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1、过程控制工程过程控制工程于玲于玲浙江大学控制系浙江大学控制系2013/02/24课程的参考资料n教材教材：n戴连奎等，过程控制工程 第三版n主要参考资料：主要参考资料：nDE Seborg，过程的动态特性与控制.电子工业出版社nFG Shinskey，过程控制系统应用、设计与整定.清华大学出版社n联系方式：联系方式：n电话：87952458nEmail:n课程网站课程网站n 考核说明考核考核：平时成绩 50%，含课堂提问、课堂练习、平时练习、综合练习；期末考试（闭卷）50%n课堂提问和练习n满分10-20分。课堂提问和练习的平均分，缺课1次扣5分。n平时练习n满分10分。n综合练习 20-30
2、分综合练习说明n每位同学在给出的题目中任选1题进行仿真研究。n报告应包含以下内容，缺一不可：n所选的题目以及主要研究内容；n本人采用的控制方法以及仿真过程和结果；n仿真结果的比较和分析。n报告以PDF文档的形式提交，同时提交仿真文件n综合练习的评分标准是：工作量、正确性、创新性、深度、文档规范性等综合练习的时间安排n春学期第8周前公布选题n夏学期第5周前上交报告n夏学期第6周确定做报告名单n夏学期第7周做报告助教与答疑n助教：欧阳小伟（硕士研究生）n邮箱：n电话：n答疑时间：周五下午2:305:00n答疑地点：工控所老楼410控制工程课程的基本任务针对连续被控过程，使学生掌握控制系统的分析、设
3、计与实施技术控制工程与其它相关学科本课程的教学要求n了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法n掌握PID类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案n了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合n掌握控制系统的分析、设计与实施技术关于Simulink仿真n掌握Matlab/Simulink仿真模型的构造.SimuLink演示动画construct.exen掌握Matlab/Simulink仿真模型的运行与参数设置.SimuLink演示动画simulation.exen了解仿真模型子系统的构造.SimuLink演示动画subsystem.exe绪论绪论于玲于玲浙江大
4、学控制系浙江大学控制系2013/02/24outlinen控制系统的由来和目标n过程控制中的常用术语n控制系统的组成n单回路控制系统的描述n控制系统的主要分类n控制系统的设计与实施控制系统的由来传感测量：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀差压传感变送器电动调节器自动调节阀控制在日常生活中无处不在！控制在日常生活中无处不在！反馈控制过程1.借助于传感器，获得液位测量信号，再通过变送器将测量信号放大、并转换成控制器可接受的标准信号；2.控制器（也称“调节器”）接受该标准测量信号，并与其期望值进行比较；3.基于比较结果，控制器决定如何校正测量值与其期望值之间的偏差；4.基于决策结果，控制器
5、给执行机构发出一个控制信号，让执行机构采用具体的动作。控制系统中的三个基本操作n测量（Measurement）借助于传感器与变送器，获取需要控制的变量的当前值n决策（Decision）基于需要控制的变量的测量值，控制器决定如何使该变量保持在其期望值n动作/执行（Action）作为控制器的决策结果，控制系统必须采用具体有效的动作，通常由执行单元（如控制阀）来完成。已实施的已实施的动作或行动应反过来影响测量信号动作或行动应反过来影响测量信号。控制系统的目标n过程控制系统的目标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。n应用过程控制系统的主要原因：应用过程控制
6、系统的主要原因：（1）安全性：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；（2）稳定性稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；（3）经济性经济性：实现效益最大化或成本最小化。举例：闪蒸分离过程控制目标n安全性n环保n设备保护n稳定性n产品质量n利润分离器中过高的压力非常危险控制目标n安全性n环保n设备保护n稳定性n产品质量n利润不能将碳氢化合物释放到空气中控制目标n安全性n环保n设备保护n稳定性n产品质量n利润没有流体将会损坏泵控制目标n安全性n环保n设备保护n稳定性n产品质量n利润使物料的流速保持平稳控制目标n安全性n环保n设备保护n稳定性n产品
7、质量n利润通过调节解热量来保证关键组分的含量控制目标n安全性n环保n设备保护n稳定性n产品质量n利润节约热能过程控制系统的重要术语被控变量-CV(Controlled Variable)设定值-SP(Setpoint)操纵变量-MV(Manipulated Variable)扰动变量-DV(Disturbance Variable)控制变量-Control Variable测量信号-Measurement控制系统的基本组成过程末端执行器传感器控制器输入输出期望值液位控制反馈控制液位控制系统的方块图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？控制系统举例1
8、.1 对于上述储气罐压力控制系统，请指出其 CV、SP、MV、DVs，并给出其控制系统的方块图与设计目标。假设变量之间满足以下关系：例 1.1的控制方块图#1指出该控制系统的操作变量与干扰?例 1.1的控制方块图#2例1.2:换热器出口温度控制系统问题：指出该系统的 CV、SP、MV、DVs，并描述其 方块图与控制目标?换热器温度控制系统方块图一般的反馈控制系统常用被控变量（常用被控变量（CV）：温度、压力）：温度、压力/差压、流量、液位差压、流量、液位/料位、成份含量、属性料位、成份含量、属性。控制器包括控制器包括:硬件、系统软件硬件、系统软件与应用软件与应用软件Hardware of Co
