1、Process ControlZhengZhou UniversityLi Xiao yuanE-mail: 過程控制主講：李曉媛E-mail: Tel:修課程模擬電路檢測與轉換技術電力電子電機拖動自動控制原理微機接口技術計算機控制原理主要參考資料邵裕森、戴先中，過程控制工程（第2版）M，機械工業出版社，2000涂植英、朱麟章，過程控制系統，機械工業出版社，1988劉元楊，自動檢測和過程控制，冶金工業出版社 ，2003金以慧，過程控制，清華大學出版社 ，1998施仁，自動化儀表與過程控制，電子工業出版社 ，2003Curtis Johnson，Process Co

2、ntrol Instrumentation Technology(6th)，Pearson Education目錄第1章 緒論第2章 過程控制建模和過程檢測儀表第3章 簡單控制系統單回路控制 系統的工程設計第4章 復雜控制系統第5章 先進過程控制技術補充： 過程控制系統應用實例一、 什么叫過程控制? 過程控制（Process control）是指連續生產過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環境工程等許多領域的自動控制系統，都屬于過程控制系統。 連續生產過程的特征是：生產過程中的各種流體，在連續（或間歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質能量的轉換或傳遞

3、。 過程控制目的 抑制外界擾動的影響；確保過程的穩定性；使生產過程的工況最優化。從而達到：實現安全運行；提高產品產量；保證產品質量；節能降耗；改善勞動條件；保護環境衛生；提高管理水平等 。眼看用傳感器或變送器將溫度信號轉換為控制器可接受的信號。腦想控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差) ,并按偏差值計算出控制量。手動人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當的控制。 過程控制系統的定義： 為實現對某個工藝參數的自動控制，由相互聯系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設備構成的

4、 一個整體。 圖2為室溫自動控制系統，自動化儀表代替了人?；仫L恒溫室23送風熱水M回水41圖2 室溫自動控制系統示意圖1熱水加熱器；3控制器；2傳感變送器；4執行器TCTT給定值 在討論控制系統工作原理時，為清楚地表示自動控制系統各組成部分的作用及相互關系，一般用原理框圖來表示控制系統。 如圖2的室溫控制系統是由溫度變送器、控制器、電動調節閥和加熱器及房間組成。給定值被控變量干擾f 控制器 變送器調節閥加熱器及房間 +e實測值 發電廠球磨過程控制 二、過程控制經歷了哪幾個發展階段？主要特點：（ 1）基地式儀表和部分單元組合儀表，大多為氣動儀表；（2）單輸入單輸出控制系統；（3）保持溫度、壓力、

5、流量、液位等工藝參數的穩定， 確保生產安全運行；（4）分析和綜合的理論基礎為經典控制理論。 展示儀表圖片： 過程控制的發展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表） 與系統的發展歷程。1、儀表化與局部自動化階段(5060年代)基地式儀表 一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內同時具有檢測、控制與顯示的功能結構簡單、價格低廉、使用方便通用性差，信號不易傳遞一般應用于簡單控制系統中。 基地式儀表(壓力控制器）基地式儀表(壓力控制器）1988年由我國中建三局承建巴基斯坦賈姆肖羅電廠 ，裝機容量為4x21萬千瓦油氣雙燃料火力發電機組，占地面積14平方公里。巴基斯坦賈姆肖羅電廠 單元組合儀表流量傳感器

6、流量控制器執行器單元組合式儀表將儀表按其功能分成若干單元。各個單元之間以統一的標準信號相互聯系。具有高度的靈活性和通用性，各個單元可以適當組合，也可與計算機等設備配合，組合各種復雜的、新型的控制系統。 有氣動組合儀表和電動單元組合儀表（QDZ和DDZ儀表）兩類。 氣動單元組合儀表（QDZ）采用140kPa壓縮空氣為能源，以20100kPa標準統一信號輸出結構簡單、價格便宜、性能穩定、工作可靠、安全防火防爆特別適用于石油、化工等易燃易爆場合電動單元組合儀表（DDZ）采用0-10mA 或4-20mA標準統一信號體積小、重量輕、安裝維護方便、便于計算機接口部分儀表（如DDZ-型）采取了先進的安全防爆

