过程控制技术及应用.ppt

1,过程装备控制技术及应用,2,本课程是过程装备与控制工程专业的专业（基础）课，是集自动控制技术、仪器仪表、化工生产过程与科研自动化于一体的综合性、技术性课程。通过本课程的学习，使同学们初步掌握过程装备控制系统的基础知识和基本概念；重点掌握过程检测技术（压力、温度、流量、物位、物料成分等主要工艺参数的测量方法和所用仪器仪表）和过程控制装置的应用；了解计算机控制等先进过程控制系统的概念和典型应用。在掌握以上基础知识后，结合典型过程控制系统应用方案，培养同学们在专业学习和工作中分析和解决化工实际问题的能力。,前 言,3,课程总学时：64课时（其中讲授52、实验12）总 学 分：4考 核 方 式：期末考试（70）实验成绩（10）平时成绩（20）,4,第一章 控制系统的基本概念,社会经济过程中的全部产品通常分为三类，即硬件产品、软件产品和流程性材料产品。在上世纪初，世界各国都把“先进制造技术”列为优先发展的战略性高技术之一。先进制造技术主要是指硬件产品的先进制造技术和流程性材料产品的先进制造技术。所谓“流程性材料”是指以流体(气、液、粉粒体等)形态为主的材料。过程工业就是加工制造流程性材料产品的产业之一。过程工业产品主要是利用成套的过程装置来生产的，它通常是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表,5,和设备，即能平稳连续地把以流体为主的各种流程性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品。过程设备(如塔、换热器、反应器与储罐等)与过程机器(如压缩机、泵与分离机等)二者的统称为过程装备。过程装备控制是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部的直接劳动，使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。这种利用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化。过程装备控制是生产过程自动化最重要的一部分。,第一章 控制系统的基本概念,1、概 述,6,总之，生产过程自动化是提高社会生产力的有力工具，它能够稳定生产、提高产品质量、降低生产成本，改善劳动条件。自20世纪30年代以来，随着自动控制理论的不断发展以及电子计算机的出现，自动化技术已取得了惊人的成就，自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分。可以说，如果不配置合适的自动控制系统，大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。,第一章 控制系统的基本概念,1、概 述,7,第一章 控制系统的基本概念,1.1.1 生产过程自动化系统包含的内容,1、概 述,生产过程的工艺变量,自动检测系统,自动操纵系统,自动控制系统,信号连锁系统,8,第一章 控制系统的基本概念,自动检测系统 要控制不断进行着各种物理化学变化的生产过程，首先必须随时了解生产过程中各工艺参数的变化情况。为此，必须采用各种检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传感器等）自动连续地对各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位等）进行测量，并将测量结果用仪表指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送给控制系统，作为自动控制的依据。,1、概 述,9,第一章 控制系统的基本概念,生产过程自动化系统包含的内容,1、概 述,生产过程的工艺变量,自动检测系统,自动操纵系统,自动控制系统,信号连锁系统,10,第一章 控制系统的基本概念,自动操纵系统 这是一种根据预先规定的程序，自动地对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。自动控制系统 利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动地重新回复到规定的范围之内，从而保证生产的正常进行。,1、概 述,11,第一章 控制系统的基本概念,生产过程自动化系统包含的内容,1、概 述,生产过程的工艺变量,自动检测系统,自动操纵系统,自动控制系统,信号连锁系统,12,第一章 控制系统的基本概念,信号联锁系统 信号联锁系统是一种安全装置。在生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响会导致某些工艺变量超出允许的变化范围，使生产不能正常运行，严重时甚至会引起燃烧、爆炸等事故。为了确保安全生产，常对这些关键性变量设置信号报警或联锁保护装置。其作用是在事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施。若工况已接近危险状态，信号联锁系统将启动：打开安全阀，切断某些通路或紧急停车，从而防止事故的发生或扩大。,1、概 述,13,第一章 控制系统的基本概念,1.1.2 过程装备控制的任务和要求 过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等参数进行控制。虽然工业生产对过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为三项要求：即安全性、经济性和稳定性。,1、概 述,14,第一章 控制系统的基本概念,安全性是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限报警、事故报警和连锁保护等措施加以保证。经济性是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少。