过程控制 金以慧

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过程控制 主编金以慧 清华大学出版社 华电自动化复试考试科目
§9-1概述… q甲曾個·P 0 监督控制层的算法.114 §9-2分布式搓制系统约分析………·212 计调度层的算法r…225 、系统功能 .13附录 山山■!』↓晶巾d中hb44暴 、系统组态 1萨ppp 215第三篇小结 ■乱■■血■幽幽口■b山■ 231 同邮网络………2]6思考题与习题 231 、数据通伯 218考文献…………… §9-3分布式控制系统中的算法 220 第四篇典型装置的控制系统 第十章火力发电厂大型单元机组的 811-1精馏过程…22 自动控制 精馏原理42 §141大型单元机组的生产过程 连续增装置和流程 264 及其对控制的要求 234 销锥塔的基本型式 、单完机的出力控制……………………26 §:1-2稍馏塔的控制E标 二、锅炉燃烧过程的控制 质量指标 三、锕炉汽包水位的控制 产品产量和影量消耗 四、过热蒸汽的温度挖制……·227 §11-3影响精懈过程的因素………268 §10-2单元机组出力挠制系统………237 全塔物料俨蕉……………… 锅炉跟踪方…………………"!237 二、能量平術 B69 二、汽踪方式“"s4238 部物料平衡 三,忧炉抄调方式… 回、动态影响分桁…………………272 四、出力控制系统的实例……………259 艮:1-4精馏塔质量指标的取 令10-3燃烧过程的控制系统……………241 灵敏板的温魔控制… 、汽压调节对象的动态特性 、涸兰控制“ 二、琺料量控制系统… ar243 双温差控删………………,274 送风控系统 246 :1-5精塔的基本控制方装“…275 四,负压控制呆统………… 24吕 按檜段指标控制 §10-4舾炉的给水挖制系………249 、按提馏段指际控制44:417 、给水调节对象的动态特性…,…,249 、按塔顶塔底两端质量指标控制 二,汽包水位的三冲量控制方案………251 §:1-6精馏塔的内回流控制和 ,三冲量控制系统的工租定…252 进*熟焓控制·……………279 四,汽包水倌的中纸制系ra2 内回沛控制……………*……"……z79 10-5燕汽温度控制统4M256 ,进料热焓控制……11111280 汽愠调节对象的动连特性 §I17精馏塔的节能控制……… 带有导前礅分信号的汽温制系统…器5 一产品质量指标的“卡边”榨制 双信号汽温调节器的整定“ 2B8 、采用前馈控制方案…… 汽温申级控制系统 rT『 、浮塔压控制方案…… 五、蒸汽温度控制实例 260结束语 284 思考题与习题 284 第十一章譬饲塔的自动控制 ……262套考文献 第五篇高等过程控制系统 第十二章推理控制 §12-]推理掉制系统的组成 287 问题的提出……… 287|第十四章自适应控制 二,推理控制系统的组成……………28 14-1概迷 司d■命pd 339 推庭控制器的设计 444}郾郾 dgu 具有被控对象数学模型在线识 §12-2模型误差对系统性能的影响…291 的白适应控制系统 ,扰动通道模型存在误差 …291 參考樸型自适应控制系 二,托制通道模型存在误差 §14-2月校正控制 341 三、推理-反娱控制系统 ■自山山血■ 闭环可辩识的茶件 §i2-3轎出可测条件下的摧理控制…294 自咬正调节-………-0-1343 、系统组成“……… 极点配置的自咬正调节器 35 、模型误羔对系统性能約影响 匹、广义最小方差控制策略一套校正 三、白适应推理控制-…4 296 控器 u·441u"354 四、预洲理控制……………… S14-3参考模型自适应控制系统 356 §124多变量推理控制 2 被控对象全部状态能直接获取的 、控制器的想范型结构 299 自通应控制系统…-…4 规范型控器的设计 301 、根据对素物入输出设计参考模型 驶阵的选择 306 自适应制系统 §125应用举例………………….07思考题与习题…… 、应用多例2 参亭文配 中4写早中年罗喜国目目366 、二次输出量的选择……”"309 、控制作用献限幅,..tt.30g 第十五章多变赣现代频域方法 4■【冒■ ■ 恩考与习駟 3]0 §15-1多变量系统的描述方法7……3 骗文献 310 §15-2稳定性定理… §15-3逆奈氏阵列法 第十三章预测独制 、对弟优势… 813-1概述 “■■■。