第一章过程控制基本概念.

课程要求及参考书目
教学目标
• • • • • 什么是过程控制系统 过程控制系统的基本设计方法和原则 过程控制系统的建模与辨识 过程控制系统的控制器设计与稳定性分析 了解过程控制系统的性能评估方法
教材及主要参考书目
• 《工业系统辨识与控制》，李少远等，化学工业出版社，2010年 • 《自动控制原理》，胡寿松，科学出版社，2001年及以后新版本 • 《现代控制工程》（第二版），绪方胜彦著，卢伯英等译，科学出版社， 1984
过程控制系统(Process Control System)的定义
• 以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或 保持在给定范围内的自动控制系统。 物质和能量有相互作用和转换
被控对象：工业生产过程中的各种生产装置和设备，如加热 炉，锅炉，分馏塔，反应器等 被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等 六大参数
第一章 过程控制的基本概念
1.1 工业过程控制系统
过程控制领域
• 石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡
胶，合成氨
• 电力：火电厂 • 冶金：冶金加热炉，热处理炉
• 生化：啤酒，制药
• 轻工：食品，漂染 • 环境：水处理，大气监测 • 其它：农业，养殖业，…
1.1 工业过程控制系统
例1.1 加热器的温度控制（见图1.1）
控制目标：通过加热水箱中的 水使其达到期望的温度。 系统的主要组成： TT(Temperature Transmitter)
TC(Temperature Controller)
加热器（执行器） 水箱（Process）
重要参数：
Reference signal Measurement
R _ 热电偶和传感器 图1.2 加热器控制系统方框图 E 控制器 P 加热器 M
过程控制系统
邬晶 上海交通大学电信学院自动化系
联系方式：
Email: jingwu@sjtu.edu.cn
Tel: 3420-7216 Office: 电信群楼2号楼543室 考试成绩记分方式
考试成绩(70%)+平时成绩(30%)
作业 实验 课堂 表现 平时 成绩
主要的教学内容
过程控制系统的基本概念 复杂过程控制系统的设计与分析 过程控制系统的模型辨识与设计 多变量控制系统的稳定性分析与控制器设计 过程控制系统的性能评估
测量变送 Gm (s)
图1.4 简单过程控制的系统框图
1.1 工业过程控制系统
常用术语
• 被控对象(Process/Object)：被控制的设备或装置
• 被控变量(Controlled Variable)：需要对其进行控制的工艺变量
• 扰动(Disturbance)：影响被控变量的各种扰动作用 • 操纵变量(Manipulated Variable)：受执行机构操纵用于克服扰动 影响的变量 • 测量值(Measurement )：被控变量经检测变送后即是测量值 • 给定值(Set Point)：即被控变量的设定值 • 偏差值(Error)：被控量的给定值与测量值之差
过程控制系统的目标：
在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保 持在其设定值。
1.1 工业过程控制系统
为什么要采用过程控制？
• 安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或 减少生产过程对环境的影响； • 稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各 种外部干扰； • 经济性：实现效益最大化或成本最小化。
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 控制通道 Gp (s)
设定值 ysp
+
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
1.1 工业过程控制系统
过程控制系统的特点
• 被控对象的多样性 • 对象动态特性存在滞后和非线性 • 控制方案丰富多样 • 有多个过程检测控制仪表
1.1 工业过程控制系统
过程控制系统的基本组成 • 被控对象 • 传感器和变送器 • 控制器 • 执行器
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 控制通道 Gp (s) 设定值 ysp 被控变量 y
+
+
+
_ 测量值 ym
过程控制系统 控制目标 被控对象，被控变量，操纵变量，…
控制器方案设计
1.2 控制规律的选择
PID控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均 匀、比值、分程、选择或超驰控制等） 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象 的动态模型、结构简单、在线调整方便。 APC控制器（先进控制方法，包括：解耦控制、 内模控制、预测控制、自适应控制等），
特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
1.2 控制规律的选择Hale Waihona Puke Baidu
PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最 为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已 形成了一套完整的控制方法和典型结构。 在很多情形下，PID 控制可以方便灵活地改变控制 策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。 PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对 大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。
L GL 过程 C
Controlled Variable
1.1 工业过程控制系统
例1.2 换热器的温度控制（见图1.3）
SP
TC
Controller Final control element
控制目标：使工艺流体的 温度从Ti(t)T(t)。 系统的主要组成： TT/Sensor TC Final control element Process
1.1 工业过程控制系统
过程控制系统的分类
• 按调节器的控制规律分：P、PI、PD、PID等 • 按被控量的多少分：单变量和多变量控制系统 • 按系统的复杂程度来分：单回路和多回路系统
• 按系统的结构特点来分：反馈控制，前馈控制，复合
控制(前馈-反馈控制)
• …
1.1 工业过程控制系统
过程控制流程图
Steam
Transmitter Process fluid Ti(t) T Condensate return
TT
T(t)
Sensor
图1.3 换热器的控制框图
重要术语： Set Point 设定值 Process 被控对象 Controlled Variable 被 控变量
1.1 工业过程控制系统