也就是要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能源的匮乏，经济性已越来越受到各方面的重视。稳定性是指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。在生产过程中，原材料成分变化、反应器内催化剂老化、换热器表面结垢等都会或多或少地影响生产过程稳定性。,1、概 述,15,第一章 控制系统的基本概念,过程装备控制的任务：就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。因此可以说，过程装备控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等相结合而构成的一门综合性应用科学。,1、概 述,16,1.2 控制系统的组成 工业生产过程都是在一定的温度、压力、浓度、物位等工艺条件下进行的。为此，必须对这些工艺变量进行控制，使其稳定在保证生产正常运行的范围之内。为了实现控制要求，通常有两种方式可以选择：人工控制和自动控制。下面以锅炉汽包水位控制为例，说明人工控制与自动控制的执行过程。,第一章 控制系统的基本概念,2、控制系统的组成,17,第一章 控制系统的基本概念,2、控制系统的组成,18,第一章 控制系统的基本概念,2、控制系统的组成,插：锅炉组态,19,第一章 控制系统的基本概念,2、控制系统的组成,20,第一章 控制系统的基本概念,自动控制与人工控制比较:在自动控制系统中，测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替了人工控制中人的观察、思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度,2、控制系统的组成,远远高于人的观察、思考和操作过程，因此自动控制可以满足信号变化速度快、控制要求高的场合。,21,第一章 控制系统的基本概念,2、控制系统的组成,从上面锅炉汽包水位的自动控制系统中可以看出，一个自动控制系统主要由两大部分组成:一部分是起控制作用的全套自动控制装置，它包括测量仪表、变送器、控制仪表以及执行器等;另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。,被控对象,22,第一章 控制系统的基本概念,2、控制系统的组成,被控对象：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象。在化工生产中，各种塔、反应器、泵、压缩机以及各种容器、贮堆、贮槽等都可以是被控对象。测量元件和变送器：测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号(电信号或气压信号)的仪器，在自动控制系统中起着“眼睛”的作用。调节器：又称控制器，它将测量元件或变送器送来的信号与其内部的工艺参数给定值信号进行比较，得到偏差信号;根据这个偏差的大小按一定的运算规律算出控制信号，由控制信号驱动执行器。,23,第一章 控制系统的基本概念,2、控制系统的组成,执行器：执行器接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给被控对象的能量或物料量。最常用的执行器是气动薄膜调节阀和电动调节器。,被控对象,变送器 测量元件,给定值,调节器(显示),执行器,24,第一章 控制系统的基本概念,3、控制系统方框图,1.3 控制系统的方框图 在研究控制系统时。为了能够更清楚地表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息联系，一般用方框图来表示控制系统的组成和作用。,25,第一章 控制系统的基本概念,3、控制系统方框图,被控变量y：指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度、物料流量等。给定值(或设定值)ys：对应于生产过程中被控变量的期望值。可由调节器内部或由外界给定。测量值ym：由检侧元件得到的被控变量的实际值。操纵变量(或控制变量)m：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量，它是调节阀的输出。控制信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。,26,第一章 控制系统的基本概念,例：画出右图反应器控制系统的方框图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰。,3、控制系统方框图,27,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,1.4 控制系统的分类：自动控制系统的分类方法有很多。按被控变量的不同，可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制系统、成分控制系统等。按调节器的控制规律，可分为比例控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述几种分类方法。,28,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,按给定值的特点划分,定值控制系统 给定值是恒定不变的，控制系统的输出(即被控变量)应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在规定工艺指标的上下一定范围内变化。定值控制系统是生产过程控制中最常见的。随动控制系统 给定值的变化是随机的。这类系统的主要任务是使被控变量能够迅速地、准确无误地跟踪给定值的变化，因此这类系统又称为自动跟踪系统。程序控制系统给定值按一定的时间程序性地变化。这类系统在间歇生产过程中的应用比较广泛。,29,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,按输出变量对操纵变量影响分,闭环控制 这种系统输出信号的改变返回来影响操纵变量，操纵变量不是独立存在的，它依赖于输出变量。