(wěn)定性通過預(yù)測干擾，可以減少系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提高過程控制的精度。簡化控制系統(tǒng)在某些情況下，前饋控制系統(tǒng)可以簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少反饋回路的數(shù)量。復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)合了反饋控制和前饋控制，利用前饋控制預(yù)測擾動(dòng)并調(diào)整反饋控制器的設(shè)定值。這種結(jié)合方式可以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。例如，在加熱過程控制中，可以通過測量原料溫度和環(huán)境溫度來預(yù)測加熱需求，并調(diào)整加熱器的設(shè)定值，從而更好地控制溫度。復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)11.綜合優(yōu)勢結(jié)合反饋控制和前饋控制的優(yōu)點(diǎn)，能夠更有效地控制過程變量。22.提高控制精度通過對擾動(dòng)進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償，可以提高控制系統(tǒng)的精度。33.加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性將前饋控制與反饋控制相結(jié)合，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了穩(wěn)定性。44.應(yīng)用范圍廣適用于各種工業(yè)過程，例如化工、電力、冶金等領(lǐng)域。自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一種能夠根據(jù)系統(tǒng)自身參數(shù)變化或外界環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)的控制系統(tǒng)。它可以適應(yīng)被控對象的動(dòng)態(tài)特性變化，并根據(jù)環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，以實(shí)現(xiàn)最佳控制效果。自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于非線性、時(shí)變系統(tǒng)，以及存在模型不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)。例如，在機(jī)器人控制、航空航天、汽車電子等領(lǐng)域。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)靈活適應(yīng)根據(jù)過程變化和環(huán)境條件調(diào)整控制參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠從歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)反饋中學(xué)習(xí)，不斷改進(jìn)控制策略?？垢蓴_能力強(qiáng)能夠有效應(yīng)對過程擾動(dòng)和噪聲影響，保持穩(wěn)定控制效果。應(yīng)用范圍廣適用于各種復(fù)雜和不確定性的過程控制場景，例如智能制造、機(jī)器人控制等。離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)以采樣數(shù)據(jù)作為輸入，并將控制信號(hào)以脈沖的形式輸出。該系統(tǒng)通常使用微處理器或微控制器實(shí)現(xiàn)，并依賴于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行控制。離散控制系統(tǒng)具有精確、靈活、易于編程等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人控制、航空航天等領(lǐng)域。離散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)周期性控制離散控制系統(tǒng)僅在特定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行采樣和控制。這種周期性控制的特點(diǎn)使其適用于對過程進(jìn)行定期的監(jiān)控和調(diào)整。數(shù)據(jù)量化離散控制系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)來表示過程變量。數(shù)據(jù)量化將連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散值，從而簡化了控制算法的實(shí)現(xiàn)。連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)指控制變量和被控變量都隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)。例如，液位控制、溫度控制和流量控制都是連續(xù)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用模擬量信號(hào)進(jìn)行控制，并使用微分方程或傳遞函數(shù)來描述其動(dòng)態(tài)特性。連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)連續(xù)變化連續(xù)控制系統(tǒng)使用連續(xù)的信號(hào)來控制過程變量。這些信號(hào)可以是模擬的或數(shù)字的，但它們在時(shí)間上是連續(xù)的，而不是離散的。實(shí)時(shí)反饋連續(xù)控制系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)反饋來調(diào)整控制行動(dòng)，以保持過程變量在設(shè)定點(diǎn)。高精度由于連續(xù)信號(hào)和實(shí)時(shí)反饋，連續(xù)控制系統(tǒng)通常能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和穩(wěn)定性。數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)使用數(shù)字計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制算法，并將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。數(shù)字控制系統(tǒng)具有精度高、靈活性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、機(jī)器人控制、航空航天等領(lǐng)域，是現(xiàn)代控制技術(shù)的重要組成部分。數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn)靈活性和可重構(gòu)性數(shù)字控制器可以很容易地修改和重構(gòu)，以滿足不斷變化的工藝需求。數(shù)字控制系統(tǒng)易于升級，以適應(yīng)新的技術(shù)和工藝變化。精度和穩(wěn)定性數(shù)字控制器可以實(shí)現(xiàn)高精度的控制，并提供優(yōu)異的穩(wěn)定性。數(shù)字控制系統(tǒng)可以有效地抑制噪聲和干擾，提高控制性能。過程建模及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1過程分析建立過程模型，了解過程行為。2控制目標(biāo)設(shè)定確定控制變量和控制目標(biāo)，如溫度、壓力、流量等。3控制策略選擇選擇合適的控制方法，如PID控制、模糊控制等。4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇合適的控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。過程建模是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，通過分析過程特性，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而預(yù)測過程行為。根據(jù)控制目標(biāo)，選擇合適的控制策略，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程中需要考慮控制精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等因素，并進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。過程控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試安裝安裝過程控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作。安裝過程需遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并確保系統(tǒng)與工廠環(huán)境相匹配。調(diào)試調(diào)試過程控制系統(tǒng)是一個(gè)重要的步驟，需要對系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查和測試，確保系統(tǒng)能夠正常工作。驗(yàn)收驗(yàn)收過程控制系統(tǒng)需要進(jìn)行一系列測試，以確保系統(tǒng)能夠滿足