1. 第一讲——绪论.pdf

过程控制原理应用I 检测技术与过程控制原理 主讲人：安剑奇、曹卫华、金星 中国地质大学（武汉） 自动化学院 2020年9月 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 任课教师 安剑奇  教授、博士生导师、自动控制系主任  电话：027-87175089  E-mail：anjianqi@cug.edu.cn  办公地址：先进控制与智能自动化研究所 信息楼703室  个人主页：http://grzy.cug.edu.cn/anjianqi/zh_CN/index.htm  研究方向：过程控制，智能控制，信息融合  教授课程：检测技术与过程控制原理、自动控制原理、微机 原理与接口技术、人工智能与无人驾驶（通选课） 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 任课教师 曹卫华  教授、博士生导师、自动化学院常务副院长  E-mail：weihuacao@cug.edu.cn  办公地址：信息楼313室  个人主页：http://grzy.cug.edu.cn/caoweihua/zh_CN/index.htm  研究方向：过程控制、智能系统和机器人技术  教授课程：检测技术与过程控制原理、网络化过程控制系统、 计算机网络等 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 任课教师 金星  教授  E-mail：jinxing@cug.edu.cn  办公地址：信息楼 206 室  个人主页：http://grzy.cug.edu.cn/jinxing/zh_CN/index.htm  研究方向：智能检测与智能仪器  教授课程：检测技术与过程控制原理 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 课程介绍  过程控制原理与应用技术  I:检测技术与过程控制原理—安剑奇、曹卫华、金星  II: 网络化过程控制系统– 何王勇、曹卫华  先修课程：  自动控制原理、传感器与自动化仪表等  教材：  郭一楠、常俊林等编著，过程控制系统，机械工业出版社，2013年  参考书：  金以慧，过程控制，清华大学出版社  李国勇，过程控制系统，电子工业出版社，2009  方康玲. 过程控制系统，武汉理工大学出版社(第2版)， 2007  邵欲森，过程控制及仪表，上海交通大学出版社，2007 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 课程介绍  自动化专业重要的限选课、是指导工业过程领域控制系统分 析、设计和集成的理论结合实践的重要综合性课程  课时数安排及学分数：  学分：3.5  课时分配：理论学时40 + 实验学时16 = 共计 56 学时  配套实践环节：PLC综合设计+DCS综合设计  评分标准：  平时成绩：占总评成绩40% （出勤及课堂表现、作业、实验）  闭卷考试：占总评成绩60% 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 课程要求  课程要求 ——上课认真听，下课仔细看。很难！很简单！  课堂纪律 ——手机关机或震动、上课保持安静、不准吃东西  实验要求 ——注重前、中、后三个环节 9/17/2020 过程控制原理与应用技术I 第1章 中国地质大学（武汉） 安剑奇 绪论 过程控制原理与应用技术I 1.1 什么是过程控制  什么是过程？ 中国地质大学（武汉） 安剑奇 过程控制原理与应用技术I 1.1 什么是过程控制  什么是过程？ 中国地质大学（武汉） 安剑奇 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制  什么是过程？（狭义）  定义：通过生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换， 采用化学和物理的方法将原材料加工成产品的过程  表征过程的主要参量：温度、压力、流量、液位、物位、成分、浓度、 粘度、PH值等  应用领域：石油、化工、冶金、机械、电力、纺织、建材、材料、轻 工及航空航天等工业部门 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制  什么是过程控制？  利用检测技术、控制理论与方法、执行器设备、网络与计算机平台等 设计自动控制系统  保持生产过程中各种参数处于期望的运行工况，安全经济运行，满足 环境和质量的要求  单回路的控制系统结构 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制  过程变量分为三类：  被控量（Controlled Variable）：被控制的过程变量，如液位，温度等。 被控量的期望值称为设定值  操作量（Manipulated Variable）：用来保持被控量等于或接近设定值 的过程变量。