闭环控制系统的最常见形式是负反馈控制系统（当操纵变量使系统的输出信号增大时，反馈影响操纵变量的结果使输出信号减小）。工业控制系统绝大多数是闭环控制系统。开环控制 操纵变量不受系统输出信号的影响。为了使系统的输出满足事先规定的要求，必须周密而精确地计算操纵本来的变化规律。一个工业控制系统，当反馈回路断开或调节器置于“手操”位置时，就成为开环控制系统。,30,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,按系统的复杂程度划分,简单控制系统 这类控制系统只有一个简单的反馈回路，所以也可称为单回路控制系统。,复杂控制系统 工程上的控制系统常常比较复杂，它们可表现为在系统中包含多个调节器、检测变送器或执行器，从而形成系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个输出信号。,31,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,32,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,按系统克服干扰的方法分,反馈控制系统 当干扰使系统的被控变量发生改变时，被控变量反馈至系统输入端与给定值相比较并得到偏差信号，经调节器及调节阀影响操纵变量以减弱或消除被控变量的变化。,前馈控制系统 当干扰引起被控对象的输出y2改变时，控制系统测得干扰信号的大小，并输入前馈补偿器(或称前馈控制器)，由前馈补偿器的输出去控制操纵变量二，引起被控对象输出y1的改变，并且y1与y2的方向相反，,33,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,由此减弱或消除被控变量y受干扰影响而产生的变化。当前馈完全补偿时，有y=y1 y2=0。,34,第一章 控制系统的基本概念,前馈反馈控制系统 当以上两种控制系统复合在一起时，就构成了前馈一反馈控制系统。这种系统当受到干扰的影响时，可以通过前馈控制器使被控变量不变，若前馈补偿不完全或受其他因素影响，还可以通过反馈控制系统加以修正。,4、控制系统的分类,35,第一章 控制系统的基本概念,4、控制系统的分类,在实际工程上控制系统的形式多种多样，各具特点。随着自动控制技术的不断进步和完善，以及智能化仪表和计算机控制的应用，自动控制系统的形式越来越多，有些控制系统可以是不同类型系统的组合。,36,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标 处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用后，被控变量会发生变化而偏离给定值，系统进入过渡过程。自动控制系统就立即检测变化、计算偏差并消除偏差。在这一过程中，被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速度、精度等都是衡量自动控制系统质量的依据。,37,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,控制系统的过渡过程 从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量尽量回复到给定值附近。然而这一回复并不是瞬间完成的，而是要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。它是控制系统在闭环情况下，在干扰和自动控制的共同作用下形成的。,在生产过程中，干扰的形式是多种多样的，而且大部分都属于随机性质，其中阶跃于扰对控制系统的影响最大，且最为多见。,38,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,在阶跃干扰的作用下，控制系统的过渡过程有如下几种基本形式：,等幅振荡过程 被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变。这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用。只是在某些工艺上允许被控变量在一定范围内波动、控制质量要求不高的场合，这种形式的过渡过程才被采用。,39,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,发散振荡过程 它表明系统在受到阶跃干扰的作用后，不但不能使被控变量回到给定值，反而越来越偏离给定值，以致超出生产的规定限度，严重时引起事故。这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免。衰减振荡过程 被控变量在稳定值附近上下波动经过二三个周期就稳定下来。这是一种稳定的过渡过程，在过程控制中，多数情况下都希望得到这样的过渡过程。,40,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,非振荡的单调过程 它表明被控变量最终稳定下来了，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，因此一般不采用。,综上所述，一个自动控制系统的过渡过程，应该是一个渐趋稳定的过程，这是满足生产要求的基本保证；因此，在大多数场合下，对待干扰应是采用衰减振荡的调节过程。,41,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,控制过程的性能指标：衰减振荡的过渡过程是人们所希望得到的一种稳定过程。它能使被控变量在受到干扰作用后重新趋于稳定，并且控制速度快、回复时间短。但每一个衰减振荡过程的控制质量并不完全相同。要评价和讨论一个控制系统性能的优劣，就必须建立某些统一的衡量标准。取什么样的指标作为衡量标准是根据工艺过程的实际需要而定的。