华南理工过程控制第1章.pptVIP

《过程控制系统》 东华大学信息学院 授课人：韩芳 2010年9月 第1章 绪论 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况 20世纪40年代开始形成的控制理论被称为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个方面有着深远的影响。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 我国古代指南车 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 初期自动化装置是机械式的，而且是自力型的。 随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 第二次世界大战前后形成经典控制理论。 Nyquist（1932）频率域分析技术和稳定判据的产生。 Bode（1945）开发了易于实际应用的Bode图。 Evans （1948）提出了一种易于工程应用的求解闭环特征方程根的简单图解方法—根轨迹方法。 至此自动控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计的理论----经典控制理论。 经典控制理论最辉煌的成果之一----PID控制规律。 PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效，直到目前为止，在工业过程控制中有80%~90%的系统还使用PID控制规律。 经典控制理论最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出，完成镇定任务。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 1960年代形成现代控制理论。 现代控制理论以状态空间方法为基础： 极小值原理（Pontryagin，1962） 动态规划方法（Belman，1963） 采用Kalman滤波器的随机干扰下的线性二次型系统（LOG）（Kalman，1960） 主要研究的是多输入多输出系统，其中特别重要的是对描述控制系统本质的基本理论的建立，如可控性、可观性、实现理论、典范型、分解理论等。 为了扩大现代控制理论的适用范围，相继产生和发展了系统辩识与估计、随机控制、自适应控制以及鲁棒控制等各种理论分支。 现代控制理论虽然在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果，但对于复杂的工业过程却显得无能为力。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步发展形成了大系统理论（Mohammad，1983）。 核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的典范。 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系统仍然束手无策。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 1980年代发展起来智能控制，对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用。成为自动控制的前沿学科之一。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 从控制系统结构来看，已经经历了四个阶段。 基地式控制：自力式温度控制器、就地式液位控制器等。功能往往限于单回路控制。 单元组合仪表组成的控制系统：有电动和气动两大类。PID控制，常用的复杂控制系统（例串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。 计算机控制系统：直接数字控制（DDC），集散控制系统（DCS）。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化。DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂控制算法。 二级优化控制：在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。在硬件上采用上位机和DCS或电动单元组合仪表相结合，构成二级计算机优化控制。 实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统（CIPS）。 以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通讯的现场总线网络控制系统（FCS）。 1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续） 当前过程控制系统发展的一些主要特点是： 生产装置实施先进控制成为发展主流 过程优化得到迅速发展 故障检测与诊断受到各方面遍关注 传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 综合自动化系统（CIPS）是发展方向 1.2 过程控制系统 1.2.1 概述 生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量），有着一定的控制要求。 有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量和质量起着决定性的作用。 精馏塔的塔顶或塔釜温度； 加热炉出口温度； 化学反应器的反应温度。 有些工艺变量虽不直接地影响产品的数量和质量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。