工业过程控制绪论课件.pptx

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1、第1章 绪论第2章 检测仪表第3章 控制仪表第4章 执行器及安全栅第5章 被控过程的数学模型第6章 简单控制系统的设计与参数整定第7章 复杂控制系统本课程主要内容第1页/共68页教材王再英等 过程控制及仪表 机械工业出版社，2006主要参考书v林锦国，过程控制系统仪表 装置 东南大学出版社，2001v侯志林，过程控制与自动化仪表 机械工业出版社，1999v邵玉森，过程控制及仪表 高教出版社，1999第2页/共68页学习本课程的目的了解工艺参数的基本测量方法，能正确选择使用自动化仪表。理解自控系统的工作原理及各环节的作用，掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过程的影响，能对自动控制系统进行调试和

2、维护。掌握常见的几种控制方案的原理，系统组成，特点，能对给出的常见的被控过程进行合理系统方案设计。了解常用过程控制设备，先进过程控制技术（PLC，DCS，现场总线技术等）第3页/共68页 第一章第一章 绪论绪论了解过程控制系统的发展历程，特点了解过程控制系统的发展历程，特点理解过程控制系统设计时的性能指标的含义理解过程控制系统设计时的性能指标的含义掌握简单控制系统的组成，过程控制系统的分类掌握简单控制系统的组成，过程控制系统的分类第4页/共68页第1章 绪论 过程控制（Process control）是指连续生产过程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工

3、程等许多领域的生产过程的控制，都属于过程控制。连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的传递或转换。例如室内温度的控制。第5页/共68页图1 为人工控制室温。假设在冬季，室内加温是通过将热风送往恒温室。为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。在此人的作用可分为三步：眼看 脑想 手动送风送风回风回风恒温室温度计温度计阀门阀门图图1 室温人工控制示意图室温人工控制示意图第6页/共68页手动自动控制阀代替人工阀门，按控制信号自动改变开度。眼看用传感器或变送器将温度信

4、号转换为控制器可接受的信号。脑想控制器将输入的实测温度信号和要求值进行比较（相减求偏差),并按偏差值计算出控制量。送风送风回风回风恒温室温度计温度计阀门阀门图图1 室温人工控制示意图室温人工控制示意图第7页/共68页1热水加热器；热水加热器；2传感变送器；传感变送器；3控制器；控制器；4执行器执行器人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。图2为室温自动控制，自动化仪表代替了人。回风回风恒温室23送风送风热水热水M回水回水41TCTT图2 室温自动控制示意图第8页/共68页 过程控制系统的定义：过程控制系统的定义：为实现对某个

5、工艺参数的自动控制，由相互联为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系的自动化仪表、装置及被控对象、工艺设备构成系的自动化仪表、装置及被控对象、工艺设备构成的的 一个整体，又称自动控制系统。一个整体，又称自动控制系统。回风回风恒温室23送风送风热水热水M回水回水41TCTT第9页/共68页 在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。原理框图来表示控制系统。如图如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调

6、节阀电动调节阀和加热器及房间和加热器及房间组成。组成。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器调节阀调节阀加热器加热器及房间及房间+e实测值实测值第10页/共68页 过程控制系统方框图通常用标准名称表示。如：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值回风回风恒温室23送风送风热水热水M回水回水41TCTT第11页/共68页过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。1.1 过程控制的特点1控制对象复杂、控制要求多样2控

7、制方案丰富 3控制对象大多属于慢过程参数控制4大多数工艺要求定值控制5通常使用标准自动化仪表及装置 第12页/共68页1.2 过程控制的发展概况 过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。过程控制装置与系统的发展过程1局部自动化阶段 （20世纪 5060年代）q自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。q适用于小规模、局部过程控制。第13页/共68页特点：q自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。q控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。q适用于生产规模较大

8、的多回路控制系统。2模拟单元仪表控制阶段（20世纪6070年代）第14页/共68页3集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。用一台计算机可取代所有回路的控制仪表，实现直 接 数 字 控 制（DDC，Direct Digital Control ）。但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此，很快开发了集中、分散 相 结 合 的 集 散 型 控 制 系 统（DCS，Distributed Control System）。第15页/共68页 80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU

9、的数字控制仪表。基于 “集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，集中、分散相结合的集散型控制系统DCS得以流行。DCS系统采用分层结构，管理功能集中于上层，工艺控制分散在下层。集管理方便、控制故障风险分散之优点，得到广泛应用。第16页/共68页第17页/共68页如今，随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System)。FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。而用开放的、标准化的通信网络现场总线，将分散在

10、现场的控制系统的通信连接起来，实现信息集中管理。第18页/共68页第19页/共68页过程控制策略与算法发展 伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展历程。以经典控制理论为基础的PID（Proportional Integral Derivative）控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、Smith预估控制及选择性控制等控制策略。随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。第20页/共68页现代自动控制技术的主要特点：1、功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势，其应

11、用领域和规模越来越大。2、技术密集化、系统集成化，是控制技术、通讯技术、计算机技术相结合的产物。3、系统的智能化程度日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。常见的工业自动化仪表及应用有：第21页/共68页控制柜触摸显示屏第22页/共68页控制柜内部第23页/共68页控制柜内PLC第24页/共68页过程控制实验室过程控制实验室第25页/共68页1.3 过程控制系统分类及其性能指标过程控制系统的分类过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与

12、计算机控制系统等。但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。第26页/共68页1.按设定值的形式分类1）定值控制系统 设定值恒定不变。2）随动控制系统设定值随时可能变化。3）程序控制系统设定值按预定的时间程序变化。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第27页/共68页2.按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。如：反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送

13、器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第28页/共68页2）前馈控制系统（开环控制系统）前馈控制系统（开环控制系统）控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。如：引入到控制器输入端。如：测量值测量值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象开环控制系统原理框图 变送器变送器第29页/共68页3）复合控制系统复合控制系统 前馈与反馈相结合，优势互补。如：前馈与反馈相结合，优势互补。如：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器1 变送器变送器1执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值 变送器

14、变送器2控制器控制器2前馈-反馈复合控制系统原理框图加法器加法器第30页/共68页过程控制系统的性能指标当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第31页/共68页稳态与动态稳态与动态 1、稳稳态态 被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（态（静静态态）。）。给定值给定

15、值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值静态静态静态静态动态动态ty第32页/共68页静态特性静态时系统各环节的输入输出关系。当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节也都处于稳定状态。但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第33页/共68页2、动态被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制

16、阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值静态静态静态静态动态动态ty第34页/共68页动态特性在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。静态静态静态静态动态动态ty给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第35页/共68页控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称态，经过动态过程到达新的平衡

17、状态的动态历程称为系统的过渡过程。为系统的过渡过程。静态静态静态静态动态动态ty给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第36页/共68页系统的过渡响应受内部和外部两种因素的影响。1、内部因素：系统特性系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。2、外部因素：输入信号在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第37页/共68页生产中，干扰是随机出现的，对系统的影响也各不相同。在分

18、析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号，时域分析时经常使用阶跃信号。Atf（t）tf（t）第38页/共68页阶跃信号特点：v阶跃信号变化突然，对被控变量的影响最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。v阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。如图，输入信号在 t=0时，阶跃上升幅度为 A，其后保持。表达为 f(t)=A(t)Atf（t）第39页/共68页 在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有过程有四种四种形式：形式：单

19、调衰减过程 被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。振荡衰减过程 被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。t0a0a第40页/共68页等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。振荡发散过程 被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。t0aa0t第41页/共68页 过渡过程的分类过渡过程的分类 （1）稳定的过渡过程稳定的过渡过程 单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。单调过程的过渡过程较长，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在

20、生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。第42页/共68页（2）不稳定的过渡过程不稳定的过渡过程 发散振荡过程中，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。（3）临界过渡过程临界过渡过程 处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。只是某些简易的控制系统（如位式控制），只能达到这种效果。第43页/共68页 控制系统的性能指标 对控制系统的性能评价，是根据工艺对控制过程和结果的要求来衡量的。控制系统的过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃信号，观察其阶跃响应的品质。给定值

21、给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第44页/共68页二者阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的性能指标是一致的。(a)干扰阶跃响应t0y y(b)给定阶跃响应0ty y阶跃响应有给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类：第45页/共68页干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别：(a)干扰阶跃响应t0y y给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第46页/共68页(b)给定阶跃响应0ty y给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控