7、措施，能構成本質安全防爆系統，同樣能應用于易燃易爆場合。 電動執行器 DKJ系列電動執行器是DDZ型電動單元組合儀表中的一個單元。它接受變送，調節等單元的信號或操作單元的手控信號，自動操作調節任務。它與DDZ型其它單元配套，廣泛地用于電力、化工、石油、冶金、礦山、輕工業等行業。 溫度變送器 WR、WZ型系列一體化溫度變送器是DDZ-S型電動單元組合儀表中的主要品種之一。按其測溫元件不同可分為熱電偶變送器和熱電阻變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計算機等配套使用，輸出4-20mA。直接測量各種生產過程中的-2001800范圍內液體、蒸汽和氣體介質以及固體表面溫度。 二、過程控制經歷了哪幾個發

8、展階段？3、全盤自動化階段(70年代中期至今)主要特點：（1）全盤自動化或管控一體化；（2）智能單元組合儀表（如數字調節器、可編程控制器等）、電動單元儀表實現了本質安全防爆；（3）定值控制最優控制、自適應控制； 單變量多變量； 儀表控制計算機分布式控制；（4）現代控制理論的全面應用，先進控制策略的應用等；（5）計算機集成過程控制系統（DCS、FBS、CIPS）。返回數字控制儀表積木式結構部分單元采用微電腦技術，可進行數字運算可編程數字調節器（如KMM儀表）是其中最具代表性的單元儀表，特點有：內部結構微機化；運算數字化；編程方法簡單；自整定、自診斷的功能；通訊功能。集散控制階段直接數字控制（ D

9、DC， Direct Digital Control ）系統的故障危險高度集中，一旦計算機出現故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產過程風險加大。因此， DDC系統并未得到廣泛應用。80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現了內裝CPU的數字控制儀表?；?“集中管理，分散控制” 的理念，在數字控制儀表和計算機與網絡技術基礎上，開發了集中、分散相結合的集散型控制系統（ DCS， Distributed Control System） 。DCS系統實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。(集散控制系統 DCS）(集散控制系統 DCS）隨著CPU進入檢測儀表和執行器，自動

10、化儀表徹底實現了數字化、智能化?？刂葡到y也出現了由智能儀表構成的現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Control System)。 FCS系統把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能儀表便可實現生產過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網絡現場總線，將分散在現場的控制系統的通信連接起來，實現信息集中管理。總結：過程控制策略與算法發展 伴隨著自動化儀表的發展，過程控制策略與算法也經歷了由簡單到復雜的發展歷程。 以經典控制理論為基礎的PID （Proportional Integral Derivative）控制算法，由單回路控制發展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith

11、預估控制及選擇性控制等控制策略。 隨著現代控制理論和人工智能技術的發展，解耦控制、推斷控制、預測控制、模糊控制、自適應控制等控制策略與算法，也日趨完善。 現代自動控制技術的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應用領域和規模越來越大。2、技術密集化、系統集成化，是控制技術、通訊技術、計算機技術相結合的產物。3、系統的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內外著名儀表生產企業：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro 、 Siemens 、 Yokogawa 、 Rosemount 、 Honeywell 等公司。西安儀表廠渭河電廠巴基斯坦古杜

12、電廠 核電廠 新疆煉油廠 武鋼 哈爾濱伊蘭煤氣 哈爾濱伊蘭煤氣污水處理廠哈爾濱第三水廠 渭河化肥廠揚子石化揚子石化揚子石化 蘭州石化 蘭州石化自來水廠控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內部控制柜內PLC過程控制實驗室 控制儀表和控制理論技術的發展，也推動了過程控制的發展。從儀表發展過程來看，過程控制也經歷了如下發展階段。第一代（PCS）第二代（ACS）第三代（CCS）第四代（DCS）第五代（FCS 、NCS ）FCS“現場總線”自20世紀90年代初出現以來，引起了國內外業界人士的廣泛注意和高度重視，并已成為世界范圍內的自動化技術發展的熱點之一，有人稱之為“自動化儀表與控制系統的一次變革”。現場總線的

13、工業過程智能自動化儀表和現場總線的開放自動化系統構成了新一代全開放式自動化控制系統的體系結構。為實現企業“綜合自動化”奠定了現場級的過程自動化基礎。 目前國際上公認的“現場總線”有12種之多，各有其特點，并在一定范圍內得到應用。 注重如何利用現場總線智能儀表進行具體工程應用，如何設計一個基于現場總線的控制系統，以及基于現場總線的控制系統的體系結構等方面是設計重點。 某煙廠制絲線的現場總線控制系統三、過程控制有哪些主要特點？1.連續生產過程的目的2.過程控制系統由過程檢測、控制儀表組成 3.被控過程多種多樣 例如：鍋爐、熱交換器、電弧爐、熱處理爐、精餾塔、化學反應器、流體輸送設備 特點：多變量、

