1、1,工業過程控制,鄭州科技學院 王曉冬,2,TEL電氣學院二樓 電氣教研室 期末成績=期末考試*0.7+平時成績*0.3 平時成績：出勤+作業,3,第一章：生產過程自動化的發展,生產過程自動化，狹義的可以定義為控制理論在生產過程中的應用。 廣義上講還應包括自動化工具，如參數檢測、控制執行及調節器(計算機系統)等。 更完善地定義還應包括保證生產安全的越限報警、聯鎖保護以及故障診斷、容錯控制等等。 更廣的意義上講還包括操作優化、最優調度與生產管理等內容，也就是常講的管理控制綜合系統。 生產過程自動化所包含的內容十分豐富。,4,本課程的內容,本課程只討論生產過程自動化技術

2、課程基礎：模擬電路傳感器與檢測技術； 數字電路微機原理與接口技術； 自動控制原理； 編程語言（匯編、C）；,5,什么是過程控制？,工業生產過程 指原材料經過若干加工步驟轉變成產品并具有一定生 產 規模的過程。,工業生產過程可分為： 連續生產過程和離散生產過程； 連續生產過程 、離散生產過程 和 間歇生產過程（批量生產過程）。,工業生產過程控制概述,6,工業生產過程的目標 在可能獲得的原料和能源條件下，以最經濟的途徑將 原材料加工成預期的合格產品。,原材料,合格產品,理想條件,干擾,產品？,控制,過程控制,過程控制主要是指連續過程工業的過程控制,圖1.1-1 工業生產過程示意圖,7,一座以煤作燃

3、料的發電廠，如圖1.1-2所示。在這一工業生產過程中，原料是煤和水，產品是電能，整個生產過程由儲倉、鍋爐、汽輪機、發電機、水冷凝器和循環水泵、相應的管道以及控制系統等組成。煤通過在爐膛中燃燒產生熱能從而加熱水使之變成高壓蒸汽用以推動汽輪機。汽輪機通過連接軸帶動發電機發出電能。所產生的電能送給電網再供給各種各樣的用戶，如有的用于照明，有的用于驅動馬達，有的用作家電產品的電源等。,圖1.1-2 發電廠示意圖,8,對發電廠來說，它的工作目標是： 安全生產 鍋爐、汽輪機等必須絕對安全運作； 單位電能的煤耗 要求煤耗小，能量轉換效率高； 排出煙氣對環境污染 煙氣中灰塵及硫化物含量要低。 上述目標，只有通

4、過良好的自動控制系統才能實現。,9,圖1.1-3 工業生產過程控制與其它學科的關系,10,生產過程自動化的發展歷史,工業革命時發明的瓦特節速器開創了自動調節的先例。 19世紀中(1868年)，物理學家JCMaxwell作出關于蒸汽機調速器穩定性分析的著名論文，人類歷史上第一篇有關控制理論的論文。 20世紀30年代以來，自動化技術首先在電子通訊工程中獲得了驚人的成就，對自動控制理論產生了極大的推動作用。 40年代以Nyquist的工作所開創的基于反饋回路的經典控制理論，以傳遞函數為基礎，適用于單輸入單輸出 (SISO)線性定常系統的分析與綜合問題。,11,生產過程自動化的發展歷史,系統分析方法有

5、時間域方法、頻率響應法和根軌跡法等，這些方法中尤以頻率響應法最主要。 自動控制理論作為一門獨立的學科則是從20世紀40年代末(1948年)開始，由NWiener發表的著名著作“控制論”為標志，迅速發展起來。 20世紀60年代開始的現代控制理論作為更科學的理論獲得很大的發展。,12,現代控制理論,以狀態空間為基礎的現代控制理論： Bellman的動態規劃理論（1957年） Kalman等的最優濾波理論（1961年） Pontryagin等的極大值原理（1962年） 建立在以現代控制理論為基礎的控制器設計方法規范，理論清晰，能夠有效地處理很多復雜的系統控制問題。 航空、航天領域、機械控制領域。,1

6、3,生產過程自動化的發展歷史,由于流程工業生產過程的復雜性，和人類目前的知識水平，建模過程（包括機理建模與辨識）中必要的假設與簡化不可避免。在這樣的基礎上建立的工業過程被控對象模型中總包含有被稱為“未建模”動態部分。由于它的存在，使基于現代控制理論設計的控制系統的品質大大惡化，甚至無法穩定。 除了被控對象模型的不確定性以外，工業生產過程中的干擾十分復雜，它們的統計特性往往未知，有時甚至干擾本身就是不確定的。 因此，現代控制理論在生產過程自動化中還很難見到成功應用的實例。致命的不足是系統的狀態空間模型不知。,14,生產過程自動化的發展歷史,大多數工業過程運行工況都不會偏離額定工況太遠，許多工業過