如液体输入流量，蒸汽量等  干扰量（Disturbance Variable）：能够影响被控量的过程变量，往往与 过程操作环境的变化有关，如环境温度，物料入口温度等 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----案例1液位控制  液位变化过程 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----案例1液位控制 （1）基本问题 （2）手动控制 （3）自动控制 传感测量器：液位计+人眼 手动控制： 控制器：大脑 执行机构：手+手动阀 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----案例1液位控制  液位自动控制系统结构 扰动 Qi(t) 设定值 hsp 偏差 e(t) + 测量值 hm(t) _ 液位 控制器 控制信号 u(t) 出水 控制阀 液位传感 测量变送器 操纵变量 Qo(t) 液体贮罐 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 h(t) 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----案例2温度控制  温度变化过程 蒸汽 Tsp u(t) TC RV Tm RF , Ti 进料 T 凝液 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----案例2温度控制  温度自动控制系统结构 扰动 RF (t), Ti (t) 设定值 Tsp 偏差 e(t) + 测量值 Tm(t) _ 温度 控制器 控制信号 u(t) 蒸汽 控制阀 温度测量 变送器 蒸汽量 RV (t) 热交换器 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 T(t) 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----案例3多对象协调控制  网络化工程控制系统结构 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----分类  连续过程：稳态条件下连续完成生产任务的生产过程 产品制造的各道工序，前后必须紧密相 连的生产方式。即从原材料投入生产到 成品制成时止，按照工艺要求，各个工 序必须顺次连续进行 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----分类  间歇（半间歇）过程：  存在一系列操作工序，需要按照预定的顺序来执行，从而生产出指定 数量的产品，适于产品频繁改变或产量较少情况 零件按照特定的加工要求，在不同的加工中心顺序加工，设备通常按照加工 功能分组布置，通过不同的加工中心生产过程控制，加工过程可以停顿，形 成在制品，并可以存储的生产组织方式 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----分类  连续过程与间歇过程之间的差别 类型 间歇过程 连续过程 生产过程 按预定顺序进行 连续生产 设备的使用 能生产多种产品任意组合 生产给定的一种产品 输出产品 批量 连续 工艺条件 可变化 稳态、一般不变化 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.1 什么是过程控制----特点  生产过程的连续性：在过程控制系统中，大多数被控过程是以长期的 或间歇形式运行，在密闭设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响  被控过程的复杂性：过程控制涉及范围广，被控对象较复杂，建模困 难；大多属于慢过程，常具有大惯性、纯滞后特性；多输入多输出控 制回路多，常常相互耦合等  控制方案的多样性：过程控制系统的控制方案非常丰富  大多数工艺要求定值控制  大多使用标准化的检测、控制仪表及装置 过程控制原理与应用技术I 1.1 什么是过程控制----难点  过程参数信号测量问题  被控过程的滞后特性  被控过程的时间常数长短不一  非线性特性  时变性  执行器特性  耦合特性 中国地质大学（武汉） 安剑奇 过程控制原理与应用技术I 课程学习知识点  过程控制系统概况  检测技术与执行器  接口技术与过程通道  生产过程系统模型与建模方法  常规过程控制系统设计  复杂过程控制系统设计  过程控制系统分析与设计 中国地质大学（武汉） 安剑奇 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 课程基本要求  了解过程控制系统的发展历程和趋势、系统结构特点、典型特征、知 识体系、相关技术与工具软件  掌握检测技术和执行器原理，掌握现代过程控制系统中常用自动化仪 表接口特征、信息获取技术、数据处理方法  掌握过程控制系统对象动态特性和性能评价指标  掌握现代过程控制系统对象的数学建模方法和辨识技术  掌握过程控制系统的控制策略和计算机数字控制方法，以及参数整定 和工程实现方法  初步掌握过程控制系统的设计与开发流程 能够从事工业过程控制领域的自动化系统的分析、设计、 开发、调试与日常维护等工作 