过程控制与自动化仪表PPT(共59页)

过程控制与自动化仪表湖南大学电气与信息工程学院涂春鸣主要内容绪论检测仪表调节器执行器和防爆栅调节对象的特性及实验测定单回路调节系统设计及调节器参数整定复杂调节系统主要内容绪论检测仪表调节器执行器和防爆栅调节对象的特性及实验测定单回路调节系统设计及调节器参数整定复杂调节系统绪论过程控制发展概况过程控制系统组成与分类过程控制特点及性能指标过程控制（Processcontrol）是指用控制手段对连续生产过程的某些物理参数进行自动控制。采用各种检测仪表、调节仪表、控制装置、计算机等对整个生产过程进行自动检测、监督和控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。过程控制定义过程控制与运动控制的关系自动控制专业课过程控制运动控制过程控制研究冶金、化工、石油、电力等工业过程中的温度、压力、流量、液位、成份PH值等六大参数的控制运动控制研究速度、位置控制，如电机调速、航天、机器人等过程控制发展概况炼油钢铁煤气污水处理电力石化过程控制的发展简况仪表化与局部自动化阶段（20世纪50～60年代）综合自动化阶段（20世纪60-70年代中期）全盘自动化阶段（20世纪70年代中期至今）过程控制发展概况仪表化与局部自动化阶段（50～60年代）系统结构大多为单输入-单输出的单回路定值控制系统。过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表，大多为气动仪表。保持温度、压力、流量、液位等工艺参数的稳定，确保生产安全运行。分析和综合的理论基础为经典控制理论。过程控制发展概况基地式仪表一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体内同时具有检测、控制与显示的功能结构简单、价格低廉、使用方便通用性差，信号不易传递一般应用于简单控制系统过程控制发展概况压力控制器温度控制器综合自动化阶段（60-70年代中期）工业生产过程出现了一个车间甚至于一个工厂的综合自动化。过程检测控制仪表是单元组合仪表和组装式仪表。逐步采用数字计算机以及以微处理器为基础的集散控制系统，出现了DDC和SPC。各种复杂的控制系统的出现（如串级控制、前馈—反馈复合控制、Smith预估控制以及比值、均匀、选择性控制等）。分析和综合的理论基础发展到了现代控制理论。过程控制发展概况单元组合仪表流量传感器流量控制器执行器全盘自动化阶段（70年代中期至今）实现了过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合智能仪表（如数字调节器、可编程控制器等），电动单元仪表实现了本质安全防爆；定值控制－最优控制、自适应控制；单变量－多变量；仪表控制－计算机分布式控制。计算机集成过程控制系统CIPS，计算机集成制造系统CIMS，集散控制系统DCS，现场总线控制系统FCS，企业资源规划ERP。经典控制+现代控制+智能控制过程控制发展概况集中管理，分散控制基于数字控制仪表和计算机与网络技术DCS，DistributedControlSystemFCS，FieldbusControlSystem由智能仪表构成的现场总线控制系统控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制开放的、标准化的通信网络过程控制系统组成过程控制系统组成：被控过程（Process）过程检测控制仪表（Instrumentation）被控过程是指运行中的多种多样的工艺生产设备过程检测控制仪表包括：测量变送元件（Measurement）控制器（Controller）执行机构（ControlElement）过程控制系统组成与分类图1为人工控制室温。为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。人的动作分三步：眼看脑想手动图1室温人工控制示意图送风回风恒温室温度计阀门实例眼看——用传感器将温度信号转换为控制器可接受的信号。脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值比较（相减求偏差),并按偏差值计算出控制量。手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变开度。人工控制受制于经验和注意力，控制不精确。而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。过程控制系统：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体。图2为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。图2室温自动控制系统示意图1—热水加热器；3—控制器；2—传感变送器；4—执行器回风恒温室23送风热水M回水41TCTT在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调节阀和加热器及房间组成。给定值被控变量干扰f控制器变送器调节阀加热器及房间+e实测值－用通用名称表示为：给定值被控变量干扰f控制器变送器执行器被控对象+e实测值－过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物(液)位、成分、PH值等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。过程控制系统原理方框图广义对象过程控制常用术语被控过程（Process)：工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等被控参数（ControlledVariable)：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数控制参数（ManipulatingVariable)：受控制器操纵的，使被控参数保持设定值的物料量或能量扰动量（Interference)：作用于被控过程并引起被控参数变化的因素过程控制系统组成与分类过程控制常用术语设定值（SetPoint:SP)：被控参数的预定值当前值（PresentValue:PV)：被控参数的当前实际值偏差（Error)：被控参数的设定值与当前实际值之差过程控制系统组成与分类过程控制系统的分类按系统的结构特点来分反馈控制系统前馈控制系统复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统随动控制系统顺序控制系统过程控制系统组成与分类反馈控制系统又称为闭环控制系统根据系统被控量与给定值的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）过程控制系统组成与分类前馈控制系统也称为开环控制系统。根据扰动量的大小进行工作扰动是控制的依据在实际生产中不能单独采用过程控制系统组成与分类复合控制系统（前馈-反馈控制系统）过程控制系统组成与分类定值控制系统定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的有时在规定的小范围附近不变过程控制系统组成与分类随动控制系统随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值过程控制系统组成与分类顺序控制系统顺序控制系统是被控量的给定量按预定的时间程序来变化的控制系统过程控制系统组成与分类过程控制的主要特点被控过程的多样性控制方案的多样性有单回路、串级、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等控制过程属慢过程、多半属参量控制定值控制是主要控制形式大多使用标准化的检测、控制仪表及装置过程控制特点及性能指标过程控制的品质指标决定过程控制系统品质的环节控制系统结构被控过程特性过程检测、控制仪表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）到给定值过程控制特点及性能指标t0y过程控制的品质指标过程控制系统的评价指标可概括为系统必须是稳定的（平稳）系统应能提供尽可能好的稳态调节（准确）系统应能提供尽可能好的过渡过程（迅速）控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定，通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标和偏差积分性能指标过程控制特点及性能指标阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在t=0时，阶跃上升幅度为A，其后保持。表达为f(t)=A(t)Atf（t）在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：①单调衰减过程被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。②振荡衰减过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。①t0θa②0θa③等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。④振荡发散过程被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。④t0θa③θa0t1.系统阶跃响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。控制性能指标有单项指标和综合指标两类单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。1）衰减比n和衰减率ψ设第一个波振幅为y1、第三个波振幅为y3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt13yny131yy11yn阶跃响应性能指标衰减比n和衰减率ψ是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：n=4:1~10:1就相当于ψ=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。2）最大动态偏差A和超调量σ最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即:A=ymax-r闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTtA有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度，σ的定义是第一个波振幅与最终稳态值y(∞)之比。即闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt1y100%y()3）余差C过渡过程结束后，被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。C=y(∞)-r闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt4）调节时间Ts和振荡频率ωTs是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5%（或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y(∞)TpTSTt调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率f=1/T闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y(∞)TpTSTt另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt控制系统的单项品质指标小结稳定性衰减比n=4:1~10:1最佳准确性余差C小好最大偏差A小好快速性过渡时间Ts短好振荡周期T短好各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt2.系统阶跃响应的综合性能指标——偏差积分单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统