7、程參數可以簡化為用一階或二階帶純滯后的、具有自平衡能力的集中參數特性來描述。 20世紀4060年代，經典控制理論為生產過程控制系統的設計提供了強有力的理論支持。以此為基礎的單變量控制系統得到了廣泛的應用，并達到了相當完善的程度。 在這個時期，自動化的技術工具是氣動或電動模擬儀表（稱為調節器）。,15,生產過程自動化的發展歷史,經典控制理論的系統設計方法建立在試探方法基礎之上，通常得不到最優控制目標。 20世紀60年代，航天航空事業的發展，促進了現代控制理論的發展。 系統的復雜性在理論上體現為對象是多輸入多輸出(MIMO)、時變、非線性。 這就對控制理論和工程提出了新的要求能否將在空間技術中獲得

8、應用的現代控制理論應用到工業過程控制中去。 實踐證明，直到現在進展不大。,16,工業過程自動化,目標：使生產過程達到安全、平穩、優質、高效(高產出、低消耗)、綠色環保。 自動化的初級階段主要目標是使生產過程安全(僅限于越限報警和聯鎖)與平穩地進行。 在過程工業中，絕大部分的控制系統是對諸如溫度、壓力、流量、物位（液位、界面）等工藝變量的定值控制系統。 控制對象往往可用一個低階模型來描述。并且根據這樣的模型，就足以滿足平穩生產要求。這就是為什么經典控制方法至今不衰的重要原因。,17,工業過程自動化,據有關文獻報道，目前在工業過程控制系統中，90以上還是采用PID控制，及一些簡單的多回路控制系統(

9、它們往往在基礎控制級DCS上實現)。 所以對于經典控制理論的學習與認識是必要的，也是學習與理解現代控制理論的分析與設計方法的非常重要基礎。 更是工程實施的需要。,18,現代控制理論與經典控制理論,現代控制理論從理論上解決了許多難以控制的問題。相對經典控制理論來說是一大進步。 但現代控制理論在應用中出現了問題：嚴格地依賴于控制對象的數學模型。而過程工業生產中要得到被控對象準確的數學模型是非常困難的。 經典控制理論依據系統的測量值進行控制：反饋控制（閉環）。 現代控制理論根據系統狀態控制（開環）。 盡管現代控制理論在理論上講是更系統、更規范、更強有力，但是其分析與設計方法的物理意義卻遠沒有經典控制

10、理論清晰。,19,現代控制理論,系統建模與辨識。 近年來控制理論界研究的熱點，如魯棒控制、非線性控制、自適應控制、預測控制等一直長盛不衰。與此同時一些所謂無模型控制方法如模糊控制、專家系統、人工神經元網絡控制等也應運而生并且蓬勃發展。在控制理論界形成一個多角度、多方位的研究勢態。 種種現象體現出了理論上的熱烈，工程上的欠缺。 1991年IFAC控制年會重新開始重視經典控制,20,工業過程綜合自動化,集管理與控制于一體的計算機集成綜合自動化系統。（CIMS，CIPS） 從更大的范圍來研究綜合自動化問題，這使得控制理論從系統的總體特征上遇到了前所未有的困難。解決這類問題的重要途徑可以是將控制理論、

11、運籌學與智能控制三者相結合。 而這些問題的解決可能意味著新一代控制理論或復雜系統控制理論的產生。 自動化是一個涉及范圍廣、包含內容極豐富的領域。每一種控制理論的提出都有其相應的背景。,21,過程工業控制器,過程工業控制器習慣上稱調節器、檢測儀表稱變送器。 標準儀表信號（0.020.1MPa氣壓信號，420mA直流電流）。（15V直流電壓） 調節器電源電壓在24V以下，屬于弱電控制系統。 調節器分電動、氣動兩種類型。 連續生產過程，發電、化工、石化工業，特點：易燃易爆。,22,自動化儀表發展,最近50年，工業自動化儀表經歷了從氣動儀表到電動儀表，從現場控制到中央控制室控制，從在儀表屏上操作到用計