过程控制原理与应用技术I 1.2 过程控制性能要求 1.2.1 时域控制性能指标 1.2.2 积分控制性能指标 中国地质大学（武汉） 安剑奇 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.1 时域控制性能指标  时域性能指标：阶跃输入信号作用下，控制系统输出响应曲线 表示的控制系统性能指标 y (t ) r (t ) y (∞) O y1 y2 ts t 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.1 时域控制性能指标  衰减比：控制系统的稳定性指标，衡量振荡过程的衰减程度，越大系统 越稳定 y1 n= y2  n = 1:1 表明等幅振荡，临界稳定  n > 1:1 表明衰减振荡，稳定  n < 1:1 表明发散振荡，不稳定  衰减率：每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即 = ψ y1 − y2 × 100% y1 为保证系统有足够的稳定度，通常取 ψ=0.75或0.9（两周期后趋于稳定）， 随动系统 n = 10:1，定值系统 n = 4:1 y (t ) y1 r (t ) y (∞) O y2 ts t 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.1 时域控制性能指标  超调量：表征过渡过程中被控量偏离设定值的超调程度，反映控制 系统的稳定性  余差：过渡过程结束后被控量值与设定值间的最终稳态偏差 e(∞ ) = r − y(∞ )  调节时间：ts，从被控量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范 围内的时间，衡量控制系统的快速性 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.1 时域控制性能指标  偏离度： 被控量的统计特性，通常遵循正态分布。若采用被控量的 均值a作为设定值，则偏离度𝜎𝜎采用其标准差度量 1.0 0.8  蓝线：均值=0；标准差=0.5  红线：均值=0；标准差=1 0.6 0.4 0.2 0 -3 -2 -1 0 1 2 3 y 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.1 时域控制性能指标  说明  上述各项性能指标相互联系又相互制约  同时满足系统各项性能指标要求是很困难的  应根据生产工艺的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足 主要的性能指标 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.2 积分控制性能指标  偏差的积分性能指标也可衡量控制系统的性能，是系统的综合性 能指标，常用于分析系统的动态响应性能，主要包含以下几种：  误差积分(IE) ∞ IE = ∫ e( t )dt 0 简单、但不能反映等幅波动  误差绝对值积分(IAE) ∞ IAE = ∫ e( t ) dt 0 有利于反映等幅波动 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.2 积分控制性能指标  偏差的积分性能指标可衡量控制系统的性能，是综合性能指标， 用于分析系统的动态响应性能，主要包含以下几种：  误差绝对值与时间乘积的积分 (ITAE) ∞ ITAE = ∫ t e( t ) dt 0 有利于反映等幅波动和大误差  误差平方积分(ISE) ∞ ISE = ∫ e( t )2 dt 0 有利于反映长过度时间 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.2.3 过程控制系统的重要准则  一个过程控制系统正常运行的重要准则：  负反馈准则：控制系统负反馈条件是各开环增益之积为正  控制系统稳定运行准则：  静态稳定运行条件是控制系统各环节增益之积基本不变  动态稳定运行条件是控制系统总开环传递函数的模基本不变 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.3 过程控制系统的组成 扰动 给定 偏差 控制信号 控制量 被控量 测量值 过程控制由检测变送单元，控制器，执行器和被控过程（对象组成） 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.3 过程控制系统的组成  检测变送单元：检测被控量，并将检测到的信号转换为标准电信号输出  执行器：用于操作控制量变化  被控过程：需要控制的设备，装置或流程  控制器：根据检测变送单元的输出信号与设定值信号间的偏差，按一定 控制规律计算得到相应的控制信号，并经变化和放大后推动执行器  设定值：被控参数的设定值  测量值：测量变送输出的被控参数值  偏差：设定值与测量值之差  扰动作用：作用于被控对象的并引起被控变量变化的作用 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.3 