第1章过程控制系统概述

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1. 生产过程的连续性 2. 被控对象的多样性 3. 被控对象多属慢过程且多属参数控制 4. 控制方案多样性 5. 定值控制是过程控制的主要形式
☝ 1-4 过程控制系统的发展历史
1. 手工操作阶段(20世纪40年代以前) 观察火候、冷热、色泽、形状等 明宋应星《天工 开物》:“若造熟铁, 则 生 铁 流 出 时 …… 其柳棍每炒一次烧 折二三寸 , 再用则又 更之。炒过稍冷之 时 , 或有就塘内斩划 成方块者 , 或有提出 挥椎打圆后货者。
☝1-4 过程控制系统的发展历史
5. 综合自动化及先进控制阶段(20世纪90年代至今)
特点:
在计算机通信网络和分布式数据库的支持下,实现信 息与功能的集成; 集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业 管理、经营决策等功能于一体; 充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统。 形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的 全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。
Ferranti Argus Computer
☝1-4 过程控制系统的发展历史
4. 计算机控制阶段(20世纪70年代至80年代) 特点: 气动Ⅲ型和电动Ⅲ型;
适合工业自动化的商品化系列控制计算机出现; DCS出现; DCS、PLC、工业PC等已成为控制装置主流。
现代控制理论向纵深发展,开始在过程控制中应用。

内蒙古工业大学电力学院自动化系
张计科
☝ 本章主要内容
1-1 过程控制系统的组成 1-2 过程控制系统的分类 1-3 过程控制系统的特点 1-4 过程控制系统的发展历史 1-5 过程控制系统的性能指标 1-6 控制工艺图的组成及符号解释
☝ 1-1 过程控制系统的组成
Qi
h
LC
hsp Qo
传感测量器:液位计+人眼 控制器:大脑 执行机构:手+手动阀
差压传感变送器 电动调节器 自动调节阀
H:液位 P:压力 F:流量 T:温度
☝1-1 过程控制系统的组成
Qi
h
LC
hsp Qo
扰动 Qi(t) 设定值 hsp + _ 偏差 e(t) 控制信号 u(t) 操纵变量 Qo(t)
液体贮罐 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 h(t)
液位 控制器
出水 控制阀
古 代 冶 炼 图
☝1-4 过程控制系统的发展历史
2. 简单仪表化阶段( 20世纪40年代中期-50年代) 部分企业实现了仪表控制和局部自动化
特点:
采用基地式仪表和部分组合仪表;
☝1-4 过程控制系统的发展历史
2. 简单仪表化阶段( 20世纪40年代中期-50年代)
被控参数:温度、压力、流量、液位;
☝1-1 过程控制系统的组成
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)
一般的单回路控制系统
操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable, MV):受控制 器操纵,用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的 物料量或能量。如液体流出流量、蒸汽流量。
+
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
一般的单回路控制系统
被控变量/受控变量/过程变量(Controlled Variable - CV, Process Variable - PV):被控对象中要求保持设定值的工 艺参数。如液位、蒸汽温度。 常见的被控变量:温度、压力、流量、液位或料位、成 分与物性等六大参数;
☝1-5 过程控制系统的性能指标
1、工业过程对控制的要求
稳:
准:
快:
可靠:
☝1-5 过程控制系统的性能指标
1、工业过程对控制的要求
稳:动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态 的能力。
2.0
2.0
过程1
1.8 1.6
1.5
1.4 1.2
1.0
h(t)
1.0 0.8
0.5
0.6 0.4
过程2
0 5 10
☝1-6 控制工艺图的组成及符号解释
仪表及仪表位号的标注(续)
被测变量及仪表功能的字母组合示例见下表。
☝1-6 控制工艺图的组成及符号解释
表示生产过程中最常用的执行调节机构——气动薄 膜调节阀
TRC 101
集中盘面安装 就地安装
PI 121