12、算機操作站（CRT）操作，從模擬信號到數字信號等階段。并且重新回到現場控制。 20世紀50年代主要是氣動儀表和真空電子管儀表， 60年代以DDZ電動單元組合儀表（分立元件）和DQZ氣動單元組合儀表為代表， 70年代以DDZ型儀表（集成電路）為代表電動單元儀表， 到80年代，由于微處理器的發展，開始了智能化儀表時代。 目前控制儀表已完全數字化了。,23,計算機工業控制的發展,世界上第一臺成熟的電子數字計算機是1946年出現的。將數字計算機作為控制系統的部件的思想萌生于1950年前后。在當時的結論是“將已有的通用數字計算機用于控制系統沒有什么潛力”。 最重要的工作開始于1956年3月，當時湯姆森拉

13、莫伍爾里奇(Thomson Ramo Woolrige TRW )航空公司與得克薩柯(Texaco)公司聯合提出了一個可行性研究報告。決定針對得克薩斯州(Texas)的波特阿瑟(Port Arthur)煉油廠的一臺聚合裝置進行研究 。,24,計算機工業控制的發展,設計出采用RW-300計算機的聚合裝置計算機控制系統。該控制系統于1959年3月12日在線運行。 “控制”26個流量、72個溫度、3個壓力和3個成分。系統的基本功能是使反應器的壓力最小、確定對5個反應器供料的最佳分配、根據對催化劑活性測量的結果來控制熱水的流入量、以及確定最佳循環。 這里的“控制”意義是計算機檢測上述變量，并根據工藝計

14、算、打印出控制命令，由操作人員手動調節設定點，模擬儀表才是真正的控制器。 這種控制稱為計算機監控（監督控制）。,25,計算機工業控制的發展,TRW公司的這項開創性工作，導致了計算機工業控制蓬勃發展的局面。到現在大致分6個發展階段 ： 開創期約1955年 直接數字控制期約1962年 小型計算機控制期約1972年 微型計算機控制期約1972年 數字技術普遍應用期約1980年 集散型控制期約1990年,26,計算機控制的開創時期,早期計算機控制系統采用真空管。在1958年前后，計算機加法時間的典型值是l毫秒，乘法時間是20毫秒，一臺中央處理器的平均無故障時間(MTBF)為50l00小時。 計算機控制

15、的主要任務是尋找最佳運行條件，完成調度和生產計劃，報告產量和原材料的消耗等。 在這里可以把尋找最好運行條件的問題看作是一個靜態最優化問題。,27,計算機控制的開創時期,計算機控制由于缺乏過程知識而受到阻礙。在這個時期，可行性研究的很大一部分努力都是花在建模上。由于缺乏有效的建模方法學，建模相當費時。 過程控制向計算機系統提出了許多特殊的要求， 作為過程控制系統，需要對過程中的意外變化做出迅速響應，從而產生了計算機中斷系統概念。 作為控制用計算機系統，要直接面向工業過程的各種參數，就必須要各種各樣的傳感器。 過程參數為非電量信號，要轉換成相應的電量信號。電量信號的標準化和數字化。 數字控制理論和

16、適合于數字計算機的控制算法（程序）等。 一系列的實踐和理論研究課題。,28,計算機控制的開創時期,TRW公司和得克薩柯公司的工作，在工業界、計算機制造商和各種研究組織中間喚起了對過程工業控制的極大的興趣。 工業界看到的是一種提高自動化水平的潛在手段， 計算機工業界看到了新的市場， 大學則看到了新的研究領域。,29,計算機控制的開創時期,到1961年3月為止，全世界安裝了37套計算機控制系統。一年之后，系統臺數增長到159套。應用領域涉及到鋼鐵、化工和電力工業的控制。不同的工業領域，以不同的速度推動了這種技術的發展。可行性研究貫穿了整個20世紀60年代和70年代。 計算機控制的開創時期是計算機監

17、督控制階段。,30,直接數字控制時期,1962年，英國的帝國化學工業公司（ICI）制造出了一套全新的控制裝置，過程控制中的全部模擬儀表由一臺名為費倫蒂阿格斯（Ferranti Argus）的計算機來代替。一臺計算機直接測量224個變量和控制129個閥門。 開創了過程控制的新紀元，即模擬技術直接被數字技術所代替，而系統的功能保持不變。 直接數字控制（DDC）這個名字就是為了強調計算機直接控制生產過程這一特征。 1962年，一臺典型的過程控制計算機，完成兩數相加所花的時間為100微秒，相乘所花的時間為1毫秒。平均無故障時間大約為1000小時。,31,直接數字控制時期,控制系統的價格問題是DDC技術