14、分布參數、非線性、大慣性、大延時等4.控制方案十分豐富如：PID、先進PID、自適應、預測、推理、模糊、神經網絡控制等；有單變量、多變量、常規儀表、計算機、提高控制品質、特殊工藝要求等控制。5.控制過程多屬慢過程參量控制6.定值控制是其主要形式工藝參數主要為：T、P、F、L、W等幾個常用字母代號：F（Flow）：流量L（Level）：物位P（Pressure）：壓力T（Temperature）：溫度W（Weight）：重量減小或消除外界擾動對被控參數的影響，確保生產穩定和產品的產量與質量。返回四、過程控制系統組成及其分類 過程控制系統組成：被控過程（Process）過程檢測控制儀表（Instr

15、umentation）被控過程是指運行中的多種多樣的工藝生產設備 ；過程檢測控制儀表包括：測量變送元件（Measurement）控制器（Controller）執行機構（Control Element）過程控制系統框圖 過程控制常用術語 被控過程（Process)：工藝參數需要控制的生產過程、設備或機器等。被控參數（Controlled Variable) ：被控過程內要求保持設定數值的工藝參數?？刂茀担∕anipulating Variable) ：受控制器操縱的，使被控參數保持設定值的物料量或能量。擾動量（Interference) ：作用于被控過程并引起被控參數變化的因素。過程控制常用術

16、語設定值（Set Point:SP) ：被控參數的預定值。當前值（Present Value:PV)：被控參數的當前實際值。偏差（Error) ：被控參數的設定值與當前實際值之差。2 、按被控量多少分為 單變量控制系統、多變量控制系統等；1 、按被控參數的名稱分為 溫度、壓力、流量、液位、成分等； 過程控制系統的類型3 、按控制系統所處理的信號方式來分 模擬控制系統與數字控制系統； 4、按照控制器類型來分， 有常規儀表控制系統與計算機控制系統等。 5、 按控制策略分為 PID控制、預測控制、推理控制、模糊控制、Smith預估控制、自適應控制等； 按系統的結構特點分類1）反饋控制系統（閉環控制系

17、統） 將被控變量輸入到控制器，形成閉環，具有被控變量負反饋的控制系統。如： 給定值被控變量干擾f 控制器 變送器執行器被控對象+e實測值反饋控制系統是過程控制最基本的結構形式。2）前饋控制系統（開環控制系統） 控制系統沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f 控制器執行器被控對象 開環控制系統原理框圖3）復合控制系統 前饋與反饋相結合，優勢互補。如：給定值被控變量干擾f 控制器1 變送器1執行器被控對象+e實測值 變送器2控制器2+前饋-反饋復合控制系統原理框圖按設定值的形式分類1）定值控制系統 設定值恒定不變。2）隨動控制系統設定值隨時可能變化。3）程序控制

18、系統設定值按預定的時間程序變化。給定值被控變量干擾f 控制器 變送器執行器被控對象+e實測值六、過程控制系統的性能指標當被控對象受到干擾、被控變量發生變化時，控制系統抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統的優劣。為此，要有評價控制系統的性能指標?？刂葡到y的性能指標是根據工藝對控制的要求來制定的，概括為穩定性、準確性和快速性。t0y 穩態與動態 1、穩態把被控變量不隨時間變化的平衡狀態稱為系統的穩態（靜態）。 當自動控制系統的輸入和輸出均恒定不變時，系統就處于一種相對穩定的平衡狀態 ，系統的各個環節也都處于穩定狀態，但生產還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩進行沒有改變就是了。 靜態

19、特性靜態時系統各環節的輸入輸出關系。 靜態靜態動態ty靜態靜態動態ty2、動態把被控變量隨時間變化的不平衡狀態稱為系統的動態。即控制系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過渡過程。當干擾破壞了系統的平衡時，被控變量就會發生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產生控制作用來使系統恢復平衡。動態特性在動態過程中系統各環節的輸入輸出變化關系?？刂葡到y的過渡過程 控制系統的輸入變化后，系統從原來的平衡狀態，經過動態過程到達新的平衡狀態的動態歷程稱為系統的過渡過程。 系統的過渡響應受內部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f 控制器 傳感器執行器被控對象 +e實測值1、內部因素：系統特性 系統的特

