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過程控制工程,于玲 浙江大學控制系 2013/02/24,課程的參考資料,教材： 戴連奎等，過程控制工程 第三版 主要參考資料： DE Seborg，過程的動態(tài)特性與控制. 電子工業(yè)出版社 FG Shinskey，過程控制系統(tǒng)應(yīng)用、設(shè)計與整定. 清華大學出版社 聯(lián)系方式： 電話：87952458 Email: 課程網(wǎng)站 /eclass,考核說明,考核：平時成績 50%，含課堂提問、課堂練習、平時練習、綜合練習；期末考試（閉卷）50% 課堂提問和練習 滿分10-20分。課堂提問和練習的平均分，缺課1次扣5分。 平時練習 滿分10分。 綜合練習 20-30分,綜合練習說明,每位同學在給出的題目中任選1題進行仿真研究。 報告應(yīng)包含以下內(nèi)容，缺一不可： 所選的題目以及主要研究內(nèi)容； 本人采用的控制方法以及仿真過程和結(jié)果； 仿真結(jié)果的比較和分析。 報告以PDF文檔的形式提交，同時提交仿真文件 綜合練習的評分標準是：工作量、正確性、創(chuàng)新性、深度、文檔規(guī)范性等,綜合練習的時間安排,春學期第8周前公布選題 夏學期第5周前上交報告 夏學期第6周確定做報告名單 夏學期第7周做報告,助教與答疑,助教：歐陽小偉（碩士研究生） 郵箱： 電話答疑時間：周五下午2:305:00 答疑地點：工控所老樓410,控制工程課程的基本任務(wù),針對連續(xù)被控過程，使學生 掌握控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實施技術(shù),控制工程與其它相關(guān)學科,本課程的教學要求,了解控制系統(tǒng)的設(shè)計目的，掌握控制系統(tǒng)方塊圖描述法 掌握PID類常規(guī)控制策略，能夠結(jié)合具體的工業(yè)過程設(shè)計合理的控制方案 了解先進控制算法，掌握其設(shè)計思想、概念、特點及適用場合 掌握控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實施技術(shù),關(guān)于Simulink仿真,掌握Matlab/Simulink仿真模型的構(gòu)造 SimuLink演示動畫construct.exe 掌握Matlab/Simulink仿真模型的運行與參數(shù)設(shè)置 SimuLink演示動畫simulation.exe 了解仿真模型子系統(tǒng)的構(gòu)造 SimuLink演示動畫subsystem.exe,緒論,于玲 浙江大學控制系 2013/02/24,outline,控制系統(tǒng)的由來和目標 過程控制中的常用術(shù)語 控制系統(tǒng)的組成 單回路控制系統(tǒng)的描述 控制系統(tǒng)的主要分類 控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施,控制系統(tǒng)的由來,傳感測量：液位計+人眼 控制器：大腦 執(zhí)行機構(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,控制在日常生活中無處不在！,反饋控制過程,借助于傳感器，獲得液位測量信號，再通過變送器將測量信號放大、并轉(zhuǎn)換成控制器可接受的標準信號； 控制器（也稱“調(diào)節(jié)器”）接受該標準測量信號，并與其期望值進行比較；,基于比較結(jié)果，控制器決定如何校正測量值與其期望值之間的偏差； 基于決策結(jié)果，控制器給執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出一個控制信號，讓執(zhí)行機構(gòu)采用具體的動作。,控制系統(tǒng)中的三個基本操作,測量（Measurement） 借助于傳感器與變送器，獲取需要控制的變量的當前值 決策（Decision） 基于需要控制的變量的測量值，控制器決定如何使該變量保持在其期望值 動作/執(zhí)行（Action） 作為控制器的決策結(jié)果，控制系統(tǒng)必須采用具體有效的動作，通常由執(zhí)行單元（如控制閥）來完成。已實施的動作或行動應(yīng)反過來影響測量信號。,控制系統(tǒng)的目標,過程控制系統(tǒng)的目標： 在擾動存在的情況下，通過調(diào)節(jié)操縱變量使被控變量保持在其設(shè)定值。 應(yīng)用過程控制系統(tǒng)的主要原因： （1）安全性：確保生產(chǎn)過程中人身與設(shè)備的安全，保護或減少生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響； （2）穩(wěn)定性：確保產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的長期穩(wěn)定，以抑制各種外部干擾； （3）經(jīng)濟性：實現(xiàn)效益最大化或成本最小化。