第一章过程控制基本概念.ppt
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1、过程控制系统,邬晶 上海交通大学电信学院自动化系,联系方式: Email: Tel: 3420-7216 Office: 电信群楼2号楼543室 考试成绩记分方式 考试成绩(70%)+平时成绩(30%),主要的教学内容,过程控制系统 (Process Control Systems),过程控制 理论,过程控制 应用实例,主要的教学内容,过程控制 理论,过程控制 应用实例,过程控制系统的基本概念 复杂过程控制系统的设计与分析 过程控制系统的模型辨识与设计 多变量控制系统的稳定性分析与控制器设计 过程控制系统的性能评估,课程要求及参考书目,教学目标 什么是过程控制系统 过程控制系统的基本设计方法
2、和原则 过程控制系统的建模与辨识 过程控制系统的控制器设计与稳定性分析 了解过程控制系统的性能评估方法 教材及主要参考书目 工业系统辨识与控制,李少远等,化学工业出版社,2010年 自动控制原理,胡寿松,科学出版社,2001年及以后新版本 现代控制工程(第二版),绪方胜彦著,卢伯英等译,科学出版社,1984,第一章 过程控制的基本概念,1.1 工业过程控制系统,Whats process control (PC) systems? Why use process control? How to control a process control (PC) system?,Whats proce
3、ss control systems?,过程控制系统(Process Control System)的定义 以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。,物质和能量有相互作用和转换,被控对象:工业生产过程中的各种生产装置和设备,如加热炉,锅炉,分馏塔,反应器等 被控变量:温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数,石油化工:输油,炼油,乙烯,合成橡 胶,合成氨 电力:火电厂 冶金:冶金加热炉,热处理炉 生化:啤酒,制药 轻工:食品,漂染 环境:水处理,大气监测 其它:农业,养殖业,,过程控制领域,Whats process control system
4、s?,例1.1 加热器的温度控制(见图1.1),控制目标:通过加热水箱中的水使其达到期望的温度。,系统的主要组成: TT(Temperature Transmitter) TC(Temperature Controller) 加热器(执行器) 水箱(Process),重要参数: Reference signal Measurement Controlled Variable,Whats process control systems?,例1.2 换热器的温度控制(见图1.3),图1.3 换热器的控制框图,控制目标:使工艺流体的温度从Ti(t)T(t)。,系统的主要组成: TT/Sensor T
5、C Final control element Process,重要术语: Set Point 设定值 Process 被控对象 Controlled Variable 被控变量,Whats process control systems?,到底什么样的结构是过程控制系统呢?,Whats process control systems?,过程控制系统的基本组成 被控对象 传感器和变送器 控制器 执行器,图1.4 简单过程控制的系统框图,Whats process control systems?,常用术语 被控对象(Process/Object):被控制的设备或装置 被控变量(Controll
6、ed Variable):需要对其进行控制的工艺变量 扰动(Disturbance):影响被控变量的各种扰动作用 操纵变量(Manipulated Variable):受执行机构操纵用于克服扰动影响的变量 测量值(Measurement ):被控变量经检测变送后即是测量值 给定值(Set Point):即被控变量的设定值 偏差值(Error):被控量的给定值与测量值之差,为什么要采用过程控制? 安全性:确保生产过程中人身与设备的安全,保护或减少生产过程对环境的影响; 稳定性:确保产品质量与产量的长期稳定,以抑制各种外部干扰; 经济性:实现效益最大化或成本最小化。,Why use process
7、 control?,过程控制系统的特点 被控对象的多样性 对象动态特性存在滞后和非线性 控制方案丰富多样 有多个过程检测控制仪表 过程控制系统的目标: 在扰动存在的情况下,通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。,Why use process control?,过程控制系统的分类 按调节器的控制规律分:P、PI、PD、PID等 按被控量的多少分:单变量和多变量控制系统 按系统的复杂程度来分:单回路和多回路系统 按系统的结构特点来分:反馈控制,前馈控制,复合控制(前馈-反馈控制) ,How to control a PC system?,给定一个过程控制系统,控制目标,被控对象,被控变量,操
8、纵变量,,选择控制器方案,?,过程控制流程图,1.2 控制规律的选择,PID控制器(包括:单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等) 特点:主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。,APC控制器(先进控制方法,包括:解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等), 特点:主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。,PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略,经过长期的工程实践,已形成了一套完整的控制方法和典型结构。 在很多情形下,PID 控制可以方便灵活地改变控制策略,实施P、
9、PI、PD 或PID 控制。 PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统,而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。 PID 控制参数整定方便,结构灵活,在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。,1.2 控制规律的选择,1.2 控制规律的选择,PID控制器(包括:单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等) 特点:主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。,APC控制器(先进控制方法,包括:解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等), 特点:主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。,PID:Pr
10、oportional Integral Derivative,1.2 控制规律的选择-PID控制,PID控制:对偏差信号e=ysp-ym进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。,图1.4 简单过程控制的系统框图,比例,积分,微分,1.2.1 比例作用(P) 控制器输出信号u(t)与误差信号e(t)成比例关系,即: 其中称为比例带/比例度。,1.2 控制规律的选择-PID控制,比例度定义为 Kc,比例控制作用就越强;Kc,比例控制作用就越弱。,例1.3 换热器的温度控制系统,原理: 热水温度是由传感器T获取信号并送到调节器C的, 调节器控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定, 加热
11、器的热负荷既决定于热水流量Q也决定于热水温度。 假定现在采用比例调节器,并将调节阀开度直接视为调节器的输出。水温愈高,调节器应把调节阀开得愈小。,图1.5 换热器系统,1.2 控制规律的选择-PID控制,直线1:是比例调节器的静特性, 即调节阀开度随水温变化的情况. ,斜率 曲线2和3:分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性,他们表示加热器在没有调节器控制时,在不同流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系,1.2 控制规律的选择-PID控制,直线1与直线2的交点O:代表在热水流量为Q0,在P调节下的稳态运行点。此时出口水温为0,调节阀开度为u0. 若热水流量减小为Q1,则调节过程结束后,新
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