22、对象被控对象+e实测值实测值第47页/共68页1.系统阶跃响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。控制性能指标有单项指标和综合指标两类单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，因此以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。第48页/共68页1）衰减比n和衰减率衰减比衰减比 n 和衰减率和衰减率 是表示系统稳定程度的指标。是表示系统稳定程度的指标。设第一个波振幅为设第一个波振幅为 y1、第三个波振幅为、第三个波振幅为 y3图图1.3 闭环控制

23、系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第49页/共68页n大于1，系统稳定。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：衰减比在 4:1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。衰减比n与衰减率之间有简单的对应关系：n=4:110:1 就相当于=75%90%yry1y3Cy()TpTSTt第50页/共68页最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。2）最大动态偏差A和超调量 最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即:A=ymax-r 图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制

24、系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTtA第51页/共68页 有时也采用超调量来表示被控参数偏离设定值的程度，的定义是第一个波振幅与最终稳态值y()之比。即图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第52页/共68页3）余差C 过渡过程结束后，被控参数的稳态值y()与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。C=y()-r图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第53页/共68

25、页4）调节时间Ts和振荡频率 Ts是指从过渡过程开始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。图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt第54页/共68页图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率 f=1/T对应的角频率=2/T第55页/共68页调节时间和振荡频率是衡量系统快速性的指标。另外还有

26、峰值时间Tp也是衡量系统快速性的指标。峰值时间Tp（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第56页/共68页 例 某换热器的温度控制系统给定值为200。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。解：最大偏差 A=230-200=30余差 C=205-200=5衰减比 n=y1:y3=25:5=5:1第57页/共68页振荡周期 T=20 5=15 （min）设被控变量进入稳态值的土2，就认为过渡

27、过程结束，则误差区域=205（2）4.1在新稳态值（205）两侧以宽度为4.1画一区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts=22min第58页/共68页 控制系统的单项品质指标小结q稳定性 衰减比n=4:110:1最佳 q准确性 余差C小好 最大偏差 A 小好q快速性 过渡时间 Ts 短好 振荡周期 T 短好各品质指标之间既有联系、又有制约。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。第59页/共68页2.系统阶跃响应的综合性能指标偏差积分 单项指标虽然清晰明了，但如何全面统筹考虑比较困难。因偏差幅度和偏差存在的时

28、间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第60页/共68页tyrCy()yrCy()t偏差积分的原始定义：偏差的定义存在分歧：e(t)=y(t)-y(r)如有余差则积分无穷大 e(t)=y(t)-y()不能表达余差第61页/共68页偏差积分指标有以下几种形式：偏差积分IE（Integral of Error）缺点：正负偏差会抵消，掩盖了系统的振荡程缺点：正负偏差会抵消，掩盖了系统的振荡程度。度。tyrCy()第62页/共68页绝对偏差积分

29、IAE（Integral Absolute value of Error）排除了正负偏差抵消的可能。排除了正负偏差抵消的可能。tyrCy()第63页/共68页 平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）排除了正负偏差抵消的可能，并对偏差幅度敏感。tyrCy()第64页/共68页时间与绝对偏差乘积积分ITAE （Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error）排除了正负偏差抵消的可能，并对调节时间敏感。tyrCy()第65页/共68页 影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响控制系统过渡过程品质的主

30、要因素 控制系统的过渡响应品质指标主要取决于系统控制系统的过渡响应品质指标主要取决于系统结构和系统中各环节的特性。结构和系统中各环节的特性。从第二章开始，将分别讨论控制系统各环节的从第二章开始，将分别讨论控制系统各环节的特性、各种系统的结构特性及设计方法。特性、各种系统的结构特性及设计方法。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第66页/共68页学习本课程的目的学习本课程的目的了解工艺参数的基本测量方法和测量仪表的工作原理，能正确使用自动化仪表。理解自控系统的工作原理及各环节的作用，能设计出合理的自动控制方案。掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过程的影响，能对自动控制系统进行调试和维护。作业（P12）：第1-2、1-7、1-10题第67页/共68页感谢您的观看。第68页/共68页