过程控制-概述

航天学院控制科学与工程系沈毅《过程控制》“ProcessControl”三个专业方向飞行控制过程控制运动控制背景与对象差异；方法差异；理论相通针对自动化专业的特色和哈工大自身的特点，设置的三个专业方向。每个专业方向设置相应的专业课程。学生可以根据自己的爱好，选择其一作为主修专业方向，其它方向可以选修。其好处有二：一是学生可以选择自己喜欢的专业方向，既然是自己选择的就要学好，一般也有兴趣；二是避免学生出现每一个专业方向都选择1-2门专业课程，哪个方向都不能完整地领会其内容，最后搞不清自己到底学了些什么。过程控制的教学要求了解过程控制系统的发展、组成、特点性能指标要求；掌握过程对象的模型建立方法；掌握PID类单回路控制系统的设计，能够结合具体的工业过程给出合理的控制方案和控制参数；掌握串级控制、前馈控制、Smith预估控制、解耦控制、等的分析设计方法、特点及适用条件；掌握极点配置、最优化方法等部分现代控制理论的分析设计方法、特点及适用条件；学会用MATLAB工具对过程控制系统进行仿真研究；了解新型过程控制算法，认识其思想、概念及特点。课程主要内容第一章概述过程控制系统的发展，过程控制系统的概念、组成、特点及性能指标，计算机技术发展对过程控制的影响，典型实例：造纸过程控制。第二章过程特性分析与模型建立典型工业过程介绍，模型建立的目的和要求，模型建立方法说明；过程特性分析与模型建立单容对象动态特性：单容水池、加热锅炉、压力容器特性分析与模型建立；过程特性分析与模型建立多容对象动静态特性：对象的相互独立，相互关联，信号的流程，相似原理，实例分析；阶跃响应法求动态特性：阶跃响应法，由响应曲线求传递函数方法；过程特性分析与模型建立常见过程控制回路特性分析（流量、压力、液位、成分、温度）；常见过程控制传感器、执行器简介。第三章单回路控制系统调节规律——P、PI、PD、PID作用与特性分析；单回路控制系统连续PID，连续PID离散化，智能离散PID，实际PID结构；单回路控制系统单回路参数整定：临界比例度，衰减曲线法，响应曲线法；单回路控制系统数字PID系统分析：扩充临界比例度，扩充响应曲线，采样周期，参数整定；数字滤波：程序限幅，递推平均，中值滤波，一阶惯性，智能滤波；单回路控制系统过程特性、PID控制、PID参数整定的MATLAB数学仿真。课程主要内容第四章串级控制系统串级控制原理，串级控制性能分析；串级控制系统串级控制系统的设计——副回路设计，主回路设计，异步采样设计；串级控制系统串级控制分析与设计举例及仿真。第五章前馈控制系统前馈控制的概念与系统结构，静态前馈与动态前馈，前馈-反馈控制系统；前馈控制系统前馈控制系统设计举例，前馈-反馈控制系统仿真。第六章大迟延系统控制大迟延特性的产生、数学描述及对系统性能的影响，常规控制方法，Smith预估控制方法第七章解耦控制系统解耦控制概念，相对增益分析与计算；解耦控制系统解耦控制系统设计——前馈补偿法，反馈补偿法，对角矩阵法。第八章现代过程控制技术——基于状态空间模型、基于输入输出模型极点配置方法、最优化方法第九章新型过程控制系统简述模糊、预测、自适应控制；现场总线技术。课程总结。2-3次习题、仿真、大作业2-3次实验教材及参考书主要教材及参考书：1、过程控制，金以慧主编，清华大学出版社，19932、ProcessControlSystems_Application,Design,andTuning（过程控制系统——应用、设计与整定），F.G.Shinskey著，肖德云等译，清华大学出版社，20043、过程控制与Simulink应用，王正林等编著，电子工业出版社，2006本章要点过程控制系统的概念、组成、特点过程控制系统的发展过程控制系统的性能指标计算机技术发展对过程控制的影响典型实例：造纸过程控制第一章概述控制系统的由来LChhspQiQo第一章概述过程控制系统的概念与组成凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。（另有运动控制方向）基本组成——被控对象、传感器、执行器、控制器被控对象与被控变量/受控变量/过程变量（ControlledProcess；ControlledVariable,ProcessVariable）传感器/变送器与测量变量（Sensor/Transducer；MeasurementVariable）执行器与操纵变量/操作变量（Actuator；ManipulatedVariable）控制器与控制变量（Controller；ControlVariable）设定值/给定值（Setpoint；SetpointValue）扰动/扰动变量（DisturbanceVariable）第一章概述典型单回路控制系统液位变送器液位控制器执行器第一章概述第一章概述液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道++液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐第一章概述控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象第一章概述热交换器的温度控制系统TC蒸汽凝液进料TspTmTRVRF,Tiu(t)第一章概述热交换器温度控制系统方块图温度控制器设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)干扰通道++温度测量变送器蒸汽控制阀被控变量T(t)控制信号u(t)蒸汽量RV(t)控制通道扰动RF(t),Ti(t)热交换器第一章概述过程控制系统的特点与分类特点：1、被控对象的多样性2、对象特性的难辨性与复杂性白色系统、黑色系统、灰色系统的概念3、普遍存在大惯性或大滞后4、特性往往具有非线性：如间歇式加温、齿轮运动等。