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什么是过程控制

时间:2015-03-22 11:12来源:www.eadianqi.com 编辑:自动控制网
过程控制泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量,是自动化技术的重要组成部分。 作用:在现代工业生产过程自动化中,过程控制技术可实现各种最

  过程控制泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量,是自动化技术的重要组成部分。
  作用:在现代工业生产过程自动化中,过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
  过程控制的特点
  系统由被控过程和检测控制仪表组成
过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具,对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数电信号或气信号,反映生产过程状况;控制仪表接受检测信号对过程进行控制。
  被控过程的多样性
  生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构形、动态特性多样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延、多变量特征,还有非线性与时变特性。(锅炉、热交换器、精馏塔) 本文来自www.eadianqi.com
  控制方案的多样性
  被控对象复杂导致控制方案多样性。单\多变量控制系统、常规仪表控制\计算机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统,还有先进过程控制系统(自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等)。
  过程控制的控制过程多属慢过程,而又多半属参量控制
  被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。主要对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动控制。(石油、化工、冶金、电力、轻工、制药)
  定值控制是过程控制的一种主要控制形式
  设定值恒定或在很小的范围内变化。
  控制目的:如何减小或消除外界扰动对被控量的影响,使被控量能控制在给定值上,使生产稳定。
  过程控制的要求与任务
  安全性
  针对易燃易爆特点设计;参数越线报警、链锁保护;故障诊断,容错控制。
  稳定性
  抑制外界干扰,保证正常运行。
  经济性
  降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性,运用控制理论和一定的技术手段(计算机、自动化仪表)设及合理系统。

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  过程控制的功能结构
  ◆ 测量变送与执行
  测量变送装置与执行装置实现
  ◆ 操作安全与环保
  保证生产安全、满足环保要求的设备(独立运行)
  ◆ 常规与高级控制
  实现对过程参数的控制,满足控制要求。
  ◆ 实时优化
  实现最优操作工况(时间,成本,设备损耗)而设计的方案
  ◆ 决策与计划调度
  对整个过程进行合理计划调度和正确决策,使企业利益最大化。
  
  过程控制发展概况
  ● 20世纪40年代前后(手工阶段):手工操作状态,凭经验人工控制生产过程,劳动生产率很低。
  ● 20世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段):过程控制发展的第一个阶段,实现了仪表化和局部自动化。
  主要特点:检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表);
  过程控制系统结构------单输入、单输出系统;
  被控参数------温度、压力、流量和液位参数;
  控制目的------保持这些参数的稳定,消除或者减少对生产过程的主要扰动;
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  理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论,解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
  ● 20世纪60年代(综合自动化阶段):
  检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表,计算机控制系统的应用,实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC);
  过程控制系统结构------多变量系统,各种复杂控制系统,如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统。
  控制目的------提高控制质量或实现特殊要求。
  理论-----除经典控制理论,现代控制理论开始应用。
  前馈控制-----按扰动来控制,在扰动可测的情况下,可以地提高控制质量。
  选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事,自动实现的保护性控制。
  ● 20世纪70年代以来(全盘自动化阶段):发展到现代过程控制的新阶段,这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点:
  检测和控制仪表-----新型仪表、智能化仪表、微型计算机;
  过程控制系统结构-------由单→多变量系统,由PID控制规律→ 特殊控制规律,由定值控制→ 最优控制、自适应控制,由仪表控制系统→ 智能化计算机分布式控制系统;
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  理论-----现代控制理论应用到过程控制领域,如状态空间分析,系统辨识与状态估计,最优滤波与预测。
  全盘自动化阶段:
  集中型计算机控制系统
  集散控制系统DCS
  FCS现场总线控制系统
  ● 80年代---集散控制系统(DCS)
  集散控制系统:是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统),但过程控制的监视、管理是集中的。
  优点:
  将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散,提高系统的可靠性,方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法,实现最佳管理。
  ● 90年代以来
  现场总线控制系统FCS(fieldbus control system)
  是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统,并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。
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  计算机集成过程控制CIPS (compututer intergrated process system)
  以企业整体优化为目标(市场营销、生产计划调度、原材料选择、产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化),以计算机和网络为主要技术实现管理与控制一体化。

