化工自动化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上页,下页,目 录,1,过程控制与自动化,曾 国 勇,邮箱,：,hellozgy_,手机：,680883,第,0,章,引言,何为,(,过程,),自动化？,应用,“,仪表、控制和自动化技术,”,的原始动力,自动化与生产工艺的关系,自动化技术、自动化仪表的简要发展过程,本课程的主要知识点,2,0.1,何为,(,过程,),自动化,3,所谓自动化是在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，也即：,用自动化装置来管理设备（生产过程），使之正常运行,。,从工艺的眼光来看,4,所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或者状态上，,或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行,保证生产过程运行在,最佳状态,最高目标,从控制的眼光来看,5,所谓,“,自动控制,”,是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。,随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证,6,测量仪表,设定值,控制器,进料口,出料口,H,玻璃管液位计,人工操作 自动控制,(,Automatic control,),0.2,应用“仪表、控制和自动化技术”的原始动力,7,提高产品质量、保证生产安全、延长设备的使用寿命等，表现在：,加快生产速度、减低成本、提高产量和质量、增加产品的附加值,例如：聚合反应釜控制不当极易发生爆炸。,现代工业要求，表现在：,生产过程趋向于大型化、复杂化，没有自控系统将无法生产；,先进生产工艺、环保等对自动化的要求日益提高。,提高劳动效率、减轻劳动强度、改善劳动条件，表现在,自动化生产可以避免操作人员大量、繁重、危险的操作，特别是在易燃、易爆、有毒、腐蚀性、刺激性的生产过程更是如此。,原始动力：,8,（,1,）自动化是提高社会生产力的有力工具之一；,（,2,）自动化水平使衡量国家发达程度的重要标志；表现在,无人化生产、优越的生产环境、优秀的产品质量,（,3,）“仪表、控制和自动化技术”决定现代企业的兴衰；,（,4,）（计算机）控制系统是现代工业生产的神经中枢。,。,自动化的地位,：,0.3,自动化与生产工艺的关系,9,了解生产对象的基本特性及其对控制的影响；根据工艺要求选择合理的自控方案；,综合考虑工艺与自控双方面的因素，掌握准确的工艺条件和数据；,了解基本测控参数的测量原理、要求，便于确定合适的测控参数、选择合适的测控点等。,典型的工业生产过程生产工艺生产设备自动控制。,自控与工艺的关系：,自控为工艺服务,。,自控专业人员必须深入了解和熟悉生产工艺和设备,工艺专业人员也必须掌握自动控制的本质,0.4,自动化技术的简要发展过程,控制理论,仪表,控制系统（自动化装置）,10,控制理论的简要发展过程,11,自动控制的本质：是指应用自动化仪器仪表、自动控制装置代替人，自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。,控制问题的本质：就是要求基于对象内在的动力学本质和规律，运用适当的数学工具求取问题的解。,“,控制,”,这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，作为自动控制科学的核心的控制理论与技术也自然而然地在人们征服自然与改造自然的历史中发展起来。,12,1868,年,J.C.Maxwell,为了解决蒸汽机调速器的精度和稳定性之间的矛盾，首先提出了微分方程模型和稳定性分析的数学方法，从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，他所发表的,“,论调节器,”,是目前比较公认的第一篇控制理论论文。,经典控制理论,1877,年,E.J.Routh,和,1895,年,A.Hurwitz,创造性地提出了称为,Routh,，它是经典控制理论中最基础的稳定性分析工具之一。,1932,年,Nyquist,提出了“,Nyquist,稳定性判据”。,1945,年,Bode,建立了控制系统的频域设计方法（,Bode,图法）。,之后，经过,Wienner,、,Nichols,等人的杰出贡献，终于形成了经典的反馈控制和频域理论，并于,20,世纪,50,年代趋于成熟。,经典控制理论建立在传递函数基础上的，主要针对线性定常、,SISO,对象，基于反馈控制的主导思想，完成控制系统的镇定任务。经典控制理论最辉煌的成果首推,PID,控制规律，对于无时间延迟的,SISO,系统极为有效。