Transcript 绪论 - 浙江大学控制科学与工程学系

过程控制工程
于玲
浙江大学控制系
2013/02/24
课程的参考资料
教材：


戴连奎等，过程控制工程 第三版
主要参考资料：



DE Seborg，过程的动态特性与控制. 电子工业出版社
FG Shinskey，过程控制系统——应用、设计与整定.
清华大学出版社
联系方式：



电话：87952458
Email: [email protected]
课程网站


http://cse.zju.edu.cn/eclass
考核说明
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%
课堂提问和练习


平时练习


满分10-20分。课堂提问和练习的平均分，缺课1次
扣5分。
满分10分。
综合练习 20-30分
综合练习说明


每位同学在给出的题目中任选1题进行仿真研究。
报告应包含以下内容，缺一不可：





所选的题目以及主要研究内容；
本人采用的控制方法以及仿真过程和结果；
仿真结果的比较和分析。
报告以PDF文档的形式提交，同时提交仿真文件
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




春学期第8周前公布选题
夏学期第5周前上交报告
夏学期第6周确定做报告名单
夏学期第7周做报告
助教与答疑





助教：欧阳小伟（硕士研究生）
邮箱：[email protected]
电话：18268080212
答疑时间：周五下午2:30~5:00
答疑地点：工控所老楼410
控制工程课程的基本任务
PC
TC
回油
燃料油
工艺介质
雾化蒸汽
PC
FC
针对连续被控过程，使学生
掌握控制系统的分析、设计与实施技术
控制工程与其它相关学科
控制原理
与方法
系统仿真
技术
最优化
方法与技术
计算机
与网络技术
控制工程
化工原理
与对象机理
测量与控制
仪表
本课程的教学要求




了解控制系统的设计目的，掌握控制系
统方块图描述法
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
了解先进控制算法，掌握其设计思想、
概念、特点及适用场合
掌握控制系统的分析、设计与实施技术
关于Simulink仿真

掌握Matlab/Simulink仿真模型的构造
..\SimuLink演示动画\construct.exe

掌握Matlab/Simulink仿真模型的运行与
参数设置
..\SimuLink演示动画\simulation.exe

了解仿真模型子系统的构造
..\SimuLink演示动画\subsystem.exe
绪论
于玲
浙江大学控制系
2013/02/24
outline






控制系统的由来和目标
过程控制中的常用术语
控制系统的组成
单回路控制系统的描述
控制系统的主要分类
控制系统的设计与实施
控制系统的由来
Qi
hsp
h
LT
21
Qo
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！
LC
21
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
Qi
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。
hsp
h
LT
21
Qo
LC
21
控制系统中的三个基本操作

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

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

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
动作或行动应反过来影响测量信号。
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。
应用过程控制系统的主要原因：
（1）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：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：实现效益最大化或成本最小化。
举例：闪蒸分离过程
汽相
产品
T6
P1
P ≈ 1000 kPa
T5
T2
T1
T ≈ 298 K
进料：
甲烷
乙烷 (LK)
F1
丙烷
丁烷
戊烷
T4
F2
T3
L1
F3
过程
流体
液相
产品
蒸汽
L. Key A1
控制目标






安全性
环保
设备保
护
稳定性
产品质
量
利润
分离器中过
高的压力非
常危险
T1
T2
T5
进料：
甲烷
乙烷 (LK)
F1
丙烷
丁烷
戊烷
T4
T3
F2
汽相
产品
S-15
T6
S-14
P1
PC
L1
F3
过程
流体
液相
产品
蒸汽
L. Key A1
控制目标






安全性
环保
设备保
护
稳定性
产品质
量
利润
不能将碳氢
化合物释放
到空气中
T1
T2
T5
进料：
甲烷
乙烷 (LK)
F1
丙烷
丁烷
戊烷
T4
T3
F2
燃烧
汽相
产品
T6
P1
L1
F3
过程
流体
液相
产品
蒸汽
L. Key A1
控制目标






安全性
环保
设备保
护
稳定性
产品质
量
利润
汽相
产品
T6
P1
T1
T2
T5
进料：
甲烷
乙烷 (LK)
F1
丙烷
丁烷
戊烷
T4
T3
F2
没有流体将
会损坏泵
L1
LC
F3
过程
流体
液相
产品
蒸汽
L. Key A1
控制目标






安全性
环保
设备保
护
稳定性
产品质
量
利润
使物料的流
速保持平稳
T1
T2
T5
进料：
甲烷
乙烷 (LK)
F1
丙烷
丁烷
戊烷
T4
T3
汽相
产品
T6
P1
L1
FC
S-19
F2
F3
过程
流体
液相
产品
蒸汽
L. Key A1
控制目标






安全性
环保
设备保
护
稳定性
产品质
量
利润
通过调节解热
量来保证关键
组分的含量
T1
T2
T5
进料：
甲烷
乙烷 (LK)
F1
丙烷
丁烷
戊烷
T4
T3
F2
汽相
产品
T6
P1
L1
液相
产品
F3
过程
流体
蒸汽
AC
A1
L. Key
控制目标






