工业过程控制工程课件第一章工业过程控制工程绪论-(精品课件).ppt

到了20 世纪80 年代，DCS 进人成熟期，一条生产线，乃至一个工厂可用一台大型的DCS 来控制，真正实现计算机控制工业生产过程。同时，有更好的人机接口、硬件和软件平台，为先进控制和优化控制奠定物质基础． 自从进入20世纪90 年代，人们称为是信息化和网络化时代，基于现场总线的计算机控制系统止在开发并逐步走向实用化。随着计算机在企业管理和控制中的应用，过程自动化（PA）、工厂自动化（FA ）、计算机集成过程控制（CIPS ）、计算机集成制造系统（CIMS ）和企业资源总综合规划( ERP ）等，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段，从而形成如图1 . 3-1 所示的工厂计算机综合优化控制系统。 图1.3-1 工厂计算机综合优化控制 1.4 工业生产过程自动化 为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。 要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的检测和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定地生产与操作等，都离不开自动化技术。 企业生产过程管理与控制的递阶（分层）结构图 生产过程层是由有关的生产过程工艺设备如容器、泵、机器、管道等组成。 常规控制层是由生产过程工艺参数的测量变送仪表、仪器、自动执行机构以及显示、纪录、控制器等组成。该层是用于自动监视和代替人工自动控制工业生产过程最基本的自动化设备。 先进控制层是由计算机（或DCS）和有关软件及算法等组成，功能是实现常规控制层无法做到的多变量控制。 优化层是由计算机和有关优化软件及优化算法等组成，它的功能是为先进控制层提供优化给定值、优化控制轨迹或生产方案。这一层的作用是为优化层提供各种优化目标或约束条件。 图1.4-1 1.4.1 常规控制 1.4.2 先进控制 1.4.3 优化 1.4.1 常规控制 常规控制是指采用经典的PID （比例＋积分十微分）控制算法或其他简单的控制算法，如双位控制、比例控制以及比较复杂的前馈控制、串级控制、比值控制等，使工业生产过程的被控变量，如温度、液面、压力、流量等，在遭受到外来扰动情况下，稳定地维持在预先的给定值上 常规控制典型是单回路负反馈控制系统（或叫反馈控制回路）： 图1.4-2 典型的负反馈控制回路 如果外来的扰动是可以测量: 图1.4-3 典型的反馈加前馈控制系统 工业生产过程中只有常规控制层设计合理，运行正常，才能进行优化操作与控制。这种单回路反馈控制系统再加上前馈、串级等控制系统，一般都能满足工业生产过程稳定控制的要求，因此，工业上80%以上的控制回路都采用简单的PID控制系统。 1.4.2 先进控制 随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，对产品质量和过程被控变量的波动范围要求越来越严格，简单的PID控制系统已远远不能适应。 PID控制系统对于复杂的工业生产过程，其被控变量波动较大，难以实现卡边控制，对于多变量的工业生产过程，简单的控制方法不能实现多变量控制。 先进控制（Advanced Process Control-APC）： 先进控制是对那些不同于常规单回路PID控制，并具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的系统，而非专指某种计算机控制算法。 先进控制与常规（PID）控制的关系： APC是在原来常规控制 方案的基础上，加上 先进控制策略。 图1.4-4 采用先进控制，可获得很好的经济效益，其投资收益关系如下图所示。 图1.4-5 先进控制投资效益 通过先进控制指标系统的控制，使得生产过程非常平稳，可以使控制的平均值往指标靠近，从而可以提高生产装置的处理能力或产品质量指标的卡边。另一方面，可以实现多变量协调控制和优化控制，这样就可以提高T 业生产过程的效益。 图1.4-6 先进控制的效益 表1.4-1 各种先进控制策略 1.4.3 优化 工业生产过程的目标是以最少的原料和消耗，生产出更多的符合产品质量要求的产品。 基础自动化和先进控制系统可保证生产过程平稳地运行在希望的操作值或优化区域内。 在克服扰动时的动态过程（或叫过渡过程），可用最优控制算法保证动态过程最优。 在图1.4.-1中的优化层，是指为先进控制层提供优化的控制目标。这一优化目标内容既可以是使设备在产品质量卡边情况下生产能力（即设备处理能力）最大，或者是在生产设备条件卡边的情况下产品质量最好，也可以是用生产过程的经济效益最大作为优化目标。选择什么样的优化目标，要根据不同的工业生产过程和生产决策调度的指令来决定。 作用是为先进控制层提供优化控制给定值。 功能是根据调度指令，实时生产过程信息和其他约束条件，如原材料供应、生产设备等，