直到目前，在工业过程控制中仍然被广泛应用。,（,90,以上）,13,由于,工业生产过程也向着大型化、连续化的方向发展。,导致,（,a,）控制系统渐趋复杂：,在整体结构上，表现为非线性、不确定性、无穷维、多层次等；,在被处理的信息上，表现为信号的不确定性、随机性、不完全性等。,（,b,）控制要求越来越高，除了实现单纯的稳定控制以外，控制器的设计往往还要追求最佳的性能要求,现代控制理论,经典控制理论已无法满足解决多变量、非线性、不确定性以及最佳性能要求等问题的需要，这在客观上促使现代控制理论得以建立和发展。,14,现代控制理论,Pontryagin,提出的“极大值原理”,Bellman,提出的动态规划理论,Kalman,滤波及其能控、能观和反馈镇定理论,Lyapunov,稳定性理论,现代控制理论发展的基础,现代控制理论主要研究分支有：自适应控制,鲁棒控制,非线性控制,大系统理论,模糊控制,神经网络控制,预测控制,15,经典控制理论和现代控制理论的关系,对于经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论而言，并非意味着相互的否定和排斥，它们之间有着共同发展、互相渗透、相互结合的发展关系。,需要提出的是，在当今的过程控制领域中，几乎有,90,以上的控制回路仍然沿用经典的,PID,控制算法或,PID,控制算法的变形，并能够获取比较满意的控制效果,仪表的简要发展过程,16,常见的测控参数：,T,、,P,、,L,、,F,、,A,（五大参数）,测控仪表的分类：,变送器（传感器）、执行器、控制器三大类,控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统,17,基地式仪表,只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰）,单元组合仪表,随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号送往集中控制室，在控制盘上连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况。,QDZ,：气动单元组合仪表，气源,(,140kPa),，信号,(,20,100kPa),。主要有力平衡型和力矩平衡型两类，气动单元组合仪表已基本淘汰。,DDZ,：电动单元组合仪表。,DDZ,II,型：电源,220VAC,，信号,0,10mA,DDZ,III,型：电源,24VDC,，信号,4,20mA,、,1,5VDC,智 能 仪 表,仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。,现场总线仪表,简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。,目前，应用最多的测控仪表主要是,DDZ,III,模拟仪表和部分智能型仪表。考虑到控制系统逐渐向,FCS,方向发展，因此现场总线技术和现场总线仪表的应用将日渐广泛。,自动化装置的简要发展过程,18,基地式系统,基地式仪表,第,0,代,常规仪表控制系统,单元组合仪表：,调、变、执、算,(DDZ-II,、,III,、,QDZ),第,1,代,DDC,控制,变、执,(DDZ-II,、,III),集中型计算机控制系统,变、执,(DDZ-II,、,III),第,2,代,DCS,OS,：小型机、,IPC,CS,：,IPC,、,PLC,、,智能调节器,现场仪表：,DDZ-III,为主,第,3,代,*,FCS,将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。,现场仪表：总线仪表,第,4,代,*,分布式,IO DCS,现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场,I/O,设备上，各现场,I/O,设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。,现场仪表：,DDZ-III,、,总线仪表,过渡型,*,0.5,本课程的主要知识点,19,自动控制究竟是一个什么,“,东西,”,？,不是名词解释,需要学习自控回路（系统）的组成、基本工作原理、如何评价自动质量,怎么样来构建一个自动控制回路？,需要学习构建自控回路的各环节的作用，各环节的特性对自控系统的影响，（最常用）检测仪表、控制仪表的基本工作原理，如何选择合适的自控设备（仪表）,如何工程实时？,即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？,需要学习自动系统的设计、控制参数的整定,更复杂的控制回路如何工程实施？,计算机控制是什么一回事？怎么样来设计一个计算机控制系统？,