过程控制系统性能分析

二、过程控制系统的定义
1、过程控制 过程—工业生产过程 过程控制—工业生产过程控制 过程控制是工业自动化控制的其中一个重要分 支。
过程控制主要针对工业现场六大参数： 温度，压力，液位，流量，成分，物性。 相关领域： 石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织等等。
2、过程控制系统
生产过程控制系统是: 以自动控制理论为依据， 以表征生产过程主要参数为被控参数， 通过调节控制参数，使被控参数按照预定的要求 规律变化的自动控制系统。 电气控制系统；机电一体化系统等等
加热炉的温度控制：
为控制出口物料的温度， 用温度计测量温度，通过 温度变送器输入温度调节 器与给定值比较，偏差经 运算后送到执行器操作燃 料阀开度，构成加热炉温 度控制系统。
TT 温度计 燃料 TC 温度调节器
流量调节器 FC 原料 流量计
生产过程被控参数： 出口流量温度 控制要求： 保持流量温度恒定
(6)、选择执行器
p(t)->q(t)
一般是调节阀，调节阀是可以通过改变外加信号大小可以改变阀的 开度大小，从而改变通过阀的气、液流量大小的器件。 选择：调节阀规格、流量特性
(7)、设计报警和连锁保护--安全性
为防止在故障情况下，设置报警。 在严重事故情况下，需要有次序的停止 各个设备的运转。称为连锁保护。 比如例3，再沸炉热油出口温度控制系 统，故障时，需要先关闭燃油阀，再关 闭烟气的引风机和热油。否则，会因温 度过高烧坏炉管。
3、过程控制系统特点 ◇被控过程多样
包含生产范围大，产品分布广，工艺不同 ◇控制方案多样 本课程介绍基本的方案:单回路;串级;前馈;比值;均匀; 分程;选择 ◇控制系统由过程检测控制仪表组成 ◇大部分是慢过程和参量控制 慢过程:大滞后,大时延。 参量控制：用参量表征过程是否正常。 ◇定值控制是主要的一种形式
系统方框图
n(t)
液位给定 调节器 进水调节阀 执行器 汽包 被控对象
x(t) e(t)
p(t)
z(t)
q(t)
y(t) 液位
测量变送
n(t)
液位给定 调节器 进水调节阀 执行器 汽包 被控对象
方框图符号含义：
x(t) e(t)
p(t)
z(t)
q(t)
y(t) 液位
测量变送
y(t): 工业对象被控参数，汽包液位 x(t): 工业对象被控参数设定值（给定值） z(t): 被控参数的测量值，液位电压或电流 e(t): 设定值与被控参数测量值之差 q(t): 操作变量。能改变被控参数的量，是执行器 的输出量。水流量。 p(t)、u(t)： 控制信号。用于控制执行器输出操 作变量的大小。电压或电流。 n(t)、f(t)：被控对象的外界扰动
例1：锅炉汽包液位控制
锅炉可产生高压蒸汽，作为 锅炉可产生高压蒸汽，作为精馏、干燥、反应、加热 等过程的热源，是冶金、石油、化工、电力等行业常 冶金、石油、化工、电力等行业常 用的重要动力设备。 产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉。
例1：锅炉汽包液位控制 锅炉汽包的作用
1 连接 2 汽水分离 3 储水和储汽
1.确定控制目标 2.选择被控参数及测量参敏 3.选择操作变量即控制参数 4.确定控制方案 5.选择控制算法 6.选择执行器及调节阀 7.设计报警和联锁保护 8.调试和投运
(1)、根据工艺要求，确定控制目标
比如例3，再沸加热炉控制系统中，要求保 证热油出口温度稳定
(2)、选择被控参数y(t)->测量参数
x(t) e(t)
p(t)
z(t)
q(t)
y(t) 温度
测量变送
比较两个方框图，符号和形式一样。 但是不同实际系统，符号含义不一样，方框对应的过程控制仪 表不同。调节器中PID参数不同。
2、过程控制系统分类
基本分类方法有两种，分别是按照系统克服干扰的 方法（结构特点）和按照设定值信号特点分类。 按系统克服干扰方法分类 反馈控制系统 前馈控制系统 前馈-反馈控制系统（复合控制系统）
方框图方框含义