,舉例：閃蒸分離過程,控制目標,安全性 環(huán)保 設(shè)備保護 穩(wěn)定性 產(chǎn)品質(zhì)量 利潤,分離器中過高的壓力非常危險,控制目標,安全性 環(huán)保 設(shè)備保護 穩(wěn)定性 產(chǎn)品質(zhì)量 利潤,不能將碳氫化合物釋放到空氣中,控制目標,安全性 環(huán)保 設(shè)備保護 穩(wěn)定性 產(chǎn)品質(zhì)量 利潤,沒有流體將會損壞泵,控制目標,安全性 環(huán)保 設(shè)備保護 穩(wěn)定性 產(chǎn)品質(zhì)量 利潤,使物料的流速保持平穩(wěn),控制目標,安全性 環(huán)保 設(shè)備保護 穩(wěn)定性 產(chǎn)品質(zhì)量 利潤,通過調(diào)節(jié)解熱量來保證關(guān)鍵組分的含量,控制目標,安全性 環(huán)保 設(shè)備保護 穩(wěn)定性 產(chǎn)品質(zhì)量 利潤,節(jié)約熱能,過程控制系統(tǒng)的重要術(shù)語,被控變量- CV ( Controlled Variable),設(shè)定值 - SP (Setpoint),操縱變量 - MV (Manipulated Variable),擾動變量 - DV (Disturbance Variable),控制變量 - Control Variable,測量信號 - Measurement,控制系統(tǒng)的基本組成,過程,末端 執(zhí)行器,傳感器,控制器,輸入,輸出,期望值,液位控制反饋控制,液位控制系統(tǒng)的方塊圖,問題：指出每一條連接線所對應(yīng)的變量信號的物理意義與單位，以及每一個方塊所表示的意義？,控制系統(tǒng)舉例1.1,對于上述儲氣罐壓力控制系統(tǒng)，請指出其 CV、SP、MV、DVs，并給出其控制系統(tǒng)的方塊圖與設(shè)計目標。,假設(shè)變量之間滿足以下關(guān)系：,例 1.1的控制方塊圖#1,指出該控制系統(tǒng)的操作變量與干擾 ?,例 1.1的控制方塊圖#2,例1.2: 換熱器出口溫度控制系統(tǒng),問題：指出該系統(tǒng)的 CV、SP、MV、DVs，并描述其 方塊圖與控制目標 ?,換熱器溫度控制系統(tǒng)方塊圖,一般的反饋控制系統(tǒng),常用被控變量（CV）：溫度、壓力/差壓、流量、液位/料位、成份含量、屬性。,控制器包括: 硬件、系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件,Hardware of Controllers,模擬調(diào)節(jié)器 (DDZ-II, III) 數(shù)字控制器（也稱“單回路/多回路控制器”） 可編程邏輯控制器 (Programmable logic controllers，PLC) 集散控制系統(tǒng)或稱分布式控制系統(tǒng)（Distributed control systems，DCS） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus control system，F(xiàn)CS） 過程自動化以太網(wǎng) (Ethernet for Process Automation ，EPA),控制系統(tǒng)的發(fā)展史,開大閥門還是逃命？,溫度指示,手動操作 機械裝置 氣動設(shè)備 電動設(shè)備 數(shù)字計算 數(shù)字計算 和通訊,冷卻閥,由人直接根據(jù)指示來調(diào)節(jié)閥門,控制設(shè)備發(fā)展史,手動操作 機械裝置 氣動設(shè)備 電動設(shè)備 數(shù)字計算 數(shù)字計算 和通訊,浮子用來測量液位,閘門的位置決定流量,支點的位置決定： 閘門的變化/液位變化,怎樣改變設(shè)定值？,變量的值由裝置的位置來表達,控制設(shè)備發(fā)展史,手動操作 機械裝置 氣動設(shè)備 電動設(shè)備 數(shù)字計算 數(shù)字計算 和通訊,管道中的信號為3-15psi的氣壓,氣壓改變閥門開度,怎樣執(zhí)行PID計算？,變量大小與氣壓成比例 (50 150 = 3 15psi)。,控制設(shè)備發(fā)展史,手動操作 機械裝置 氣動設(shè)備 電動設(shè)備 數(shù)字計算 數(shù)字計算 和通訊,電線中的信號為4-20mA的電流,電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛聿倏v閥門,怎樣執(zhí)行PID計算？,變量大小與電流或電壓成比例 (50 150 = 4 20mA)。