过程动态与控制 如何实现并保持系统稳态？ To know something of everything before you know everything of something--- 稳态& 非稳态 “如果控制系统的设计人员只把注意力集中在仪表 和控制机构方面，忽略了过程装置是最基本的核 心问题，那就不能指望过程控制取得重大进展。 在过程控制问题上，关于过程行为的知识是第一 位的 ” ——Campbell （化工过程动态学之父） 掌握化工过程动态行为的规律，是正确、合理地 设计过程控制系统的基础和前提，也是专业技术 人员生产经验的主要载体。 过程动态学 在深入了解化工过程基础上建立过程的动态数学 模型，用经过实践检验证明可靠的动态模型来模拟、 分析和研究在外部干扰或干预作用下过程动态行为的 定量规律，为过程控制系统的设计提供基本依据。 过程动态学科发展 ?化工生产机械化~1930s ?化工过程连续操作1930~1950s ? Campbell <Process Dynamics> 1958 –在化工生产向自动化转变的初期，化学 工程师们认为解决控制问题不是自己的 事。当时的分工，化工过程自动控制的 任务，包括过程动态行为的研究，全部 由自控专业人员承担。 –然而，控制专家对化工过程的了解很难 达到建立动态模型所需要的深度和广度。 于是，化学工程师与控制专家之间的密 切合作就成为必不可少的了。这种合作 大致从50年代初开始，是化工过程控制 科学技术发展的一个里程碑。 2005 1998 化工过程控制系统 ?目的和基本要求 –抑制外部干扰的影响； –保证化工过程的稳定性； –优化技术经济指标。 ?控制系统基本概念 –过程变量 ?输入：控制或调节、干扰 ?输出：可测、不可测 –设计要素 ?确定控制目标 ?选择测量对象 ?选择控制变量和控制结构 ?确定控制规律 抑制外部干扰 前馈 & 反馈 过程稳定性 稳定过程具有自调节性质，不需要外部干预（控制） 不稳定过程需要外部干预（控制） 技术指标优化 控制结构和控制规律 ?反馈、前馈、推断 ?比例、积分、PID PID ?PID是比例,积分,微分的缩写 ?P调节就是调节器的输出和输入成比例。调比 例带，也就是调比例系数，比例带就是输出 与输入之比（放大倍数）的倒数。 ?I调节就是输出是输入量（即偏差）的积分， 只要有偏差，调节器就会不断积分，使输送 到执行器的信号变化，校正被控量，直到达 到无偏差为止，所以有了积分调节器就会消 除稳态偏差。但要注意单独的积分调节往往 是不能工作的。所谓整定积分时间就是调积 分的快慢，这要取决于对象的特性。 ?D调节就是微分调节，也就是输出对输入的微 分。微分调节的优点在于它的超前性，当输 入发生变化时，马上就有微分信号产生，使 被控量得以提前校正，然后再由P、I进行校 正，这样可以使整个调节的过渡过程时间缩 短，有利于调节质量的提高。 控制系统硬件 开环& 闭环控制 微机在化工应用 ?数据采集和处理 微机在化工应用 ?直接数字控制DDC 微机在化工应用 ?分散型综合控制系统（集散系统） –对复杂分散生产过程，各工序各设备 通常是同时并行、大体上独立工作， 整个生产过程中的各设备分布面又很 广； –过去为了使用计算机控制，总是把它 们连起来进行集中控制，增加了系统 的复杂性，降低了可靠性。 –分散型综合控制系统根据分级设计的 思想，实现功能上分离、位置上分散、 达到“以分散控制为主、集中管理为辅”。 分散型综合控制系统 仿真 (Simulation) ? 仿真是对代替真实物体或系统的模型进行实验 和研究的一门应用技术科学，按所用模型分为 物理仿真和数字仿真两类。 ? 物理仿真是以真实物体或系统，按一定比例或 规律进行微缩或扩大后的物理模型为实验对 象，如飞机研制过程中的风洞实验。 ? 数字仿真是以真实物体或系统规律为依据，建 立数学模型后，在仿真机上进行的研究。 –数学模型是能够数值化地描述真实物体或系统规律 的相似实时动态待性。由人工建立的数学计算方 法，常用的有代数方程法、微分方程法或状态方程 法等 –仿真机是以现代高速电子计算机为主，辅以网络和 多媒体等设备，由人工建造的模拟实际环境的硬件 系统，它是数学模型软件实时运行的硬件和软件环 境 –与物理仿真相比，数字仿真具有更大的灵活性，能 对截然不同的动态特性模型做实验研究，为真实物 体或系统的分析和设计提供了十分有效而且经济的 手段 ? 本课程所讲的 过程系统仿真 是指过程系统的数字仿 真，它要求描述过程系统动态特性的数学模型，能 在仿真机上再现该过程系统的实时特性，以达到在 该仿真系统上进行实验研究的目的。 ? 过程系统仿真由三个主要部分组成，即过程系统、 数学模型和仿真机。这三部分由建模和仿真两个关 系联系在一起。 一粒沙中看出整个世界 一朵花里看出一个天堂 把永恒定格在瞬间 把无限放在你的手掌 化工 & 仿真