過程控制工程設(shè)計(jì)—緒論

1、1,緒論,機(jī)電學(xué)院自動化研究所：許素安仰儀南樓310 電話：86914549,2,控制理論與控制工程直接服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)過程的工程性技術(shù)過程控制概念,課程性質(zhì),3,,過程控制：以表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)

2、量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。,4,控制系統(tǒng)的由來,,傳感測量器：液位計(jì)+人眼控制器：大腦執(zhí)行機(jī)構(gòu)：手+手動閥,差壓傳感變送器電動調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)閥,,5,液位控制系統(tǒng)的組成與方塊圖,6,自控工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的原因,進(jìn)入90年代以來自動化技術(shù)發(fā)展很快，是重要的高科技技術(shù)。過程控制是自動化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中電過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)

3、濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。,7,自控工程設(shè)計(jì)？,自控工程設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，用圖紙資料和文字資料的形式表達(dá)出來的全部工作。,8,自控工程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容,１. 建立自控系統(tǒng)（設(shè)計(jì)系統(tǒng)） ①常規(guī)控制 ②計(jì)算機(jī)控制 根據(jù)工藝要求組成不同自控系統(tǒng)。如采用常規(guī) 儀表、DCS系統(tǒng)或FCS系統(tǒng)的控制系統(tǒng),9,,DCS，即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料

4、中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法上卻完全不同。 DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場測控站）的3級結(jié)構(gòu)。,10,,FCS:現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System) 　　計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，一種

5、世界上最新型的控 制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）在上世紀(jì)九十年代走向?qū)嵱没?，并正以迅猛的勢頭快速發(fā)展。把微機(jī)處理器轉(zhuǎn)入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，信號傳輸精度高，遠(yuǎn)程傳輸。 現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制 裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前自動化技術(shù)中的一個熱點(diǎn)，正越來越受到國內(nèi)外自動 化設(shè)備

6、制造商與用戶的關(guān)注?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給自動化領(lǐng)域在過程控制系統(tǒng)上帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創(chuàng)自動化 的新紀(jì)元。,11,２. 控制系統(tǒng)的實(shí)施 ①確定被控變量（受控變量） ②操縱變量：代表現(xiàn)狀、工藝機(jī)理、過程特性 ③確定檢測點(diǎn)，選擇測量元件 ④閥特性選?。簹忾_、氣關(guān)、對數(shù)、特性 ⑤控制規(guī)律選取 ⑥各種儀表的選型、氣動、電動I、II、III型 ⑦控制參數(shù)整定及自控系統(tǒng)的投運(yùn),自控工程主要

7、學(xué)習(xí)內(nèi)容,12,自控工程學(xué)習(xí)達(dá)到的目的,如何根據(jù)控制理論（控制原理），結(jié)合過程機(jī)理，軟、硬件知識去從事控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行等工作的學(xué)科。——實(shí)現(xiàn)控制對象的自動化。 自動化——在被控制的設(shè)備上配一些自動化裝置，代替操作人員直接勞動，使生產(chǎn)過程在不同程度上自動進(jìn)行，這種自動化裝置管理生產(chǎn)的辦法為自動化。,13,自控工程學(xué)習(xí)達(dá)到的目的,1.一般系統(tǒng)（簡單系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)分析，選型， 投運(yùn)及參數(shù)整定2.復(fù)雜系統(tǒng)（車

8、間、工廠級）的分析設(shè)計(jì),14,過程控制發(fā)展概述,早期 一千多年前：銅壺滴漏計(jì)時器、指南車（中國西漢時期--開環(huán)前饋）、各種天文儀器。十八世紀(jì)：風(fēng)車定向裝置（1750），蒸汽機(jī)調(diào)速裝置（1784年）30年代 黑箱子時期：憑經(jīng)驗(yàn)，配儀表(經(jīng)典控制理論1代+2代)1948年N. Wiener發(fā)表《控制論》40年代前后(手工階段)：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)驗(yàn)人工控制生產(chǎn)過程，勞動生產(chǎn)率很低。,15,,16,過程控制發(fā)展概述,早期 一千多年前：