18、得以發展的主要理由。 模擬系統的價格隨著控制回路數目的增加成線性增長，而一臺數字計算機系統的最初投資雖然很大，但增加一個回路的費用卻很小。因此，對于大型裝置來說，數字系統是便宜的。 數字控制系統的另一個突出的優點是操作方式的變更，一塊操作員通信板可代替一大片墻壁的模擬儀表。用在ICI系統的通信板非常簡單，僅僅包含一臺數字顯示器和少數按鈕。,32,直接數字控制時期,靈活性是DDC系統的又一個優點。模擬系統要通過重新接線來改變控制系統的結構；而計算機控制系統則只需通過重編程序，改變控制邏輯，即可改變控制系統的結構。 計算機控制還有更多的優點，比如，它容易實現幾個回路之間的相互作用；可以使控制環節的

19、參數成為運行條件的函數。 采用專用的DDC語言可以簡化編程工作。 在使用者看來，DDC系統仿佛是用常規調節器連成的。,33,小型計算機時期,20世紀60年代，由于集成電路技術的發明與發展，計算機變得體積更小，速度更快，可靠性更高，并且越來越便宜。小型計算機一詞指的是新出現的這類計算機。 這個時期，典型的過程控制計算機的字長為16位，內存儲器為8124K字，磁盤作為輔助存儲器，加法時間為2微秒，乘法時間為7微秒，中央處理單元的平均無故障時間為20000小時。 DDC期間，通過工程實踐獲得了越來越多的計算機過程控制的知識 。 過程控制計算機的臺數從1970年的5000臺左右增長到1975年的500

20、00臺左右。,34,微型計算機時期和計算機控制的普遍應用,微型機與小型機時代幾乎是同時開始的 。 90年代，微處理器的價格降到僅為幾美元。 出現了稱為微控制器的特殊用途計算機。在微控制器中，一塊標準的處理器芯片上增添了寄存器、存儲器（包括程序存儲器和數據存儲器）、中斷邏輯、定時器/計數器、串行通信口，以及A/D和D/A變換器等其它的功能部件和通用接口等。使微控制器只需少量的外部電路就可以成為一完整的計算機控制系統。并且可靠性大幅度提高。,35,集散型控制,微處理器對于計算機控制系統結構產生了深遠的影響 ，極大的提高了控制系統的可靠性 。 計算機控制系統通常包括實現控制功能的過程站，具有操作監視

21、作用的操作站和各種輔助的站點 。控制系統中所有的相互作用都通過通訊網絡來實現。這種將不同的功能分散在不同的站點的控制系統稱為集散控制系統。 第一臺集散控制系統是1975年由Honeywell公司推出的TDC2000系統。 操作員使用一臺計算機（操作站）就能完成對整個生產過程的監視和控制。,36,全廠監督和控制,工業過程控制系統的進一步發展是將工廠中的所有計算機和計算機系統集成為一個整體，實現實時的數據交換。這樣的相互作用就使得所有部門各得其所。 最高主管能隨時了解運行的全貌； 生產主管可以在現有信息的基礎上規劃和調度生產 及時了解產品生產、庫存、銷售信息，生產成本賬目和質量記錄等。 集成的基礎

22、是數據通信網絡，數據庫系統。,37,38,我國計算機控制技術的發展,我國計算機控制技術在早期與世界先進水平比并不落后。在20世紀60年代初，我國大學就開始了在不同行業中的計算機應用研究，及工業控制計算機研究。南京工學院（現在的東南大學）在化工、電力行業開始計算機控制技術和工程應用的研究。并且在70年代初已有在石油化工、電廠、造船等行業成功應用的實例。,39,現場總線和工業以太網,工業控制系統粗略的分為三層，其中，下面兩層是生產過程的控制和監督。上面一層實現生產管理功能。對信息的要求也不同。 生產過程的控制和監督過程，面對的是過程實時數據，數據的時效性高（比如周期性的檢測數據。每次的傳送數據量一

23、般不大。屬于時效性強的小批量數據。,40,現場總線和工業以太網,生產管理面對的是生產計劃、市場統計、財務、庫存等信息，以及生產過程分析等。（其中生產過程分析數據來源盡管同樣來自自動化系統），一般是來自過程自動化層的實時數據庫和歷史數據庫中的信息。（并且，生產分析一般是離線分析，對數據傳輸時間要求不強。作為生產過程的診斷分析，要求的數據不但要求多，還往往要有一定的時間跨度）。 因此在生產管理層，每次傳送的數據量很大。不定時。 管理自動化系統還可能進一步通過網絡構成更大的管理網絡，直到與因特網相連。,41,現場總線和工業以太網,以太網采用載波監聽多路訪問的控制方式，其通信的不確定性使人們一直認為它

