过程控制工程 - 单回路控制系统

1. 过程控制工程-单回路控制系统

2. 绪论 • 现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，以及各公司之间的激烈竞争，人工操作与控制已不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代企业安全，优化，低消耗和高效益生产的主要技术手段。

3. 能 源 付产品 生产过程 产品 原 料 市场 （连续或间歇） 废物 公用工程 （气、液、固） 什么叫工业生产过程？ • 通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫工业生产过程。

5. 过程控制的认识 • 过程控制 ——一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。 • 被控参数种类 主要针对所谓六大参数 温度 压力 流量 液位(或物位) 成分 物性（粘度，干点，冰点等）

6. 过程控制的认识 • 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：炼钢，炼铁，铝厂 ◎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

7. 过程控制的特点 • 被控过程的多样性 ——工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。 ——生产工艺各不相同，这些过程的机理不同，执行机构也不同。 • 被控过程属慢过程，且多属参数控制 ——连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。 ——被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分、温度、压力、流量、液位或物位）表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控变量。 • 控制方案的多样性 ——传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程控制系统。） ——从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。 ——控制算法多种多样，有PID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。

8. 过程控制系统的分类 • 按被控参数分类：温度、压力、流量过程控制系统等 • 按被控变量数分类：单变量和多变量过程控制系统 • 按设定值分类：定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统、程序过 程控制系统 • 按参数性质分类：集中参数和分布参数过程控制系统 • 按控制算法分类：简单、复杂、先进（高级）过程控制系统 • 按控制器形式分类：常规仪表和计算机控制系统 • 按系统结构特点分类：反馈控制、前馈控制和复合控制

9. 过程控制系统的分类——反馈控制 以偏差为依据，以减少或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不及时。！！闭环

10. 过程控制系统的分类——前馈控制 扰动作为依据，以减少扰动对被控量的影响。无法消除偏差。！！开环

11. 过程控制系统的分类——复合控制 前馈能及时克服主要扰动的影响，反馈能检查控制效果，提高控制质量

12. 工业生产过程控制系统发展过程 • 自19世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生活需要。作为工业生产过程一部分的工业生产过程控制系统也在不断发展和提高。现就工业自动化仪表和计算机控制技术应用两方面介绍工业生产过程控制系统发展过程。

13. 自动化仪表技术的发展 规模较小

14. 自动化仪表技术的发展

15. 自动化仪表技术的发展 我国首创的无纸无笔记录仪 微机化的记录、控制仪表（智能化仪表）

16. 计算机控制技术应用的发展

17. DCS CONTROL SYSTEM

18. 工业生产过程自动化 为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的检测和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定地生产与操作等，都离不开自动化技术。一个企业生产过程管理与控制的递阶（分层）结构如下图所示。

19. 决策 调度 优化监控 先进控制 常规控制 生产过程 企业生产过程管理与控制的递阶结构

20. 控制原理 最优化 与方法 方法与技术 系统仿真 计算机 控制工程 技术 与网络技术 化工原理 测量与控制 与对象机理 仪表 过程控制与其它相关学科

21. 控制论 数学 应用数学 过程控制理论 控制工程 控制论与应用的关系

22. 课程的知识模块 • 理论 1.常规单回路控制系统 2.提高响应曲线性能指标的控制系统 主要包括：串级、前馈、大纯滞后控制、解耦控制 3.按某些特定要求而开发的控制系统 主要包括：比值、均匀、分程、选择控制 4.流体输送设备控制 5.传热设备控制 6.精镏塔控制 7.反应器控制

23. 控制系统的组成 通过这讲的学习，我们可以得到以下收获： • 主要内容 1.控制系统的由来 2.简单控制系统的组成 3.控制系统的一些术语和目标

24. 控制系统的组成——控制系统的由来 • 人工控制系统 （1）检测 用眼睛观察液位计（测量元件）实际液位的指示值 （2）运算（思考）大脑根据眼睛观测到的实际液位值与给定值进行比较，得出偏差的大小和方向，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 （3）执行 根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Qo，从而使液位保持在所需高度上。 ◇局限性：控制速度和精度上都满足不了大型现代化生产的需要。

25. 脑 眼 手 控制系统的组成——控制系统的由来 • 液位自动控制系统 （1）检测 用眼睛观察 测量元件 （2）运算（思考） 大脑 液位控制器 （3）执行 通过手去改变阀门开度 控制阀 控制在日常生活中无处不在！

26. 控制系统的组成 • 系统控制组成 被控对象、测量变送器、 执行器、控制器

27. 控制系统的组成 • 被控对象（也称被控过程） 是指被控制的生产设备或装置。 • 测量变送器 用于测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号作为输出。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统一气压信号（0.02～0.1MPa）或直流电流信号（0～10mA或4～20mA）。 • 控制器(也称调节器) 将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号，并按一定的规律给出控制信号。 • 执行器 接收控制器送来的命令信号，相应地去改变控制阀的开度。最常用的执行器是气动薄膜控制阀，在采用电动控制器的场合，控制器的输出还需要经电—气转换器将统一的电流信号转换成统一的气压信号。