■ ■●■·■●■■自d聊电●1 定性判据… 213-2预测控制的基本原理 运用INA方法的一些间题…… 内邵模型… §L5-4关于NA方法中闭环 参考轨远 特性的讨论 ■『■晶b山口■ 37 控制算法∵ a316 s155INA设计方法示所 §13-3预测控制方法的机理分析……319 §156特征轨迹法…… 、内模控结法64319 义奈氏稳定性判据M………………33 、状态空间表示法44 ■罪甲甲即p 二、联作用………… A134预测控制中的几个问题………326 近似可交换控制出…44 系统的定性和鲁性………………325 四,设计方法和举恻 356 非最小相位系统中的所测挫 323 §15-7其它设计方法 三、大迟延系统中的改测控制……331 并展开法… 813-5应用举例……………335 顺序回蔗法 思亭与习■ …"………33 §158小结… 考文献… 中聊■■自看卓■即●电电申口日目血 38思考题与习题… 参半文世 鲁日日日日曾一日自口 398 绪论 、生产过程自动化的发展概况和趋势 本世纪30年代以来,自动化被术获得惊人的成就,已在工业生产和科学发展中 起着关键的作用。当前,自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分。可以说, 如果不配置合适的自动控制系统,大型生产过程是根本无法运行的。实际上生产过程自 动化的程度已威为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。 回顾自动化技术发展的历史,可以看到它与生产过程本身的发展有着密切的联系,是 一个从简单形式到复杂形式,从局部自动化到全局自动化,从低级智能到高级智能的发展 过程。自动化在工业生产中的作用,大致经历了三个发展阶段。 50年代以前可以归结为自动化发展的第一阶段。在这时期中,理论基础是用专递 函数进行数学描述以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统基本方法的经典控制理论, 因而带有明显的依靠手工和经验进行分析和综合的色彩在没计过程中,般是将复杂的 生产过程人为地分解为若干个简单过程最终实现如图1所示的单输入单输出的控制系 统。其控制目标也就只能满足于保持生产的平稳和安全属于局部自动化的范畴。当时 也出现了一些如申级前馈补偿等十分有效的复杂系统,相应的控制仪表也从基地式发展 到单元组合式。但总的说来,动化水平还处于低级阶段 ⊥是 (;了5) F Cn〔: 图1简单控制系统方框图 图中,G(s)为调节器传递函数G()为执行器传递函数;G()为对象控制通道传递 函数G(s)为对象干扰通道传递函数:Gn(s)为检测变送器传递函数;r为设定值m为被 调量的测量信;y为被调量,又称输出量;为挺行器输出x为调节器输出;D为干扰e 为偏差,e=r 60年代的10年可以认为是工业自动化发展的第二个阶段。50年代末由于生产过 程迅速向着大型化连续化的方向发展,工业过程的非线性藕合性和时变性等特点十分 突出,原有的简单控制系统已经不能满足要求自动控制面临着工业生产的严重挑故。幸 运的是,为造应空间探索的需要而发展起来 扰动 的现代控制理论已丝产生并已在某些尖端 探制 删出鸢 我术领域取得惊人的成就。它以状态空间分 生产过机 析方法为基础,内容包括了以最小二乘法为 基础的系统辨识,以极大值原理和动态规划 为主要力法的最优控制和以卡尔曼滤波理论 操作台 为核心的最估计等三部分。值得注意的是 枚 现代控制理论在综合和分析系统时,已经从 数计算 数出 外部现象深入到揭示系统内在的规律性,从 局部控制进入到在一定意义下的全局最优, 而且在结构上已从单环扩展到适应环,学习 环等。可以说现代控制理论是人们对控制技 i拧计算机 术在认识上的一次质的飞跃,为实现高水平 的自动化奠定了理论基础。与此同旷,电子数 字计算机的发展与普及为现代控制理论的应 DLIO 用开辟了道路,为实现工业自动化提供了十 二上分重要的技术手段,在60年代中期,已出现 单元 单N 了如图2所示的用计算机代梦模拟调节器的 直接数字挖做 Direct Digital Cont) 和由计算机确定模拟调节器或TnC回路最 优设定值的监督控制( Supervisory Compu ter Control,SCC),并有一些成力的报导 图2电子计算机控制系统 60年代切,国外曾试图用一台计算机顶替全 (a)直技数字控制系统r(b)计算机监控系统 部模拟仪表实现“全盘计算机控制”。在我 国,也曾在发电厂和炼油厂进行了计算机控制的实验研究。当时由于电子计算机不但体积 大价格昂贵,而且在可常性和功能方面还存在不少问题,计算机制始终停留在试验阶 段。