24、不適于在控制網絡中使用（在網絡上節點多或通信量增加時，通信過程中發生沖突的概率將明顯增大，數據傳送的實時性無法保證）。 控制系統內的通信協議都由各控制系統生產公司自己設計，并且各不相同。 給控制系統的使用帶來不方便。,42,工業以太網,不同的控制系統有不同的組成、結構，與網絡協議。屬于不同的企業集團 控制系統與管理系統集成，綜合自動化。統一信息標準。 以太網隨著因特網的發展已成為最廣泛的網絡標準，工業以太網可能是統一網絡標準的一種道路。,43,集散控制系統,儀表控制系統集中安裝在控制室， 計算機監督控制系統集中安裝在控制室， 計算機直接控制系統集中安裝在控制室，一個CPU對所有回路進行檢測控制

25、。控制集中，風險集中。 集散控制系統集中安裝在控制室，控制功能分散在各部件。分散風險。 上述控制系統與現場檢測點采用電纜連接，接線多，復雜。,44,現場儀表控制系統,將控制功能分散到現場智能儀表，現場總線控制系統。 與中央控制室之間的連接僅是數據線，極大減少了連接電纜數。 現場數據總線是系統的關鍵。 分布式控制系統，現場數據總線不僅是通信線，更是控制系統的組成部分。安裝分散，風險分散。 現場總線控制系統新一代控制系統。,45,現場總線定義,國際電工委員會IEC/TC65負責測量和控制系統數據通信國際標準化工作的SC65C/WG6于1984年就開始著手標準的制定，并致力于推出世界上單一的現場總線

26、標準。 根據國際電工委員會IEC61158標準定義：現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。 現場總線技術基本內容包括：以串行通信方式取代傳統的420mA的模擬信號；一條現場總線可為眾多的可尋址現場設備實現多點連接、支持底層的現場智能設備與高層的系統利用公用傳播介質交換信息。,46,現場總線,現場總線技術的核心是它的通信協議。它是工業控制領域中計算機通信系統的最底層的低成本網絡）。自1993年通過了IEC61158現場總線物理層標準之后，由于種種經濟、社會與技術原因，使現場總線標準的制定一直處于混亂狀態。 2000年初宣布 8種現場

27、總線標準為IEC現場總線國際標準子集 ：,47,現場總線標準,IEC61158技術規范（即FF-H1） ControlNET（美國羅克韋爾自動化公司Rockwell Automation, 1995）、 Profibus(德國西門子公司支持，1989；1996年它贏得了43的德國市場，在歐洲市場也占首位)、 P-Net(丹麥 PROCES-DATA，1984年)、 Foundation Fieldbus FF-HSE(美國Fisher Rosemount公司支持)、 Netcomer SwiftNet（SHIP STAR協會應波音公司的要求開發的一種現場總線）、 WorldFIP（法國Alst

28、om支持）、 Interbus-S(德國的Phoenix Contact公司，1984)，,48,其它控制總線標準,Lonworks(美國ECHELON) CC-Link(三菱電機，1996） CAN （德國Bosch, 1994) DeviceNet(開放式設備網絡供貨商協會) AS-I(11家公司聯合資助和規劃的，并得到德國科技部的支持) 所有控制總線產品相互之間不兼容。,49,工業以太網,當現場總線標準爭執不斷的時候，以太網標準隨Internet的發展，取得了長足的發展，從10M100M 1000M。 許多公司開始工業以太網研究，并取得了很大的進展。 工業以太網可能是可以統一未來現場總線

29、標準。 工業以太網是一種實時網絡。,50,分布式工業控制系統,自從采用數字計算機技術后，工業控制系統的發展，有兩個分布式的過程。 DCS的出現，使控制系統從單個處理器的集中控制模式，轉向多處理器的分散控制模式。早期的DCS控制系統，還是集中在中央控制室。 智能儀表和現場總線通信技術，使得控制系統從集中在總控制室，轉向真正分布到工業控制現場,51,嵌入式系統,隨著IC（集成電路）技術和IT（信息）技術的發展，控制系統又將面臨新的變化，這就是嵌入式系統。 我們這里所說的嵌入式系統有兩層含義，一是控制系統嵌入到控制對象中（即被控對象與控制系統結合成新的智能化設備），二是系統軟件嵌入到IC（SOC）芯片中去。,52,智能化設備,控制系統嵌入到控制對象： 嵌入式控制系統，使得控制系統與被控對象成為一體，成為新的系統：機電一體化系統。典型的機器人。 嵌入式系統具有完善的網絡通信接口、人機接口和完善的檢測控制功能，它是一個獨立的控制系統，又是設備的一個組成部分，是在設備的制造過程中，量身定做的控制系統，不再需要進行二次開發。,53,芯上系統（SOC：System On chip）