28. 控制系统的组成——方块图

29. 方块图说明 （1）每个方块代表控制系统的一个环节 （2）方块图中连线为信号线，不是物料线。 （3）箭头代表信号作用方向 （4）控制系统具有单向性，输入影响输出 （5）信号沿箭头方向前进又回到原起点――闭环 • 特点：自控系统具有被控变量负反馈的闭合回路

30. 过程控制的术语 • 被控变量：过程内要求保持设定值的物理量 • 操纵变量：使被控变量保持在设定值的物料量或能量 • 设定值： 被控变量要求达到的预定值 • 干扰变量：引起被控变量变化的一切外界因素 • 控制通道 • 干扰通道

31. 过程控制的术语 • 问题：控制变量？操纵变量？被控变量？干扰？

32. 过程控制的目标 • 过程控制的目标： • 通过调节操纵变量，以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在设定值 • 应用过程控制系统的主要原因： • （1）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； • （2）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； • （3）经济性：实现效益最大化或成本最小化。

33. 过程控制的目标 • 举例：闪蒸分离过程 分离器中过高的压力非常危险 • 安全性 • 环保 • 设备保护 • 稳定性 • 产品质量 • 利润

34. 过程控制的目标 不能将碳氢化合物释放到空气中 • 安全性 • 环保 • 设备保护 • 稳定性 • 产品质量 • 利润

35. 过程控制的目标 • 安全性 • 环保 • 设备保护 • 稳定性 • 产品质量 • 利润 没有流体将会损坏泵

36. 过程控制的目标 • 安全性 • 环保 • 设备保护 • 稳定性 • 产品质量 • 利润 使物料的流速保持平稳

37. 过程控制的目标 • 安全性 • 环保 • 设备保护 • 稳定性 • 产品质量 • 利润 通过调节解热量来保证关键组分的含量

38. 过程控制的目标 • 安全性 • 环保 • 设备保护 • 稳定性 • 产品质量 • 利润 节约热能

39. 控制系统的性能指标 • 控制系统的过渡过程 • 稳态：受控变量不随时间变化的平衡状态 • 动态：受控变量随时间变化的不平衡状态 • 过渡过程：自动控制系统在动态阶段中，受控变量从一个稳态到另一个稳态随时间变化的过程

40. 控制系统的性能指标（续） • 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 • 过渡过程的基本类型 非周期过程和振荡过程

42. 控制系统的性能指标（续） • 性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳、准确、迅速地回复（或趋近）到给定值上。 • 生产过程对控制系统的要求可概括为： • 系统必须是稳定的；（稳定性）→ 最基本的要求 • 系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确性） • 系统应能提供尽可能快的过渡过程。（快速性）

43. 控制系统的性能指标（续） • 性能指标 定义：评价控制系统性能优劣的指标 出发点：对控制系统的基本要求 分类：（1）以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标 （2）偏差积分性能指标

44. 以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标 • 初始条件 ①系统处于平稳状态（稳态） ②加阶跃干扰 以衰减震荡过程为例：在单位阶跃输入情况下，对于定值系统典型过程曲线如下：

45. 以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标 • 1）衰减比 N ①定义：第一个波峰与第二个波峰之比 N=B/B’ ②工程意义：反映过程稳定性一个指标 N>1 衰减振荡 N=1 等幅振荡 N<1 发散振荡 N>>1 非周期 ＊工程上希望 4:1--10:1 2）超调量 ①超调量：第一个波峰与稳态值之差除以稳态值的百分比 ②工程意义：反映过程稳定性一个指标 衰减比： 超调量：

46. 以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标(续) • 3）最大偏差A ①最大偏差：单位阶跃扰动下，最大振幅B与稳态值C之和的绝对值 ②工程意义：表示偏离设定值的程度 i）偏差愈大，时间域长，离生产状态愈远。 ii）工艺不希望，甚至引起生产事故。 • 4）余差 ①余差：过渡过程终了时的残余偏差 ②工程意义：反映控制准确性的重要指标 生产中一般希望 愈小愈好（不超过某一个预定范围） * 一般由工艺人员提出受控变量的波动范围所规定 最大偏差： 余差：

47. ±5% Ts 以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标(续) • 5）调节时间（恢复时间）Ts ①定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间为止，一般规定进入稳态值 ±5% 或±2%范围内经历的时间。 ②工程意义：反映过程快慢、长短标志（快速性指标） 在N一定相同情况下，Ts愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈好。

48. T ±5% 以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标(续) • 6）振荡周期 T ①定义：从第一个波峰到第二个波峰的时间 周期倒数为振荡频率 ②工程意义：在N一定情况下周期愈短，频率愈高,反映过程快慢的标志

49. 以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标(续) 各指标之间关系: • 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。

50. 偏差积分性能指标 • 引入原因 ① 阶跃响应品质指标 i）初始条件为零 ii）加阶跃（干扰）输入 ② 控制系统输入信号非单一的，对于其它干扰情况下需 建立一个广义的评价函数——偏差积分评价指标 • 偏差积分性能指标 它是以控制系统瞬时误差函数e(t)为泛函数的积分评价系统的系统品质指标。它是用一个数（最小）来衡量一个系统的优劣是否处于最佳状态的一种方法。