此外,现代控制理论与工程实际之间还有很人的差距这主要是由于生产过程机聖复 杂,建模困难性能指标不易确定,控樹策略十分缺乏等等,使得现代控割理沦一时还难 以应用于生产过程。尽管如此在这一阶段中,无论在现代控特理论的移植应用还是在计 算礼引入工业过程方面,都有了良好的开端和尝试 0年代工业自动化的发表现出两个明显的特点,它们王是进入第三个阶段的标 志。就第一个特息来说70年代初已开始出现了适合工业直动化的控制计算机商品化系 列。由于大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世,使计算机的功能丰富多彩可靠 性大为提高,而价格却大幅度下降。尤其是工业用控制机,在采用了冗众技术,软硬件的自 诊断功能等措施后,其可靠性已提高到基本上能够满足工业控制要求的程度值得指出的 是,从70年代中期开始针对工业生产规模大、过程参数和控制回路多的特点,为了满足 工业用计算机应具有高度可靠性和灵活性的要求,出现了一种分布式控制系统Dis tributed Control Systems,DCS),又称集散系统,刘图3所示。它是集计算机技术、控制技 术、通讯技术和图形显示等技术于一体的计算机系统,一经问世,就受到二业界的青睐。目 前世界上己有6余家公司先后推出各自开发的系统。我国有的单位也在研制自己的集 散系统。这种系统在结构上的分散,即将计算机分布到车间或装置一级,不仅使系统危险 分散,消除∫全局性的故障节点增加∫系统的可靠性,而且可以灵活方便地实现各种新 型控制规律和算法,便于系统的分批调试和投运。显然,这种分布式系统的出现,为实现高 水平的自动化提供「强有力的技术工具给生产过释自动化的发展带来深远的影响可以 说从70年代开始,工业生产自动化己进入计算机时代 振作员变贤控制台 过程计算机 数据通谙 其它系統 1控制单元控制单元多路采集器 可编怪逻 轩控制器 图3分布式计算机系统 第二个特点是控制理论与其它学科相互交叉,互相渗透向着纵深方向发展,从而开 始形成了所谓的第三代控制理论即大系统理论和智能控制理论。众所周知,一类复杂的 工业过程如反应过程炼过程和生化过程等,本身机理十分复杂,还没有被入们充分认 识,而且这类过程往往还受到众多随机因素的干扰和影响因而难以建立精确的数学模 型以满足闭环最优控制的要求。同吋,这类过程的控制策略也有待进一步研究。且前已 有的策略或是过于复杂难以实行在线控制或者过于粗糙,不能满足高水平的控制要求 解决这类问题的重要途径之一就是将人工智能、控制理论和运筹学三者相结合的智能控 制。这一方面已受到国内外控制界的极大重视并已有在化工冶金和水泥工业中成功应 用的报导2-41在我国,已出现了利用知识和推理的实时专家系统进行诊断预报和控制 的实例。另外,70年代以来,由于世界范围内出现的能源危机和市场剧烈竞争,工业生产 规模更趋庞大,如每个电站的功率已经从20万kW发展到6万、109万kW,石化工业中 年产30万吨级甚至更大的乙烯、合成氨等工厂也大批建成设备的更新换代较大地提高 了生产率但要进一步提高产量降低成本,节约原材料和减少能源消耗并非易事,必须在 分散控制的基础上,从全局最优的观点出发对整个大系统迸行综合协调。国内外已在造 纸,冶金和石化系统中开展了这些方画的科研工作可以说工业生产实际提出的以优质、 高产、低消耗为目标的控制要求,从客观上促进了第三代控制理论的形成和发展。尽管到 目前为止·它还处在发展和完善过中但已受到极大的量视和关注,取得很大的进展。与 此问时,在现代控制理论中,诸如非线性系统分布参数系统随机控制以及容错控制等 等也在理论上和实践中得到了发。总之,在这个阶段中,业自动化止在发生着巨大的 变革,它已突破了局部控制的模式进入我全局控制,既包含了若千子系统的闭环控制,又 有大系统协调控制、最优控制以及决策管理,即人们杯之为控制管理一体化的新模式。它 的出现将使工业自动化系统在大量获取生产过程和市场信息的基础上科学地安排、调度 生产,充分发择设备的生产能力,最终达到优质高产低消耗的控制目标。 从工业自动化发展的进程,可以得到如下结论 (1)工业自动化的发展与工业生产过程本身时发展有着极为密切的联系。工业生产 本身的发展,诸如工艺流程的变革,设备的更新换代,生产规模的不断扩大等促进了自动 化的进程,而工业自动化在控制理论和技术工具方面的新成就又保证了现代工业生产在 安全平稳的前提下进行“卡边”运行,充分发挥设备的潜力提高生产率,获取最大限度的 经济利社会效益 2)工业自动化已进入计算机时代,进入所谓的计算机集成过程系统 Computer In tegrated Production Systems, CIPS)的时代-。