过程控制系统的组成 差压变送器 调节阀 控制量 给定值 储液罐 液位控制器 被控量 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4 过程控制系统的发展概况 1.4.1 过程控制系统体系结构的发展 1.4.2 过程控制检测仪表和执行机构的发展 1.4.3 过程控制策略的发展 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4 过程控制系统的发展概况  过程控制体系结构大致经历三个发展阶段  仪表化与局部自动化阶段：20世纪50~60年代  特点：  过程检测和控制仪表主要为基地式仪表和部分单元组合仪表  实现单输入－单输出的单回路定值控制  被控量主要是温度，压力，流量和液位等生产过程中的热工参数  以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论  控制目的：保持上述工艺参数的稳定和生产安全 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4 过程控制系统的发展概况  综合自动化阶段：20世纪60~70年代  大量采用单元组合仪表和组装式仪表  计算机开始应用于过程控制领域，实现直接数字控制和设定值控制   过程控制系统的结构出现了如串级控制，前馈－反馈控制及比值，均 匀，控制等复杂控制系统 过程控制系统分析和设计的理论基础发展到现代控制理论，以满足更 复杂的控制需求 巴基斯坦贾姆肖罗电厂 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4 过程控制系统的发展概况  全盘自动化阶段：20世纪70年代至今  通过微机实现整个工艺流程、全工厂乃至整个企业操作管理和控制  单变量单回路的仪表控制系统发展到多变量多回路控制  经历了直接数字控制，集中控制，分散控制和集散控制几个发展阶 段，进入计算机集成过程控制系统阶段  20世纪90年代，随着计算机技术，网络技术和通信技术的发展，出 现了现场总线控制系统 过程控制原理与应用技术I 1.4 过程控制系统的发展概况 中国地质大学（武汉） 安剑奇 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4.1过程控制检测仪表和执行机构的发展  过程控制检测仪表和执行机构发展与其体系结构的发展相适应  基地式仪表：是把检测、显示和控制等环节放在一个表壳里， 通常就地安装  以指示，记录仪表为主体，附加控制机构而组成  功能较完全，可以减少管线连接导致的滞后  常用于中小企业里数量不多或分散的就地控制系统和单机的局部控 制系统 温度控制器 压力变送器 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4.1过程控制检测仪表和执行机构的发展  单元组合式仪表：根据控制系统中各组成环节的不同功能和使 用需求，将仪表做成能实现某种功能的独立单元  包括：变送单元、转换单元、控制单元、运算单元、显示单元、执 行单元、给定单元和辅助单元  单元间采用统一的标准信号彼此联系，可以灵活组合，通用性强  适用于中、小型企业的自动化系统  流量传感器  温度控制器  执行器 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4.1过程控制检测仪表和执行机构的发展  智能仪表：以微处理器为核心，采用先进传感器和电子技术的 智能变送器和智能阀门定位器  精度、稳定性与可靠性均比模拟式仪表优越  可输出全数字信号或模拟数字混合信号  可通过现场总线通信网络与计算机相连接，能满足集散系统和现 场总线控制系统的应用要求 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4.2 过程控制策略发展  经典控制策略：20世纪50年代以前  基础：微分方程和传递函数  方法：时域分析方法、S域分析方法和频域分析方法  PID控制策略构成的简单控制模式  现代控制策略：20世纪60年代以后   基础：微分方程和传递函数基础：状态空间 方法：最小二乘法为基础的系统辨识、以极小值原理和动态规划为 基础的最优控制、以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计等 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 1.4.2过程控制策略发展  复杂控制策略：20世纪70年代以后  核心思想：系统分解与协调、多级递阶优化与控制  重心：有限维-无穷维，确定性-不确定性和随机性，线性-非线性  方法：非线性控制、自适应控制、随机控制、分布参数系统  专家系统、模糊控制、人工神经网络、学习控制等智能控制 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉） 安剑奇 致谢  感谢研究生彭佳佳、尹枫、郑文国、江博涛、董文佳等同学参与本 PPT的制作  PPT中部分图片和视频来自互联网，感谢原作者的制作