过程控制概要

第1章绪论本章要点1）掌握过程控制的定义、要求和任务，了解过程控制的发展状况；2）掌握过程控制系统的组成、特点、类型及其性能指标；3）了解过程控制系统设计步骤和仪表的类型与发展；4）掌握仪表的信号制及防爆系统的构成。图1水箱液位控制系统流程图1水箱2压力变送器3液位调节器4调节阀1.1过程控制概述1.1.1过程控制的特点、任务及功能要求一、什么是过程控制？它有何作用？适用的生产过程?二、过程控制的特点、任务及功能要求（一）过程控制的特点1.组成（过程，系列化仪表）；2.设计难（过程的复杂性，模型的不精确性）；3.要求高（控制方案丰富）；4.慢过程、参量控制；5.定值控制（二）过程控制的要求、任务及功能1.要求与任务（安全性、稳定性、经济性），（了解工艺、获取模型、分析设计、物理实现）；2.功能（图1－1）（1）测量变送与执行；（2）操作安全与环保；（3）常规与高级控制；（4）实时优化；（5）决策与计划常规控制或高级过程控制实时优化操作安全与环境保护决策管理与计划调度被控过程测量、变送与执行日—月级时—日级分—秒级或分—时级小于1秒小于1秒三.过程控制系统设计概述（一）加热炉过程控制（图1－2）（二）设计步骤1.确定控制目标1）热油出口温度稳定；2）出口温度与烟道气含氧量稳定；3）温度稳定与热效率最高。2.选择被控参数直接参数与间接参数3选择控制量燃料油流量与冷油流量→出口温度挡板开度与送风挡板→含氧量4.确定控制方案简单与复杂、单输入与多输入、最优控制5.选择控制策略PID、高级过程控制6.选择执行器气动与电动7.设计报警与联锁保护系统高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵→关燃油阀→停引风机→切断热油阀8.工程化设计9.系统投运、调试和整定参数ACAT燃油PTPCTCTT引风机烟气热油入口热油出口火嘴1.1.2过程控制的发展概况40年代工业生产大多处于手工操作状态关键参数——人工观测生产过程——人工控制检测和控制仪表普通采用基地式仪表和部分单元组合式仪表，且多数为气动仪表；被控参数主要是温度、压力、流量、液位；控制目的是保持工艺参数的稳定，消除或减少生产过程的扰动；控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论；过程控制系统的结构大多数是单输入单输出系统。50年代（仪表化和局部自动化—过程控制第一阶段）仪表方面大量采用单元组合仪表，并出现了组装仪表以适应较复杂的模拟和逻辑控制的需要；计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了DDC和SCC控制；为提高控制质量和实现特殊控制要求，出现了串级、前馈、比值、均匀、选择等复杂控制系统；理论方面除了经典控制理论外，出现了现代控制理论；系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际生产过程中的更为复杂的问题。60年代（综合自动化阶段—过程控制第二阶段）1962年，英国帝国工业公司（ICI）安装了FerrantiArgus计算机控制系统替代全部模拟控制仪表，功能保持不变，这是集中式计算机控制系统应用的开端。集中式过程计算机控制系统的发展经历了直接数字控制DDC、集中型计算机控制系统和分层计算机控制系统。DDC控制系统直接数字控制系统是计算机控制技术的基础，广泛应用于过程控制，主要由一台计算机替代一组模拟控制器。变送器执行器SP过程控制计算机过程对象D/AA/D控制算法DDC的第一个数字控制算法是PID控制算法：其中：为比例增益；为积分时间；为微分时间。dttdTdeTteKtUdtip01pKiTdT计算机由A/D实时采集被控参数，按控制算法运算后，由D/A输出控制执行器，构成闭环控制回路。DDC控制系统的优点在于所有PID和其它运算在计算机中进行，保持了数字化精度，缺点在于当时计算机运算速度慢，不能在合理时间内得到结果，因而影响控制快速过程。集中型计算机控制系统它把几十个甚至几百个控制回路以及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在单一计算机实现，即在一台计算机上实现过程监视、数据采集、数据处理、数据存储、报警、过程控制等功能。此外，还可实现生产调度和工厂管理部分功能。A/DDI输入子系统中央计算机过程对象操作变量被测变量CRTD/ADO输出子系统与常规模拟仪表控制系统相比具有以下优点：控制功能齐全，可实现模拟仪表难以实现的部分功能和先进控制、联锁等复杂控制；由于单一计算机高度集中，便于信息分析和综合，易实现整个系统的最优控制；用CRT来代替大量的模拟仪表盘，简洁明了。缺点：集中的脆弱性问题。一旦计算机发生故障，将导致生产过程全面瘫痪；性能问题。由于生产装置的控制点和运算十分庞大，单台计算机存在负荷过载问题。集中型计算机控制系统暴露了集中控制的重大缺陷，促使控制系统向分散化发展，出现了两种将现场控制与集中管理分开的分层计算机控制系统模式。在原始型分散控制中，各控制回路的模拟仪表调节器是相互独立的，当某一回路出现故障时，不影响其它回路的正常工作，系统可靠性高，但难以实现整个系统的最优控制。分层计算机控制系统计算机、调节器混合控制系统计算机、调节器混合控制系统将计算机与模拟仪表结合起来。模拟仪表实现现场控制功能，同时模拟仪表的信号送入计算机，计算机显示过程参数，并根据对象的数学模型进行优化设计，计算最优操作条件，最后将最优工艺参数作为模拟仪表的设定值。中央计算机过程对象被测变量SPCRT调节器调节器过程对象调节器SPDDC计算机第一级第二级测量控制控制测量测量SCC计算机在二级系统中如果模拟仪表用另一台计算机代替，实现DDC，这就是SCC结构。监督计算机控制系统（SCC）承担测量和控制任务，即完成DDC控制。