,PID的模擬計算,氣動,電動,控制設(shè)備發(fā)展史,手動操作 機械裝置 氣動設(shè)備 電動設(shè)備 數(shù)字計算 數(shù)字計算 和通訊,電線中的信號為4 - 20mA的電流,電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛聿倏v閥門,采用電動信號傳輸進行數(shù)字計算,數(shù)字計算和通訊,手動操作 機械裝置 氣動設(shè)備 電動設(shè)備 數(shù)字計算 數(shù)字計算 和通訊,電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛聿倏v閥門,數(shù)字PID,信號采用數(shù)字傳輸,信號在局域網(wǎng)中傳輸， 傳感器和閥門也可帶有微處理器！,數(shù)字控制,A/D,A/D,D/A,D/A,現(xiàn)場控制器,A/D,A/D,D/A,D/A,現(xiàn)場控制器,特殊目的處理器,*信號采集 *安全控制,操作站,操作站,多功能 計算機,數(shù)字通訊,過程,*監(jiān)視 *歷史記錄 *優(yōu)化,數(shù)字控制采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),為什么？,分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),控制在哪里實現(xiàn)的？,現(xiàn)場 顯示,現(xiàn)場調(diào)節(jié),電纜，可能有幾百米長,中央控制室中進行變量顯示、 計算以及操縱閥門,傳感器、現(xiàn)場 顯示和閥門 都在生產(chǎn)現(xiàn)場,控制在哪里實現(xiàn)的？,中央控制室,現(xiàn)場 顯示,現(xiàn)場調(diào)節(jié),電纜，可能有幾百米長,中央控制室中進行變量顯示、 計算以及操縱閥門,傳感器、現(xiàn)場 顯示和閥門 都在生產(chǎn)現(xiàn)場,控制系統(tǒng)的分類,定值控制（Regulatory Control, “調(diào)節(jié)控制”）與伺服控制（Servo Control, “跟蹤控制”） 對照舉例：連續(xù)過程與間歇過程或飛行控制。 前饋控制（Feedforward Control）與反饋控制（Feedback Control） 對照舉例：熱交換器的出口溫度控制。,控制系統(tǒng)分類（2）： 前饋控制與反饋控制,比較上述兩種控制策略的優(yōu)缺點,控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）,開關(guān)量控制（Switch Control）與連續(xù)量控制（Continuous Control） 舉例：熱水器的控制，變頻空調(diào) 連續(xù)時間控制（Continuous-Time Control）與離散時間控制（Discrete-Time Control, 也稱“采樣控制”/“數(shù)字控制”） 舉例：計算機控制系統(tǒng) 多變量控制與單變量多回路控制 線性控制與非線性控制等,控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施,確定控制目標：依據(jù)生產(chǎn)過程安全性、經(jīng)濟性與穩(wěn)定性的要求，針對具體工業(yè)對象確定控制目標； 選擇被控變量：選擇與控制目標直接或間接相關(guān)的可測量參數(shù)作為控制系統(tǒng)的被控變量； 選擇操作變量：從所有可操作變量中選擇合適的操作變量，要求對被控變量的調(diào)節(jié)作用盡可能大而快； 確定控制方案：當被控變量與操作變量多于1個時，既可以直接用MIMO（多輸入多輸出）控制方案；也可以將系統(tǒng)分解成幾個SISO（單輸入單輸出）子系統(tǒng)再進行設(shè)計（當然這里存在最佳分解問題）。,控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施（續(xù)）,調(diào)節(jié)閥的選擇：根據(jù)被控變量與操作變量的工藝條件及對象特性，選擇合適大小與流量特性的調(diào)節(jié)閥； 控制算法的選擇：依據(jù)控制方案選擇合適的控制算法。通常對于SISO系統(tǒng)，PID控制算法能滿足大部分情況；而對于MIMO系統(tǒng)，可采用的控制算法很多，但一般都需要對象模型，僅適用于計算機控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的調(diào)試和投用：控制系統(tǒng)安裝完畢后，按控制要求檢查和調(diào)整各控制儀表和設(shè)備的工作狀況(包括控制器參數(shù)的在線整定)，依次將其投入運行。,舉例：精餾塔控制系統(tǒng),控制目標,CV、MV選擇,控制系統(tǒng) 調(diào)試與