测量变送器：把被控参数转变成可以与设定值相比较的 量。 y(t)->z(t) -->e(t) 调节器：对偏差进行算法运算后，给出控制量。 e(t)-- PID算法 -->p(t) 执行器：执行控制量，变成对应大小的操作变量。 P(t)->q(t) 被控对象：通过一定大小操作变量，相应大小的改变被 控参数。 q(t)->y(t)
(8)、调试和投运
调试：过程控制仪表安装完成后，应该进行试运行，即调试控制 仪表设备，设置必要参数，设置调节器控制算法和参数。 投运：依次使整套设备投入运行。
过程控制系统设计与实现
1.确定控制目标 2.选择被控参数及测量参敏 3.选择操作变量即控制参数 4.确定控制方案 5.选择控制算法 6.选择执行器及调节阀 7.设计报警和联锁保护 8.调试和投运
三、过程控制系统组成、分类与特点
1、过程控制系统组成
过程控制系统=过程检测控制仪表+被控对象
控
制
装
置
执 行 器
检测、变送
被控对象（被控参数） 过程控制系统结构
例1：锅炉汽包液位控制系统
蒸汽
被控对象： 锅炉汽包（加热器） 过程控制仪表： 液位测量变送器；调节器； 执行器
汽包
液位变送器 调节器
加热器 执行器 给水
燃料
加热炉的流量控制：
用流量计测量原料的流量， 输入流量调节器与给定值 比较，其偏差经运算后送 到执行器操作原料阀开度， 构成加热炉原料流量控制 系统。该系统可保证流量 的平稳，为整个工艺的稳 定操作提供了有利条件。
流量调节器 (比较) FC
原料
流量计
燃料
生产过程被控参数： 出口流量 控制要求： 保持流量恒定
60年代，第二阶段（集中控制阶段） 理论基础：现代控制理论 研究工业现场的非线性，耦合，时变性，出现了 电子数字计算机。 70年代以来，第三阶段（集散控制阶段） 基础：工业自动化控制计算机商品化、大规模集成 电路和微处理器的诞生。 现代工业计算机和集散控制等系统大量应用。
2、结论： 自动化技术已经成为工业生产过程必不可 少的组成部分，并且与工业生产过程发展相 互促进。 计算机的出现为工业生产大型集成控制打 下基础。
过程控制系统的控制质量指标
4、过渡过程的几种基本类型
振幅越来越大，不稳定
在稳态值附近等幅震荡，不稳定
较快到达最大值之后，衰减振荡到 达稳态，稳定
到达最大值之后，缓慢到达稳态， 稳定
过程控制的控制质量指标 决定过程控制系统品质的环节：
被控过程特性（固定） 控制系统结构（设计选择） 过程检测、控制仪表（设计选择）
蒸汽 汽 包 LT 汽 包 液位
蒸汽
LC (
)
水 水
液位
液位
控 汽包液位 控制 ： 液位
：
例2:加热炉的控制 2:加热炉的控制
加热炉在生产过程中往往是关键 的工艺设备，其控制系统的主要 作用： ①维持一可以控制的燃料燃烧效 率(燃料的经济性)；
原料 产品
②保证加热炉操作的安全。 加热炉最主要的控制指标是： 产品的出口温度，出口流量。
n(t)
温度给定 调节器 燃料调节阀 执行器 被控对象 加热炉
x(t) e(t)
p(t)
z(t)
q(t)
y(t) 温度
测量变送
流量调节器
按设定值信号特点分类
定值控制系统 设定x(t)=x0
原料 流量计
F C
燃 料
T 温度 T 计 T 温度调节器 C
随动控制系统 设定随着另一 个参数变化。例如：锅炉进 气量控制系统 顺序控制系统 设定随着预定的 时间顺序变化。工业退火炉 温度控制
例3：过热蒸汽温度控制
蒸汽用来驱动汽轮机作功， 带动发电机产生电力。
汽轮机等负载对蒸汽温度 是有要求的。
过热蒸汽温度控制
生产过程被控参数： 蒸汽温度 控制要求： 保持温度恒定
温度调节器 TC 水 执行器 减温器 TB 汽包 过热器 炉膛 燃料 烟囱 过热蒸汽
例4：再沸加热炉控制
石油化工常用设备 原理：通过控制火嘴加 热量和排风量来控制热 油的加热温度。 生产过程被控参数： 热油出口温度 烟气含氧量 控制要求： 保持温度恒定 烟气含氧量一定
要选择能够代表控制目标的参数：热油出 口温度
测量参数
直接参数：与被控参数直接相关的测量值， 比如出口温度 间接参数：直接参数不能测量，采用测量与 直接参数有函数关系的量
间接参数的例子：精馏塔（石油提炼，产品苯-甲苯混合物）