  过程控制的组成
  .被控参数(亦称系统输出)y(t):被控过程内要求保持稳定的工艺参数;
  .控制参数(亦称操作变量控制介质)q(t):使被控参数保持期望值的物料量或能量;
  .干扰量f(t):作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数;
  .设定值r(t):与被控参数相对应的设定值;
  .反馈值z(t):被控参数经测量变送后的实际测量值;
  .偏差e(t):设定值与反馈值之差;
  .控制作用u(t):控制器的输出值。
 
  过程控制系统一般性框图
  过程控制的分类
  按系统的设定值不同分为: 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
  ◆ 定值控制-----系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一很小范围内不变)中。例如前述的例子就是定值控制系统。系统的输入信号是扰动信号。
  ◆随动控制系统-----被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统。作用:克服一切扰动,使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程控制,控制系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动控制空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。
  ◆程序(顺序)控制系统-----被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。控制的目的:使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度控制系统。
  过程控制系统的性能指标
  在阶跃输入的扰动作用下,定值控制系统过渡过程有四种形式:
  ①单调衰减过程
  被控变量在给定值的一侧作单调变化,最后稳定在某一数值上。
  ②振荡衰减过程
  被控变量上下波动,但幅度逐渐减少,最后稳定在某一数值上。
  
  ③等幅振荡过程
  被控变量在给定值附近来回波动,且波动幅度保持不变。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
  ④振荡发散过程
  被控变量来回波动,且波动幅度逐渐变大,离给定值越来越远。
  
  过程控制系统的性能指标
  单项时域性能指标:
  (1)衰减比n(衰减率φ)两个相邻的同向波峰值之比,衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标,反映了振荡的衰减程度。衰减率定义为一个周期后波动幅度衰减的程度:
  
  为了保证系统有一定稳定裕度,衰减比一般为为4:1—10:1时,则衰减率为0.75—0.9。
  (2) 最大动态偏差A和超调量σ
  最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即: A = ymax - r
  最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。
  
  有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度,σ的定义是最大动态偏差与最终稳态值y(∞)之比。即 本文来自www.eadianqi.com
  
  二阶系统:
  3)余差C
  过渡过程结束后,被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差,也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。
  C= y(∞) - r
  4)调节时间Ts和振荡频率ω
  Ts是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5% (或±2%)范围内,就认为过渡过程结束。
  调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。
  过渡过程中相邻两同向波峰(或波谷)之间的时间间隔叫振荡周期T ,其倒数称为振荡频率
                 f = 1/ T
  
  另外还有峰值时间Tp(又称上升时间),是指过渡过程开始,至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。 本文来自www.eadianqi.com
  偏差积分指标有以下几种形式:
  ①偏差积分IE(Integral of Error)
  
  缺点:不能保证系统是衰减振荡。
  
  ②绝对偏差积分IAE (Integral Absolute value of Error)
  
  排除了正负偏差抵消的可能。
  ③平方偏差积分ISE(Integral of Squared Error)
  对大偏差敏感
  ④时间与绝对偏差乘积积分ITAE
  (Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error)
  对调节时间敏感
  ⑤时间与绝对偏差平方乘积积分ITSE
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  抑制过渡过程大偏差和过渡过程时间过长
  设计步骤:
  1.确定控制目标
  1)热油出口温度稳定;
  2)出口温度与烟道气含氧量稳定;
  3)温度稳定与热效率最高。
  2.选择被控参数
  直接参数(油出口温度、烟道气含氧量、燃油压力)间接参数(热效率)
  3.选择控制量
  燃料油流量还是冷油流量→出口温度
  挡板开度还是送风挡板→含氧量
  
  加热炉过程控制系统
  4.确定控制方案
  控制精度和干扰决定→系统的简单与复杂。
  温度、效率、含氧量等多于一个要求→多输入/多输出。
  如果温度、含氧量定值控制,还要求效率→最优控制。
  5.选择控制策略
  多数采用→PID;复杂过程→高级过程控制
  6.选择执行器
  气动与电动,执行期特性与过程特性匹配。 本文来自www.eadianqi.com
  7.设计报警与联锁保护系统
  高、低限值;加热炉停车程序:停燃油泵→关燃油阀→停引风机→切断热油阀
  8.工程化设计
  设计图样资料和文件资料→表达设计思想→主管部门审批→施工单位。
  9.系统投运、调试和整定参数

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