提供第一级计算机最佳操作条件。70年代（全盘自动化阶段—过程控制第三阶段）这一阶段的主要特征是应用计算机系统对整个工厂或整个生产流程进行集中控制和综合管理，在控制仪表方面出现以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程控制器），在检测方面是成分在线检测和数据处理的应用日益广泛；为了满足高质量的控制要求，在简单控制技术的基础上，发展了状态反馈、最优控制、解耦控制、自适应控制等多种现代控制理论。至70年代中期，为了满足工业生产的更高要求，即“分散控制，集中管理”，集散控制系统（DCS）开发问世了，其代表产品是1975年Honeywell公司推出的TDC2000系统。集散控制系统的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级，各级既相互独立又相互联系，每级又可按水平分解成若干子集。这使得系统的危险性随之分散，提高了系统的可靠性。系统由I/O接口、过程控制单元、操作站、高速数据通路、管理计算机等五部分组成。集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。过程对象过程控制单元过程控制单元I/O接口CRT操作站管理计算机高速数据通路实现集中显示、操作和管理功能进行集中管理与最优控制，实现信息管理控制一体化集散系统的核心，实现回路控制和逻辑控制、运算等功能完成数据采集和预处理实现分散控制和集中管理的关键，是CRT操作站、现场监测站和管理计算机的纽带，由通信软件和通信电缆组成，一般采用本厂家的通信协议。1.1.3过程控制系统的组成、分类及性能指标(一）过程控制系统的组成（图1－3、图1－4）（1）被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；（2）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；（3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；（4）设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；（5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；（6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的输出值。控制器执行器被控过程测量变送()ft()rt()et()zt()yt－()ut()qt（二）过程控制系统的分类1.分类方法（被控量名称、多少、特定工艺、工具）；2.安结构分类：1）反馈控制；2）前馈控制；3）复合控制。3.安设定值分类：1）定值控制；2）伺服控制；3）顺序控制。前馈补偿器执行器被控过程测量变送()ft()yt控制器执行器被控过程测量变送()ft()xt()yt－前馈补偿器(三）过程控制系统的性能指标(稳定性、快速性和准确性;单项和综合指标）1.单项时域性能指标:(1)衰减比n（衰减率φ）两个相邻的同向波峰值之比:衰减率定义为一个周期后波动幅度衰减的程度:衰减比与衰减率的单值对应关系，如衰减比为4：1或10：1时，则衰减率为0.75或0.9。（2）最大动态偏差和超调量:二阶系统：(3)残余偏差（稳态误差、静差）:定值系统：(4)调节时间、上升时间、振荡频率rtstpt5%()yt()y(0)y()pyt1B2B12BnB121BBB()()100%()pyyyt%1001n)()(yre)()(ye2.综合性能指标（基于偏差积分最小，适用衰减、无静差系统）被控过程执行单元检测元件控制单元操作单元给定单元显示单元变送单元测量值给定值被控参数工艺介质阀门单元组合仪表自动手动min)(0dtteIAEmin)(02dtteISEmin)(0dttetITAEmin)(02dttteITSE(1)偏差绝对值积分：（2）偏差平方值积分：(3)偏差绝对值与时间乘积积分：(4)时间乘偏差平方积分:缺点：不能保证衰减率1.2自动化仪表概述1.2.1自动化仪表的分类及发展1.按安装场地分;2.按能源分;3.按信号类型分;4.按结构形式分(基地式、单元组合式（图1－8）、组装式、集中/分散式)补充：转换单元、运算单元2）电动仪表（直流电压与电流的优点：无感应、无相移、易转换、易获基准）2）安全火花型防爆等级：30V●DC;最小引爆电流（表1－1）1.2.2自动化仪表的信号制与能源供给1.模拟仪表的信号制1）气动仪表2.数字式仪表的通信标准（不统一；内容：信息格式、编码方式、信号发送与接收、接口标准等）3.能源供给直流集中供电的优点：1）体积↓、重量↓、温升↓2）防停电能力↑3）无交流，易于防爆1.2.3防爆仪表与防爆系统1.安全防爆的基本概念1）防爆性能：本质安全与非本质安全；2.安全火花型防爆系统（图1－9）条件:现场仪表为安全火花型；安全防爆栅隔离。表1-1爆炸性混合物最小引爆电流的等级如DDZ-Ⅲ型仪表防爆等级为“HⅢe”：“H”-安全火花型；“Ⅲ”－最小引爆电流为Ⅲ级，即低于70mA；e-周围气体自燃温度为100℃，低于此温度，即可保证在e组气体中不自燃起爆。级别最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类Ⅰi＞120甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，一氧化碳等Ⅱ70＜i≤120乙烯，乙醚，丙烯腈等Ⅲi≤70氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等变送器电源单元防爆栅调节器防爆栅安全场所（控制室）危险现场工业交流电执行器危险现场