20、性是由系統中各環節的特性和系統的結構所決定的。 2、外部因素：輸入信號 在系統特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規律取決于系統的輸入信號。 生產中，出現的干擾信號是隨機的。但在分析和設計控制系統時，為了充分體現系統的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。 階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。 階躍信號的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在 t = 0時，階躍上升幅度為 A ，其后保持。表達為 f (t) = A ( t )At

21、f（t） 在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統過渡過程有四種形式： 單調衰減過程 被控變量在給定值的一側作單調變化，最后穩定在某一數值上。 振蕩衰減過程 被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩定在某一數值上。t0C(t)0C(t)t等幅振蕩過程 被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。 振蕩發散過程 被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。t0aa0t過渡過程的分類 （1）穩定的過渡過程 單調過程和衰減振蕩過程是穩定的過渡過程。被控變量經過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態。 衰減振蕩過程的過渡過程較短，經常采用。 單調過程的過渡過程較慢 ，被控變量長時間地偏

22、離給定值，一般不采用，只是在生產上不允許被控變量有波動的情況下才采用。（2）不穩定過渡過程 發散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態，而且逐漸遠離給定值，它將導致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產上所不允許的。（3）臨界過渡過程 處于穩定與不穩定之間，一般也認為是不穩定過程，生產上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。 控制系統的性能指標 對控制系統的性能評價，是根據工藝對控制過程和結果的要求來衡量的。控制系統的過渡過程曲線是評價控制系統品質的樣本。 最典型的控制性能測試是給系統輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應的品質。 階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應

23、兩類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系統的性能指標是一致的。干擾階躍響應和給定階躍響應的區別：給定值被控變量干擾f 控制器 傳感器執行器被控對象+e實測值干擾階躍響應t0y給定值被控變量干擾f 控制器 傳感器執行器被控對象+e實測值給定階躍響應0ty1. 系統階躍響應的單項性能指標 單項性能指標包含了對控制系統的穩定性、準確性和快速性三方面的評價。 控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類 單項性能指標以控制系統被控參數過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統的品質指標。1

24、）衰減比n和衰減率 P142設第一個波振幅為 B1、第二個周期振幅為B2圖3.2 定值控制系統階躍擾動的響應曲線yy(0)B1B2y()TpTSTtC圖3.3 隨動控制系統對階躍給定的響應曲線yrB1B2Cy()TpTSTt衰減比 n 和衰減率 是表示系統穩定程度的指標。n大于1，則系統是穩定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：衰減比在 4: 1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率之間有簡單的對應關系：n = 4:110:1 就相當于 = 75 %90% 最大動態偏差是控制系統動態準確性指標。 2）最大動態偏差A和超調量 最大動

25、態偏差表示系統瞬間偏離給定值的最大程度。即: A = Bmax - r 圖1.3 控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yrB1B2Cy()TpTSTtA 有時也采用超調量來表示被控參數偏離設定值的程度， 的定義是第一個波振幅與最終穩態值y()之比。即圖1.3 閉環控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yrB1B2Cy()TpTSTt3）余差C 過渡過程結束后，被控參數的穩態值y()與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統穩態準確性的指標。C= y() - r圖1.3 閉環控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yrB1B2Cy()TpTSTt4）調節時間Ts和振蕩頻率 Ts是指從過渡

26、過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數與穩態值間的偏差進入穩態值的5% （或2%）范圍內，就認為過渡過程結束。圖1.3 閉環控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yrB1B2y()TpTSTt調節時間和振蕩頻率是衡量控制系統快速性的指標。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T ，其倒數稱為振蕩頻率 f = 1/ T圖1.3 閉環控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yrB1B2y()TpTSTt 另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統快速性的指標。圖1.3 閉環控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線y

27、rB1B2y()TpTSTt 例 某換熱器的溫度控制系統給定值為200 。 在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。 解：最大偏差 A = 230-200 = 30余差 C= 205-200 = 5衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min）設被控變量進入穩態值的土2，就認為過渡過程結束，則誤差區域=205 （ 2） 4.1在新穩態值（205）兩側以寬度為4.1畫一區域（陰影線）。曲線進入時間點 Ts = 22min 控制系統的單項品質指標小結穩定性 衰減比n = 4:110:1最佳 準確性 余差C小好 最大偏差 A 小好快速性 過渡時間 Ts 短好 振蕩周期 T 短好各品質指標之間既有聯系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應根據具體工藝情況