可是,当前面对琳琅满目的计算机系 统,尽管巳有许多现成的先进控制理论,却缺乏行之有效的控制方法去满足工业生产不断 提出的高要求,因此加强控制理论与生产实际密切结合注意引入智能控制、专家系统 还步形成不同形式的既简单又实用的控制结构和算法,是控制理论工程化的任务,是今后 过程控制的主要研究内容。 二、过程控制的任务和要求 工业自动化涉及的范围极广,过程控制是其中最重要的一个分支。它主要针对所谓六 大参数即温度压力、流量、液位(或物位),款分和物性等参数的控制问题它能看盖许多 工业部门,诸如石油化工、电力、冶金轻工、纺织等等因而过程控制在国民经济中占专 极其重要的地位 工业生产对过程控制的要求是多方面的,最终可以归纳为三项要求,即安全性、经济 性和稳定性。安全性是指在整个生产过程中确保入身和设备的安全这是最重要的也是 最基本的要求。通常是采用参数越限报警事故报警和联锁保护笭措施加以保证。现在, 由于工业企业高度连续化和大型化的特点提出了在线放障预测和诊断,设计容错控制系 统等来进一步提高运行的安全性。这里还应特别指出,随着环境污染日趋严重生态平衡 遭到破坏现代企业必须把符合国家鄙定的环境保护法视为生产安全性的武要组成部分。 经济性,旨在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少,也就是要求生产成本 低而效率高,近若干年来随着市场竞争加剧和世界能源的贤乏,经济性已受到过去从未 有过的重视。生产过程局部或整体最优化问题已经提上议事日程成为极需解决的迫切任 务最后一项稳定性的要求恳指系统具有抑止外部干扰保持生产过程长期稳定运行的能 力众所周知工业生产环境不是固定不变的,创如原材料成分改变或供应量不同,反应器 中催化剂活性的衰减换热器传热面沾污还有市场销售量的起落等等都是客观存在的, 它们会或多或少地影响稳定生产。当然,对简单控制系统稳定性的判断方法巳很成熟,但 对大型、复杂大系统稳定性的分析就因难得多。随着工业生户的发喂为了满足上述三项 4 要求,在理论上和实践上都还有许多课题有待研究。 过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上 根据上述三项要求,应用殚论对控制系统进行分析和综合,最后米用适宜的技术手段加以 实现。值得指出的是,为适应当前生产对控制的要求愈来意高的趋势,必须充分注意现代 控制技术在过程中的应用,其中过程模型化的研究起着举足轻重的作用因为现代控制技 术的应用在很大程度上取快于对过程静态和动态特性认认的深度因此可以说,过程控 是控制理论,工艺知识,计算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。文 献[9提出,在研究探索的实践中,可能形成一门更适合工业过程控制特点的新的控制理 论,从而使过程控制迅速提高到一个新的水平,这不是没有道理的。 过程控制的任务是由控制系统的设计和实 现来完成的。现在以个再沸油训热炉的控制 炯气 引区机 实例来加以说明。图4所示加热炉的设计和实 现有如下步骤: ⊥.确定控制目标对给定的被控过程, R 油 可以根据具体脩况提出各种不同的控制目标。 以加热炉为例,可以有以下几个不同的目标: 〔)在安全运行条件下,保证热油出口温 热油出 度稳定 2)在安全运行条件下保证热油出口温 火嘴 TRO 度和烟气含氧量稳定; 3〕在安全运行条件下保证热油出口温 度稳定,而且加热炉热效率最高。 SEPIC 显然,为实现不同的控制目标就应有不同 燃油 的控制方案 图4加热炉控制流程图 2选择测量参数(被调量)无论采用什 么控制方案,都需要通过某些参数的测量米控制和监祝整个生产过程。例如在加热炉中 热油出口温度烟气含氧量燃料油压力炉膛负压等等这些参数就是图1中所示的参数 y在确定了需要检测的参数后,就应选择合适的测量元件和变送器。应该注意,有些参数 可能因某些原因不能直接测量则应通过测量与之成一定线性关系的另一参数(又称为间 楼参数)来获取或者利用参数估计的方法来得到有些控制目标只能通过计算得到,比如 加热炉中的热效率就是排烟温度烟气中含氧量和一氧化碳含量的函数,必须分别测量这 些参数并进行综合计算才能得到。蒸镏塔中回流比也属于这一类参数。 3.操作量的选择即指图1中操作量/的选择。一般情况下操作量都是工艺规定 的,在控制系统设计中没有多大选择余地。但是在有多个操作量和被调量的情况下,用哪 个捶作量去控制哪个被调量还是要认真加以选择的例如在耦合多变量系统中,必须就操 作量和被调量如何配对同题作出决择在上述加热炉控制中,以燃油量作为操作量来控 热油出囗温度用烟道挡板改变烟气流量来保证烟气中含氧量这些是由工艺规定的。