9、銅壺滴漏計(jì)時器、指南車（中國西漢時期--開環(huán)前饋）、各種天文儀器。十八世紀(jì)：風(fēng)車定向裝置（1750），蒸汽機(jī)調(diào)速裝置（1784年）30年代 黑箱子時期：憑經(jīng)驗(yàn)，配儀表(經(jīng)典控制理論1代+2代)1948年N. Wiener發(fā)表《控制論》40年代前后(手工階段)：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)驗(yàn)人工控制生產(chǎn)過程，勞動生產(chǎn)率很低。,17,過程控制發(fā)展概述,50年代前后(儀表化與局部自動化階段)：過程控制發(fā)展的第一個階段，一些工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表化和

10、局部自動化。主要特點(diǎn)：檢測和控制儀表-----采用基地式儀表和部分單元組合儀表(多數(shù)是氣動儀表)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------單輸入、單輸出系統(tǒng)；被控參數(shù)------溫度、壓力、流量和液位參數(shù)；控制目的------保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或者減少對生產(chǎn)過程的主要擾動；理論-----頻率法和根軌跡法的經(jīng)典控制理論，解決單輸入單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。,18,基地式儀表,將測量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個表殼里，從而形成一

11、個整體，并且可就地安裝的的一類儀表。 　　基地式儀表的特點(diǎn)： 　?。?）綜合與集中：基地式儀表把必要的功能部件全集中在一個儀表之內(nèi)，只需配上調(diào)節(jié)閥便可構(gòu)成一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)； 　　（2）基地式儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要變送器，使用維護(hù)方便、防爆?！　。?）基地式儀表的缺點(diǎn)是功能較簡單，不便于組成復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，外殼尺寸大，精度稍低。,19,過程控制發(fā)展概述,60年代前后 發(fā)展階段（現(xiàn)代控制理論，第3代）：過程控制發(fā)展的第二個階段，工廠企

12、業(yè)實(shí)現(xiàn)車間或大型裝置的集中控制。主要特點(diǎn)：檢測和控制儀表---采用單元組合儀表(氣動、電動)和組裝儀表，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)---多變量系統(tǒng)，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級、比值、均勻、前饋、選擇性控制系統(tǒng)；控制目的---提高控制質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求；理論-----除經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用。,20,單元組合儀表,由若干種具有獨(dú)立功能的標(biāo)準(zhǔn)單元組成的一套調(diào)節(jié)儀表。它完

13、全適應(yīng)大型機(jī)組和過程控制方面的要求，可以實(shí)現(xiàn)多回路的復(fù)雜控制（見電動單元組合儀表、氣動單元組合儀表）。,21,19世紀(jì)70年代以來(全盤自動化階段)：發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三個階段。主要特點(diǎn)：檢測和控制儀表-----新型儀表、智能化儀表、微型計(jì)算機(jī)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-------由單→多變量系統(tǒng)，由PID控制規(guī)律→特殊控制規(guī)律，由定值控制→最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，由儀表控制系統(tǒng)→智能化計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)；理論-

14、----現(xiàn)代控制理論→過程控制領(lǐng)域，如狀態(tài)空間分析，系統(tǒng)辨識與狀態(tài)估計(jì)，最優(yōu)濾波與預(yù)報。,過程控制發(fā)展概述,22,目前(全盤自動化階段+多級優(yōu)化控制)：集散控制系統(tǒng)-----是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的(生產(chǎn)過程是分散系統(tǒng))，但過程控制的監(jiān)視、管理是集中的。優(yōu)點(diǎn)：將計(jì)算機(jī)分布到車間或裝置。使系統(tǒng)的危險分散，提高了系統(tǒng)的可靠性，能方便靈活地實(shí)現(xiàn)各種新型的控制規(guī)律與算法，實(shí)現(xiàn)最佳

15、管理。,過程控制發(fā)展概述,23,第一章 緒論,目前(全盤自動化階段+多級優(yōu)化控制)：CIMS (Computer Integrated Manufacturing System) CIPS (Computer Integrated Process System) FCS (Field--bus Control System) 智能控制理論（第4代）：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制、專家控制、遺傳算法、灰色理論,過程控制發(fā)展概