5、控制目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。第一章概述分类：按工艺参数分：温度、压力、流量、成分、物位控制系统等按结构特点分：反馈、前馈、复合控制系统等按给定值特点分：恒值、程序、随动控制系统等按控制量动作形式分：开关量控制与连续量控制举例：空调器的控制按控制量性质分：连续时间控制与离散时间控制举例：计算机控制系统按变量多少分：多变量控制与单变量控制；单回路控制与多回路控制线性控制与非线性控制等第一章概述前馈与反馈控制系统举例蒸汽凝液进料TRVRFTspTmu(t)Ti前馈控制器TC蒸汽凝液进料TspTmTRVRF,Tiu(t)蒸汽凝液进料TRVRFTspTmu(t)Ti前馈/反馈控制器第一章概述过程控制系统的发展工业革命进程中自动化科学与技术的引导与支撑作用·电气化引导机械化·自动化引导电气化、机械化·信息化促进自动化生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段，一直起着极其重要的作用。其发展经历了以下几个方面：1、初期阶段（30～40年代）2、简单仪表化阶段（40～60年代）3、综合自动化阶段（60～70年代中期）4、全面自动化（及智能化）阶段（70年代中期自今）第一章概述过程控制系统的发展基地式仪表控制系统单元组合式仪表控制系统计算机集中式数字控制系统（DirectDigitalControl_DDC;SupervisoryComputerControl_SCC）集散式控制系统（DistributedControlSystem_DCS）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem_FCS）_HART(HighwayAddressableRomoteTransducer-可寻址远程传感高速通道)，FF(FoundationFirldbus-基金会现场总线);Profibus;Lonworks;CAN(ControlAreaNetwork-控制局域网);计算机综合自动化系统（ComputerIntegratedProcessingSystem-CIPS）计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems-CIMS）计算机化、信息化、智能化、集成优化引入流程工业控制方法的发展——单回路、多回路、线性、非线性、鲁棒、预测、自适应、模糊等第一章概述过程控制系统的性能指标过渡过程性能指标上升时间/峰值时间；超调量；调节时间；递减比/衰减率误差性能指标1.误差积分指标IE2.误差绝对值积分指标IAE3.误差平方积分指标ISE4.误差绝对值乘时间积分指标ITAE0dt)t(eIE0dt)t(eIAE02dt)t(eISE0tdt)t(eITAE第一章概述过渡过程性能指标ySPy(∞)BB'y0t0t1t2t3稳态余差：0)()(yyyyespsp衰减比：BBn振荡周期T，调节时间ts.上升时间tr,峰值时间tp.计算机在过程控制中的地位和作用计算机的应用不仅促进了现代控制理论的发展，而且也推动了自动化向深度与广度进军，使生产自动化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步迈进。微型计算机控制生产过程，按不同控制目的，可分为两类：一是数据检测处理，二是形成微机控制系统。微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。第一章概述过程控制与其它相关学科过程控制工程是一门应用性学科。它以工艺过程分析、仪表和计算机及网络技术为两翼，以控制原理与方法为基础，以系统仿真技术作为辅助攻工具，以最优化方法提高其控制性能，用于工业生产过程的控制系统设计、分析和应用的综合性工程应用课程。第一章概述举例：造纸过程控制系统造纸工业是一个典型的连续过程工业。有关造纸工业过程的控制问题由来以久。对造纸过程进行控制，可以改善产品质量、提高经济效益。目前已有许多控制算法被成功地应用于造纸机的控制，如随机控制、自适应控制、专家控制和智能控制等等。第一章概述举例：造纸过程控制系统第一章概述举例：造纸过程控制系统第一章概述第一章概述举例：精馏塔控制系统LCTC进料LCFCFC精馏塔加热蒸汽塔底产品塔顶产品控制目标CV、MV选择控制系统调试与投用控制方案控制算法第一章概述说明：本课件部分图片参照了其他高校网上公开的资料信息，对此表示感谢！