但 是如果除了烟道挡板外设备中还装有炉膛入口处的送风挡板,那末用哪个挡板来调节 5 烟气含氧量还有选择余地。 4.挫制方案的确定这与剖目标有密切的关系。如果釆用第一个控制目标,只要 对炉子进行人工调整使之不冒黑烟,不熄火,保证一定的安全性和经济性,然后采用热油 出口温度简单制系统的方案(郎SIs系统)就可以满足要求。对干第二个目标,只要再 邡一个姻气含氧量简单控制系统,用两个单回路来完成控制任务。如果生产对被调盘控制 的精度要求高例如温度变化不超过士2℃,含氧量变化维持在士0.5%以内,那就应进→ 步分析过程的特点由于这两个单回路之间存在着耦合因素,只用两个单输入单输出系统 的控制方案已不能满足要求而要把加热炉看作一个多输人多输出的系统(即MIMO泵 统),采用不同方法获取对象的数学模型再来进一步设计对于第三个控制目标,除了分别 对温度和含氧盘采用定值控制外含氧量设定值的确定还应以保证加热炉热效率最高为 准。这就需要建立燃烧过程数学模型,使之在不同工况下,均能依靠调整含氧量设定值保 持加热炉热效率最高。 可以看到,控制策略是随控制目标和控制精度要求而不同的,它是整个设计过程中的 关键步聚 5.选择控制算法控制方案决定了控制算法。在很多情况下,只需采用商品化的常 规调节器进行P控制即可达到目的。对于篙要应用高等过程控制算法的情况,如内模 控制、推理控制、预测控制、解耦控制以炇最优控制等等,它们都涉及到较多的计算,只能 借助于计算机才能实现。控制方案和控制策略构成了本书最核心的内容 6.执行器的选择在确定了控制方案和控制算法以后,就要选择执行器。目前可供 选择的商品化执行器只有调节阁。好在它能满足大多数控制系统的要求。因此,只要根据 操作量的工艺条件和对调节阀流量待性的要求来选择合适的调节阀就可以了。可是这 步骤往往被忽枧,不是调节阀的规格选得过大或过小,就是流量特性不匹配,以致使控制 系统不能达到预期的性能指标有的甚至会使系统根本无法运行,因此,应该引起充分重 枧 7.设计报警和联锁保护系統对于关键参数,应根据工艺要求规定其高低报警值 当参数超过报警值时应立即进行越限报警。例如加热炉热油出口温度的设定值为 300℃,工艺要求其高低限分别为305℃和295℃。批警系统的作用在于及时提醒操作人 员密切注意监视生产状况,以便采取措施减少事故的发生联锁保护系统是指当生产出现 严重事故时,为保证设备,人身的安全,使各个设备按一定次序紧急停止运转的系统例如 加热炉运行中出现严重事故必须紧急停止运行时,联锁保护系统将立即先停燃油泵然后 关掉燃油阀,经过一定时间后停止引风机最后再切断热油阔这一套联锁程序将避免事 放发生。因为在忙乱中操作人员可能错误地先关热油悯以致烧坏热油管,或者先停引风 机而使炉内积暴大量燃油气以致使再次点炉时出现燥炸事故损坏炉体。这些对生产 过程而设计的报警和联锁保护系统是保证生产安全性的重要措施。 8控制系统的调试和投运控制系统安装完毕后,应随着牛产过程进行试运行按 控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况,包括调节器参数的整定等依次将全 部控制系统投入运行。 以上只是简单地描述了自动控制系统从设计到实现的全过程由此可以看到,对一个

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qq_27477933 谢谢,可以使用!!!
2019-01-12
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unregisered 非常经典的资料,感谢分享!
2017-11-20
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wangcloud1997 非常好的过程控制的学习书籍,很经典的教材,谢谢分享
2015-10-08
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maansheng 非常好的一本过控制书籍
2015-07-28
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billion10e 很不错的一本教材 全面
2015-06-20
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