再见!
t
0.0 0 1 2 3 4
0.2
t
0.0
15
20
25
☝ 1-5 过程控制系统的性能指标
1、工业过程对控制的要求
准:系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后 重新恢复平衡后,最终保持的精度,反映了动态后期 的性能。
1.6 1.4
平衡点
1.2
1.0
h(t)
偏最 差大
0.8
0.6 0.4 0.2 0.0 0 5 10
☝1-2 过程控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法,站在不同的角度分类不同。
分类特征 按控制方式分 控制方式 开环控制 闭环控制 复合控制 恒值系统 按给定值变化 规律分 随动系统 按偏差调节 闭环反馈为主,开环补偿为辅 保持输出恒定 输出跟随输入变化 特点 按给定值操纵、按干扰补偿
程序控制系统
现代控制理论产生并在某些尖端领域取得惊人成就;
在60年代中、后期,已出现用计算机代替模拟调 节器的直接数字控制DDC和由计算机确定模拟调 节器或DDC回路最优设定值的监督控制SCC !
☝1-4 过程控制系统的发展历史
3. 单元组合仪表化阶段(20世纪60年代)
1962 年 , 英 国 帝 国 化 学 工 业 公 司 (Imperial Chemical Industries,Ltd)用一台名为Ferranti Argus 的计算机代替原来过程控制中的全部模拟仪表,计 算机直接测量224个变量和控制129个阀门。
设定值 ysp
+
பைடு நூலகம்
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
一般的单回路控制系统
设定值/给定值(Setpoint - SP, Setpoint Value - SV ):被控 变量的预定值。如水箱的期望液位、蒸汽的期望温度。 控制/控制信号/控制变量(Control Variable):作用于执 行机构以引起操纵变量变化的变量。如阀门开度。
蒸汽 控制阀
蒸汽量 RV (t)
测量值 Tm(t)
温度测量 变送器
热交换器的温度控制系统
☝1-1 过程控制系统的组成
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
t
15
20
25
☝ 1-5 过程控制系统的性能指标
1、工业过程对控制的要求 快:动态过程进行的时间长短,过程时间持续很长,将 使系统长时间出现大偏差,同时也说明系统响应很迟 钝,难以复现快速变化的信号。
1.6 1.4 1.2 1.0
过程1
h(t)
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 5 10
t
过程2
15 20 25
☝1-5 过程控制系统的性能指标
2、指标
1. 稳定性 ►分析方法 直接求根: 判 据: 应用双线性变换(w 变换)劳斯稳定判据 朱利稳定判据 ►衡量指标 相角裕度 幅值裕度
☝1-5 过程控制系统的性能指标
2. 能控性与能观性
3. 动态指标 常用指标: s 域 - 上升时间 t r 调节时间 t s 超调量 % z域 -闭环主导极点 s n jn 1 2
☝1-4 过程控制系统的发展历史
3. 单元组合仪表化阶段(20世纪60年代) 特点: 企业界大量使用单元组合仪表及组装仪表,出现了以 4~20mA 和0~10mA为统一信号的电动模拟控制系统;
☝1-4 过程控制系统的发展历史
3. 单元组合仪表化阶段(20世纪60年代) 被控参数:多样化; 控制系统结构:MIMO ; 控制策略:主要是PID控制以及串级、均匀、比值、分程 和选择性等常规复杂控制策略;
TRC 101
加热蒸汽
冷凝水
成品
被控量的测量点,本例指反应器内反应温度
TRC 101
仪表圈,代表广义上的仪表(可以不止一种类 型的仪表)
☝1-6 控制工艺图的组成及符号解释
仪表圈,代表广义上的仪表(可以不止一种类 型的仪表) T RC_1 01 顺序号(一般两位数字,也可三位数字)
101 TRC
工序号(一般一位数字,也可两位数字) 仪表功能字母代号, C(Control)控制,R(Record)记录, A(Alarm)报警,I(Indicate)显示 被测变量字母代号, T(Temperature)温度,P(Pressure)压力, F(Flow)流量,L(Level)液位,A( Analysis)成分
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
液位控制系统
☝1-1 过程控制系统的组成
Tsp
TC
蒸汽 u(t) RV
Tm RF , Ti T 凝液
扰动 RF (t), Ti (t) 热交换器 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 T(t)
进料
设定值 Tsp + _
偏差 e(t)
温度 控制器
控制信号 u(t)
扰动/扰动变量 (Disturbance Variable, DV):除操纵变量之 外,作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。如液 体流入流量、进料量。
☝1-1 过程控制系统的组成
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)
z eTs
z exp[T (n jn 1 2 )]
z exp(nT )
z nT 1 2
% e


1
2
100%
☝1-5 过程控制系统的性能指标
4. 稳态指标 稳态误差 5. 积分型指标
ess
☝1-6 控制工艺图的组成及符号解释
原料甲 原料乙
☝1-1 过程控制系统的组成
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)
一般的单回路控制系统
测 量 / 测 量 信 号 / 测 量 值 (Measurement , Measurement Value ):从工业现场对被控变量通过测量和变送后得到的 信号值,即被控变量的测量值。 偏差/误差(Deviation,Error):被控变量给定值与实际 值之差。通常把给定值与测量值之差作为偏差。
温度控制系统 压力控制系统 按被控变量分 流量控制系统 …… 液位控制系统 线性/非线性系统
输出按照预先设定好的程序变化
以温度为被控量 以压力为被控量 以流量为被控量 …… 以液位为被控量 线性系统满足叠加原理
按系统性能分
连续/离散性系统
定常/时变性系统
离散系统中包含数字量
时变系统参数随时间变化
☝1-3 过程控制系统的特点
测量变送 Gm (s)
一般的单回路控制系统
被控对象:工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。 如水箱、热交换器。
☝1-1 过程控制系统的组成
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
☝1-4 过程控制系统的发展历史
2. 简单仪表化阶段( 20世纪40年代中期-50年代) 1959年3月12日,系统在线运行。 • 控制26个流量、72个 温度、 3 个压力、 3 个成 分 • 使反应器压力最小, 确定 5 个反 应器进 料 量 的最优分配,根据催化 作用控制热水流量和确 定最优循环
控制系统结构:SISO ; 理论基础:经典控制理论 。
50年代中期,人们开始研究将计算机用于 工业过程控制!
☝1-4 过程控制系统的发展历史
2. 简单仪表化阶段( 20世纪40年代中期-50年代)
RW-300 Computer 1956年3月,TRW( Thomson Roma Woolrige )航天工业公司和 德克萨柯(Texaco)公司针对德克萨斯州的Port Arthur(波特.阿瑟) 炼油厂的一台聚合装置联合研究出一个采用 RW-300计算机控 制该聚合装置的计算机控制系统。
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