第1章-过程控制基础.pptx

过程装备控制技术第1章过程控制基础

配套资源窦东阳主编，过程控制技术，中国矿业大学出版社，2020（江苏省重点教材）

引言过程工业，也叫流程工业，是指石化、电力、冶金、造纸、化工、医药和食品等工业，其特点是连续性。过程装备控制是指在过程设备上，配上一些自动化装置或采用特定的自动控制系统来代替现场操作人员的部分或全部直接劳动，使设计、制造、装配、安装等过程在不同程度上自动地进行。这种利用自动化装置来管理生产过程的方法也叫生产过程自动化。

1.1过程装备控制的发展过程（1）20世纪40年代（2）20世纪40年代末～50年代过程控制系统自动化仪表控制理论手工操作状态只有少数的检测仪表用于生产过程用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程过程控制系统自动化仪表控制理论单输入、单输出简单控制系统基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型），部分实现了仪表化和局部自动化以反馈为中心的经典控制理论

1.1过程装备控制的发展过程（3）20世纪60年代（4）20世纪70～80年代过程控制系统自动化仪表控制理论复杂控制系统、直接数字控制系统和监督计算机控制系统单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）以状态空间法为基础的现代控制理论、多输入多输出系统理论过程控制系统自动化仪表控制理论最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制气动Ⅲ型、电动Ⅲ型和以微处理器为主要构成单元的智能控制装置大系统理论和智能控制理论

1.1过程装备控制的发展过程（5）20世纪90年代至今过程控制系统自动化仪表控制理论过程装备控制系统的管控一体化和综合自动化现场仪表走向数字化和智能化现场总线系统（FCS）；人工智能

1.2过程装备控制系统的分类（1）自动检测系统自动检测系统采用各种检测仪表，如热电偶、热电阻、压力传感器等，自动连续地对各种工艺变量，如温度、压力、流量等进行测量，并将测量结果用仪表指示并记录下来供操作人员观察、分析或将测量结果传送给控制系统，作为自动控制的输入。（2）信号联锁系统在生产过程中，由于各种因素影响会导致某些工艺变量超出允许的变化范围，使生产不能正常运行，严重时甚至会引起燃烧、爆炸等事故。为了确保安全生产，常对这些关键性变量设置信号报警或联锁保护装置。作用是在事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施。

1.2过程装备控制系统的分类（3）自动操纵系统这是一种根据预先规定的程序，自动地对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。例如，合成氨造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的，如自动进行吹风、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。（4）自动控制系统利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重要工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动重新回复到规定的范围之内，从而保证生产的正常进行。

1.3过程装备控制技术的研究内容1.3.1过程建模（1）机理建模根据过程本身的内在机理，利用能量平衡、物质平衡、反应动力学等规律建立系统的模型。（2）黑箱建模又称实验建模，根据被控过程的输入、输出数据建立数学模型，而不关心该过程的内部机理如何。黑箱建模的方法有最小二乘系统辨识、人工神经网络模型、支持向量机模型、模糊模型和专家系统模型等。

1.3过程装备控制技术的研究内容（3）集成模型建模集成模型建模是将机理建模方法与各种黑箱模型系统辨识方法取长补短有机地结合，产生出能够较准确地描述复杂过程的模型，是过程建模的又一研究方向。它有多种实现形式，如通过机理分析初步建立一个简化模型，再用输入输出数据通过智能算法优化该模型。又如通过机理分析指导智能模型，如神经网络结构的构造，再通过黑箱建模的机制训练该模型。

1.3过程装备控制技术的研究内容1.3.2控制策略和方法（1）PID控制算法大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大多数工业过程的被控过程可取得较好的控制效果。采用改进的PID算法或者将其与一些优化算法相结合组成所谓的自适应PID算法往往可以进一步提高控制质量、降低使用难度。（2）预测控制预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它高度结合了工业实际，综合控制质量比较高。

1.3过程装备控制技术的研究内容预测控制有三个要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。其机理表明它是一种开放式的控制策略，体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。（3）自适应控制在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适