过程控制系统概述

过程控制系统概述
杨峰
电信学院06自动化3班
学号：40604010321
所谓过程控制（Process Control）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，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。

一﹑过程控制的特点
随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速.所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制.凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制
统称为过程控制.生产过程的自动控制, 一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性. 除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:
1. 被控对象的多样性.
对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识. 由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难.
2. 被控对象存在滞后.
由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行, 对象的储存能力大, 惯性也大. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.
3. 被控对象一般具有非线性特点.
当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.
4. 控制系统比较复杂.
控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.
二﹑过程控制系统的组成
过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示
被控参数（变量）y(t ) ;控制（操纵）参数（变量）q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)
三、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
1.反馈控制系统
偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。

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）。

2.前馈控制系统
扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。

属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。

3.闭环与开环控制系统
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。

闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。

4.定值控制系统
定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。

在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的。

有时在规定的小范围附近不变。

5.随动控制系统
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。

如锅炉燃烧控制系统中，要求空气量随燃料量的变化而变化，以保证燃烧的经济性。

它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。

一般意义上的随动控制系统是指位置随动系统，如火炮、导弹的位置跟踪等。

四、性能指标的确定和分析方法
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。

特别需要注意的是，不能不切实际地提出过高的控制性能指标要求。

分析系统性能指标，通常采用：阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；偏差积分性能指标，计算机仿真或分析时采用。

阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线
给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线
稳态误差
描述系统稳态特性的唯一指标。

指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差： 一般要求稳态误差为零或越小越好。

静态指标与动态指标
生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的动态调节过程中。

所以，在过程控制中，了解或研究控制系统的动态比其静态更为重要、更有意义。

衰减比
衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。

一般取衰减比为4:1～10:1。

其中4:1衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一个理想指标。

超调量σ与过渡过程时间ts
ts 指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值±5%（或±2%）的范围内所经历的时间。

要求σ 、ts 应越小越好 性能指标之间的关系
有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）
对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。

应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。

五、过程控制的任务
工业过程自动化其目标应该是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效（高产、低耗）。

作为自动化的初级阶段能够达到的目标主要是使生产过程安全（仅限于越限报警和联锁）与平稳地进行。

%100)
()
()(⨯∞∞-=y y t y p σy(t)
r
y(∞)
y (t p )
B 1
B 2
t p
t s
t ±5%
六、过程控制系统设计
要实现过程自动控制，首先要对整个工业生产过程的物料流、能源流和生产过程中的有关状态（如温度、压力、流量、物位、成分等）进行准确的测量和计量。

根据测量到数据和信息，用生产过程工艺和控制理论的知识管理、控制该生产过程。

一个完整的过程控制系统设计，应包括方案设计、工程设计、工程安装与仪表调校以及控制器参数整定等主要内容。

控制方案设计和控制器参数整定则是系统设计中的两个核心内容！
由于工业生产过程各种各样而且非常复杂，因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件。

这就要求从事过程控制的技术人员必须与工艺人员充分交流。

控制方案设计的基本原则包括合理选择被控参数和控制参数、被控参数的测量变送、控制规律的选取以及执行机构的选择等等。

七、过程控制策略与算法的进展
几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制与先进控制。

通常将单回路PID控制称为简单控制。

它一直是过程控制的主要手段。

PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析与综合。

目前，PID控制仍然得到广泛应用。

从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。

它们在很大程度上，满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。

它们仍然以经典控制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在继续改进与发展。

20世纪70年代中后期，出现了以DCS 和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。

从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程控制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。

近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。

先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。

实践证明，先进过程控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。