自动化仪表及过程控制 第一章 绪 论

1-１第一章绪论本章提要1.过程控制系统的基本概念2.过程控制的发展概况3.过程控制系统的组成4.过程控制的特点及分类5.衡量过程控制系统的质量指标授课内容第一节过程控制的发展概况1.基本概念过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。(P3)过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。(P3)2.过程控制的重要性进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。3.过程控制的发展概况19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。前馈控制-----按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：检测和控制仪表-----新型仪表、1-２智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-------由单多变量系统，由PID控制规律特殊控制规律，由定值控制最优控制、自适应控制，由仪表控制系统智能化计算机分布式控制系统；理论-----现代控制理论过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。4.集散控制系统(DCS)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。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。集散控制系统的结构原理框图：集散控制系统的结构组成：1)过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。2)过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。不同的集散控制系统其差别较大。3)CRT操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产管理。4)高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。5)管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控制，实现信息-控制-管理一体化。第二节过程控制系统及其组成1.过程控制系统组成由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。一个简单的过程控制系统＝被控过程＋过程检测控制仪表（测量元件、变送器、调节器和调节阀）2.过程控制系统实例1（发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统）过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数1-３3.过程控制系统实例2（PH控制系统）4.过程控制系统实例3（液位控制系统）第三节过程控制的特点及系统分类1.过程控制系统特点系统由过程检测控制仪表组成被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。控制方案的多样性通常有单变量控制系统、多变量控制系统、常规仪表控制系统、计算机集散控制系统、提高控制品质的控制系统、实现特定要求的控制系统。本书将要介绍单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还要介绍高级新型系统(自适应控制、预测控制)以及极可能成为系统主流的集散控制系统(DCS)。过程控制的控制过程多属慢过程，而又多半属参量控制被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位(物位)、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动控制。定值控制是过程控制的一种主要控制形式如何减小或消除外界扰动对被控量的影响，使被控量能控制在给定值上，使生产稳定。2.过程控制系统分类按系统的结构特点分类：反馈控制系统反馈控制系统-----反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。前面的液位控制系统，就是一反馈控制系统。又称闭环控制系统。是过程控制系统中最基本的一种。多回路反馈控制系统。前馈控制系统前馈控制系统-----直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。由于前馈控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。前馈—反馈控制系统(复合控制系统)前馈开环控制的主要优点：能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响。反馈控制的主要优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。构成的前馈—反馈控制系统可以提高控制质量。按给定值信号的特点分类：定值控制系统系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或1-４在某一很小范围内不变)中。例如前述的例子就是定值控制系统。系统的输入信号是扰动信号。随动控制系统随动控制系统-----被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统。作用：克服一切扰动，使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程控制，控制系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动控制空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。程序控制系统程序控制系统-----被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。控制的目的：使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度控制系统。第四节衡量过程控制系统的质量指标控制性能良好：在受到外来干扰作用或给定值发生变化后，应平稳、迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上。评价控制性能好坏的质量指标。根据工业生产过程对控制的实际要求来确定。通常采用的两种质量指标：1.系统过渡过程的质量指标余差(静态偏差)c系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。它是一个准确性的重要指标，是一个静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。衰减比n或衰减率ψ衰减比n----指振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即'BBn，衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。n＜l表示系统是不稳定的，振幅愈来愈大。n＝1表示为等幅振荡。n＝4表示系统为4：1的衰减振荡。有时亦用衰减率ψ(BBB')来表示系统的稳定程度。在工程上，应根据生产过程的特点来确定合适的ψ。一般取衰减率g＝0.75～O.9最大偏差A(或超调量σ)定值控制系统:用最大偏差A来衡量被控参数偏离给定值的程度。最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。A=B+C随动控制系统：常用超调量这个指标来衡量被控参数偏离给定值的程度。超调量定义为：%100)()()(yytyp＝A、σ都是衡量系统质量的一个重要指标。若A、σ愈大则表示被控量偏离生产规定的状态越远。规定允许最大偏差。过渡过程时间ts过渡过程时间ts：表示系统过渡过程曲线进入新的稳态值的±5％或±2％范围内所需的时间。ts愈小表示过渡过程进行得愈快。它是反映系统过渡过程快慢的指标。1-５峰值时间tp峰值时间tp：是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。其大小反映系统响应的灵敏程度。2.误差（偏移）性能指标单项指标来表示控制系统的质量以外，还可以用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况。可采用偏差与时间的某种积分关系作为衡量系统质量的准则，这就是积分指标。常用有：平方误差积分指标(ISE)；min)(J02dtte＝时间乘误差的平方积分指标(ITSE)；min)(J02dttte＝误差绝对值积分指标(IAE)；min|)(|J0dtte＝时间乘误差绝对值的积分指标(ITAE)min|)(|J0dttet＝这些值达到最小的系统就是最优的系统。补充内容过程控制仪表是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。由单元组合仪表构成的简单控制系统1-６过程控制仪表的分类按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表等。[基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。[单元组合式控制仪表]将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。[组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。按信号形式分类：模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。其中DDZ型仪表和QDZ型仪表都属于模拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节器、PMK可编程调节器等都属于数字控制仪表。过程控制仪表的发展过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的发生和发展分别1-７经历了基地式、单元组合式(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)、组装式及数字智能式等几个阶段。过程控制仪表的信号制与传输方式为方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统—的标准信号进行联络和合适的传输。第二章过程建模本章提要6.过程建模的基本概念7.单容过程的数学模型的建立8.多容过程的数学模型的建立9.用响应曲线法辨识过程的数学模型10.用相关统计法辨识过程的数学模型11.用最小二乘参数估计方法的系统辨识授课内容第一节基本概念在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型对于实现生产过程自动化有着十分重要的意义。一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。5.基本概念被