通常采用如下的两大类标准。,42,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,一类是以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线（又称过渡过程曲线）的形式给出的，如最大偏差(或超调量)、衰减比、余差、回复时间等，称为过渡过程的质量指标;另一类是偏差积分性能指标，一般是期望输出与系统实际输出之间误差的某个函数的积分，常用的有平方误差积分指标、时间乘平方误差的积分指标、绝对误差积分指标以及时间乘绝对误差的积分指标等，这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。,43,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,（1）、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标：,定值系统 随动系统,最大偏差A（或超调量）：对一个定值控制系统来说，最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差；在随动控制系统中，通常采用超调量指标,44,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,定值系统 随动系统,衰减比：是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，即B1:B2一般用n:1表示。n愈小，衰减程度愈小，n愈大，愈接近非周期单调过程.n=1时，过渡过程为等幅振荡;n1时，过渡过程为衰减振荡;n，过渡过程为单调过程。从便于操作管理，一般希望衰减比在4:110:1为好。,45,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,回复时间ts：是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态所用时间，即整个过渡过程所经历的时间。从理论上讲，被控变量完全达到新的稳定状态需要无限长的时间，但通常在被控变量进入新稳态值的5%的范围内不再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值。因此，实际的过渡时间是从扰动开始作用之时起，直至被控变量进入新稳态值的 5%的范围内所经历的时间。,定值系统 随动系统,46,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,定值系统 随动系统,余差e（）是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与设定值之差。即e()y()ys 在控制系统中，余差反映了系统的控制精度。振荡周期T 过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔称为振荡周期。在相同的衰减比条件下，振荡周期短些为好。,47,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,（2）、偏差积分性能指标：假若要对几种过渡过程曲线作出谁是“最优”的评论，则必须首先规定“最优”的性能指标。这种指标与过渡过程形式代表的质量指标不同，它应是系统动态特性的一种综合性能指标，这样才能对整个过渡过程曲线的形状作评价。一般采用误差函数的积分形式表示。假定控制系统期望输出与实际输出分别为r(t)和y(t)。则定义误差(又称偏差)为 e(t)=r(t)y(t)当系统有余差时，可定义为 e(t)=y()y(t),48,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,平方误差积分指标(ISE)时间乘平方误差积分指标(ITSE)绝对误差积分指标(IAE)时间乘绝对误差积分指标(ITAE),49,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,讨 论 IAE指标在图形上也就是偏差面积积分。这种指标，对出现在设定值附近的偏差面积与出现在远离设定值的偏差面积是同等对待的。而ISE指标，却对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标值J是不一样的:对远离者目标值J要大些;对临近者要小些。所以说，ISE相对于IAE而言，前者对大偏差敏感。若用ISE指标来调整控制器参数，则所得到的过渡过程不会出现大偏差。,50,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,时间乘绝对误差积分指标(ITAE)，实质上是把偏差面积用时间来加权。同样的偏差积分面积，由于在过渡过程中出现时间的先后不同其目标值J是不同的。出现的时间越迟，目标值J越大;出现的越早，J值越小。所以说，ITAE指标对初始偏差不敏感，而对后期偏差非常敏感。可以想象，若用ITAE指标来调整控制器参数，其过渡过程的初始偏差较大，而随着时间的推移，偏差将很快降低。这意味着，它的阶跃响应曲线衰减比大、过渡时间较短。,51,第一章 控制系统的基本概念,5、过渡过程及性能指标,时间乘平方误差积分指标(ITSE)兼有ISE指标和ITAE指标的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。实际上，控制系统的各种性能指标是彼此相关、相互约束的，不可能出现同时都是最好的情况。确定性能指标时主要看能否满足工艺要求，如对于定值控制系统，一般要求被控变量最大偏差小、尽可能快地回复到给定值;对于随动控制系统，要求被控变量以一定精度快速跟上给定值的变化，因此希望超调量小、调节时间尽可能短。,END,52,补 充,53,补 充,54,补 充,55,补 充,56,补 充,57,58,59,60,