安全性
环保
设备保
护
稳定性
产品质
量
利润
节约热能
汽相
产品
T6
P1
T1
T2
T5
进料：
甲烷
乙烷 (LK)
F1
丙烷
丁烷
戊烷
T4
T3
L1
S-22
F2
液相
产品
F3
过程
流体
蒸汽
AC
A1
L. Key
过程控制系统的重要术语
Qi
测量信号 - Measurement
设定值 - SP
(Setpoint)
hsp
扰动变量 - DV
(Disturbance Variable)
被控变量- CV (
Controlled Variable)
h
LT
21
LC
21
控制变量 Control Variable
Qo
操纵变量 - MV (Manipulated Variable)
控制系统的基本组成
Qi
期望值
hsp
h
控制器
Qo
末端
执行器
输入
LT
21
传感器
过程
输出
LC
21
液位控制反馈控制
Qi
hsp
h
LT
21
Qo
LC
21
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？
Qi
hsp
LT
21
h
LC
21
Qo
偏差
e(t)
设定值
hsp
+
测量值
hm(t)
_
液位控制
器LC21
扰动
Qi(t)
控制信号
u(t)
出水
控制阀
液位测量变
送LT21
操纵变量
Qo(t)
液体贮罐
干扰
通道
控制
通道
+
+
被控变量
h(t)
控制系统举例1.1
Psp
Pm
PC
51
F2
PT
51
u
P2
f2
P
P1
f1
F1
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：
dP
V
 K1 F1  K 2 F2
dt
F1  KV 1 f1 P1  P
f1 100 u
F2  KV 2 f 2 P  P2
例 1.1的控制方块图#1
f2
P2
被控过程
KV 2 f 2 P  P2
P1
Psp
e(t)
+
_
PC
51
u(t)
f1
控制阀
P
F2
KV1 f1 P1  P
P(t)
F1
V
dP
 K1 F1  K 2 F2
dt
P
Pm
PT
51
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
P1
P2
f2
Psp
+
PC
51
_
u(t)
f1
控制阀
干扰
通道
控制通道
被控过程
Pm
PT
51
+
+
P(t)
例1.2: 换热器出口温度控制系统
Tsp
u(t)
TC
22
蒸汽
问题：指出该系统的 CV、
SP、MV、DVs，并描述其
方块图与控制目标 ?
RV
Tm
TT
22
RF , Ti
工艺介质
T
凝液
换热器温度控制系统方块图
换热器
RF (t), Ti (t)
干扰通道
Tsp
+
TC
22
_
Tm
u(t)
RV (t)
蒸汽阀
TT
22
控制通道
+
+
T(t)
一般的反馈控制系统
控制器包括: 硬件、系统软件
与应用软件
ysp
u(t)
+
控制器
被控过程
DVs
执行机构
干扰通道
MV
控制通道
+
+
y(t)
_
ym(t)
传感变送器
常用被控变量（CV）：温度、压力/差压、流量、液位/
料位、成份含量、属性。
Hardware of Controllers






模拟调节器 (DDZ-II, III)
数字控制器（也称“单回路/多回路控制器”）
可编程逻辑控制器 (Programmable logic
controllers，PLC)
集散控制系统或称分布式控制系统（
Distributed control systems，DCS）
现场总线控制系统（Fieldbus control system，
FCS）
过程自动化以太网 (Ethernet for Process
Automation ，EPA)
控制系统的发展史
手动操作
由人直接根据指示来调节阀门
机械装置
温度指示
开大阀门
还是逃命？
气动设备
电动设备
数字计算
数字计算
和通讯
冷却阀
控制设备发展史
手动操作
变量的值由装置的位置来表达
怎样改
变设定
值？
机械装置
气动设备
支点的位置决定：
闸门的变化/液位变化
电动设备
数字计算
数字计算
和通讯
闸门的位置决定流量
浮子用来测量液位
控制设备发展史
手动操作
变量大小与气压成比例
(50 – 150℃ = 3 – 15psi)。
怎样执
行PID计
算？
机械装置
气动设备
电动设备
数字计算
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
控制设备发展史
手动操作
变量大小与电流或电压成比例
(50 – 150℃ = 4 – 20mA)。
怎样执
行PID计
算？
机械装置
气动设备
电动设备
数字计算
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
PID的模拟计算
气动
电动
控制设备发展史
手动操作
采用电动信号传输进行数字计算
机械装置
气动设备
电动设备
数字计算
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
数字计算和通讯
手动操作
信号在局域网中传输，
传感器和阀门也可带有微处理器！
机械装置
气动设备
数字PID
电动设备
数字计算
数字计算
和通讯
信号采用数字传输
电流转变为气压来操纵阀门
数字控制
数字控制采用分布式网络结构
为什么？
操作站
多功能
操作站
计算机
*监视
*历史记录
*优化
数字通讯
现场控制器
现场控制器
A/D A/D … D/A D/A
A/D A/D … D/A D/A
过程
……
特殊目的
处理器
*信号采集
*安全控制
分布式网络结构
分布式结构的特点
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？
现场调节
现场
显示
传感器、现场
显示和阀门
都在生产现场
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
控制在哪里实现的？
现场调节
现场
显示
传感器、现场
显示和阀门
都在生产现场
中央控制室
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
控制系统的分类


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。
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
Tsp
蒸汽
RV
u(t)
前馈控制器
Tsp
Tm
FT
31
TT
22
RF
T
TC
22
Tim
RFm
TT
32
u(t)
蒸汽
RV
Tm
TT
22
RF , Ti
Ti
工艺介质
工艺
介质
T
凝液
比较上述两种控制策略的优缺点
凝液
控制系统的分类（续）




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
连续时间控制（Continuous-Time Control）与
离散时间控制（Discrete-Time Control, 也称
“采样控制”/“数字控制”）
举例：计算机控制系统
多变量控制与单变量多回路控制
线性控制与非线性控制等
控制系统的设计与实施

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；

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；

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；

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SISO（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）

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；

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。

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
TC
CV、MV选择
LC
FC
精
馏
塔
进料
控制方案
塔顶产品
FC
控制算法
LC
加热蒸汽
塔底产品
控制系统
调试与投用
常用控制算法

PID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：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：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




过程特性分类
过程特性机理建模法
执行机构介绍
过程特性测试建模法