9、ntrollersn模拟调节器(DDZ-II,III)n数字控制器（也称“单回路/多回路控制器”）n可编程逻辑控制器(Programmable logic controllers，PLC)n集散控制系统或称分布式控制系统（Distributed control systems，DCS）n现场总线控制系统（Fieldbus control system，FCS）n过程自动化以太网(Ethernet for Process Automation，EPA)控制系统的发展史开大阀门还是逃命？温度指示l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯冷却阀由人直接根据指示来调节阀门控制
10、设备发展史l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯浮子用来测量液位闸门的位置决定流量支点的位置决定：闸门的变化/液位变化怎样改变设定值？变量的值由装置的位置来表达控制设备发展史l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯管道中的信号为3-15psi的气压气压改变阀门开度怎样执行PID计算？变量大小与气压成比例(50 150=3 15psi)。控制设备发展史l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯电线中的信号为4-20mA的电流电流转变为气压来操纵阀门怎样执行PID计算？变量大小与电流或电压成比例(50 150=4
11、20mA)。PID的模拟计算气动电动控制设备发展史l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯电线中的信号为4-20mA的电流电流转变为气压来操纵阀门采用电动信号传输进行数字计算数字计算和通讯l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯电流转变为气压来操纵阀门数字PID信号采用数字传输信号在局域网中传输，传感器和阀门也可带有微处理器！数字控制A/DA/DD/AD/A现场控制器A/DA/DD/AD/A现场控制器特殊目的处理器*信号采集*安全控制操作站操作站多功能计算机数字通讯过程*监视*历史记录*优化数字控制采用分布式网络结构为什么？分布式网络结构
12、分布式结构的特点分布式结构的特点对过程控制的好处对过程控制的好处数个处理器并行运算控制计算比只用一个处理器快每个处理器只执行有限个控制器计算控制系统更安全，因为一个处理器故障只影响有限个控制回路最小系统只需要少量的设备系统可以很容易地进行扩展每种处理器可以配不同的硬件和软件可以根据具体的应用，比如控制、监视、操作等来选择硬件和软件控制在哪里实现的？现场显示现场调节电缆，可能有几百米长中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门传感器、现场显示和阀门都在生产现场控制在哪里实现的？中央控制室现场显示现场调节电缆，可能有几百米长中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门传感器、现场显示和阀门都在生产现
13、场控制系统的分类n定值控制（Regulatory Control,“调节控制”）与伺服控制（Servo Control,“跟踪控制”）对照举例：连续过程与间歇过程或飞行控制。n前馈控制（Feedforward Control）与反馈控制（Feedback Control）对照举例：热交换器的出口温度控制。控制系统分类（2）：前馈控制与反馈控制比较上述两种控制策略的优缺点控制系统的分类（续）n开关量控制（Switch Control）与连续量控制（Continuous Control）举例：热水器的控制，变频空调n连续时间控制（Continuous-Time Control）与离散时间控制（Di
14、screte-Time Control,也称“采样控制”/“数字控制”）举例：计算机控制系统n多变量控制与单变量多回路控制n线性控制与非线性控制等控制系统的设计与实施n确定控制目标：确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；n选择被控变量：选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；n选择操作变量：选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；n确定控制方案：确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个S
15、ISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。控制系统的设计与实施（续）n调节阀的选择调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；n控制算法的选择控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。n控制系统的调试和投用控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况(包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。举例：精馏塔控制系统控制目标CV、MV选择控制系统调试与投用控制方案控制算法常用控制算法nPID类类（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：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。nAPC类类（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：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。下一讲：过程动态特性分析n过程特性分类 n过程特性机理建模法 n执行机构介绍 n过程特性测试建模法