原油中各种成分沸点各不相同，通过不同压力温度下蒸馏得到 不同产品。（从海水中提取淡水）
稳态和平衡是暂时的、相对的、有条件的 稳态和平衡是暂时的、相对的、有条件的 不平衡和动态是普遍的、绝对的、无条件的。 不平衡和动态是普遍的、绝对的、无条件的。
干扰不断产生，控制作用不断克服干扰的影响，所以
过程控制系统处在运动之中。
过程控制系统的控制质量指标
3、过程控制系统的过渡过程 过程控制系统的过渡过程 定义：处于平衡状态的自动控制系统受输入信号(干扰) 定义：处于平衡状态的自动控制系统受输入信号(干扰) 的作用从一个稳态到另一个稳态的变化过程。 在过渡过程中，被控变量是不断变化的。 影响过渡过程的因素： ≠ 与干扰类型、幅值有关； ≡ 与组成自动控制系统各个环节特性有关。 与组成自动控制系统各个环节特性有关。
五 过程控制系统的控制质量指标
相关理论回顾： 过程控制系统的过渡过程：
系统的稳态和 系统的稳态和动态 1、系统的稳态： 定义：被控变量不随时间变化的平衡状态。 特点：≠ 特点：≠ 各个参数变化率为零；
过程控制系统的控制质量指标
2、系统的动态： 定义：系统受外来干扰或设定值改变后，各变量随时 间变化的不平衡状态。 特点：≠ 特点：≠ 各个参数变化率不为零；
过程控制的控制质量指标
过程控制系统品质评价指标可概括为：
蒸汽 汽 包 液位
值范围内，可调节输出蒸汽 量或输入进水量。但输出蒸 量或输入进水量。但输出蒸 汽量是锅炉运行的主参数， 汽量是锅炉运行的主参数， 一般与负载有关。故汽包水 位 调节进水量 。 水位，在 位 ， 出 调节进水 运 液位 与 定水 ， 。
给水
量
例1：锅炉汽包液位控制
锅炉汽包水位自动控制： 锅炉汽包水位自动控制：
汽包液位对于保证出汽稳定， 锅炉安全十分重要。
例1：锅炉汽包液位控制
汽包液位是锅炉运行 汽包液位是锅炉运行 的重要指标，控制目 标是保持汽包内部的 标是 ， 锅炉的蒸汽 ， 持汽包 位 的 内
蒸汽 汽 包
例1：锅炉汽包液位控制
锅炉汽包水位人工控制： 锅炉汽包水位人工控制： 要保持锅炉汽包水位在给定
四、过程控制系统任务与要求
1、工业生产对过程控制的要求
安全性—基本要求 经济性—越来越重视 稳定性—抗干扰能力
2、过程控制的任务
在了解掌握生产过程工艺、过程的特性的基础上， 按照安全性，经济性，稳定性要求， 对系统进行分析综合后，采取适宜的技术手段实现。 包括：系统的设计和实现
过程控制系统设计与实现
采用哪种结构的控制系统。 比如例3，再沸炉热油出口温度控制，温度控制要求不高，可以通过 单回路温度控制系统（控制方案：燃油流量控制）实现。 控制方案与控制目标，控制精度密切相关。 上面温度控制精度高时，要考虑烟气中氧含量控制。
(5)、选择控制算法
e(t)->p(t)
控制算法有：PID算法，最优算法，滤波算法，自适应算法等等 控制方案和控制算法的选择是系统设计的核心内容。
参 数 电
信号运算
电 变 量
例2：过热蒸汽温度控制系统
温度调节器
被控对象： 炉膛、炉筒、过热器 过程控制仪表： TB，TC（温度调节器）、执行 器、减温器
TC 水 执行器 减温器 TB 锅筒 过热器 炉膛 燃料 烟囱 过热蒸汽
系统wk.baidu.com框图
温度给定 调节器 减温水阀 执行器
n(t)
锅炉系统 被控对象
第一章 概 论
一、生产过程自动化的发展 二、过程控制系统的定义 三、过程控制系统组成分类与特点 四、过程控制系统要求与任务 五、描述过程控制系统性能指标
一、生产过程自动化的发展
1、自动化技术在工业生产中的作用，大致 分为三个阶段： 50年代前，第一阶段（局部自动化阶段） 理论基础：经典控制理论 实现了单输入单输出系统（也出现了串级、 前馈等结构较为复杂系统）。
固定塔压温度-苯含量 关系曲线
温度就是苯含量的间接参数
(3)、选择控制参数 q(t)
一般由工艺决定。 比如例3，热油出口温度的控制参数 为燃油的流量。 当有多个控制参数可以选择时，选取 安全性，经济性，稳定性最好的参数。 比如例3，烟气的含氧量的控制参数 可为烟道档板角度或燃油量。
(4)、确定控制方案