购买

¥ 25.0

加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 计算机控制系统第1章绪论

计算机控制系统第1章绪论.ppt

计算机控制系统第1章绪论

教育文库
2018-11-04 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《计算机控制系统第1章绪论ppt》,可适用于IT/计算机领域

计算机控制系统第章绪论*计算机控制系统是当前自动控制系统的主流方向。计算机控制系统是利用计算机的硬件和软件代替了自动控制系统的控制器以自动控制技术、计算机技术、检测技术、计算机通信与网络技术为基础利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力使得计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。如今计算机控制系统已经广泛地用于工业、国防和民用的各个领域。*图发酵过程控制点示意图实例*、首先介绍发酵工艺并结合工艺说明需要控制哪些被控变量?(分钟)(放一下图片)生物发酵是食品、制药工业的关键生产工序之一。在发酵过程中发酵条件是影响过程代谢变化的主要因素。因此保证发酵在最佳的条件下进行是实施自动化控制的根本目的。综合来说在发酵条件方面应有以下一些工艺要求:()温度微生物生长、维持及产物的生物合成都是在一系列酶的催化作用下完成的温度是保证酶活性的重要条件。因此发酵必须在一个严格的温度条件下进行工艺上应有用于温度调节的设备并配合自动化控制系统完成温度的控制。()压力为了使发酵物不被细菌感染需要对通入的压缩气体进行过滤消毒并保证发酵罐内呈现正压以免外部未经处理的空气进入。()pH值pH能影响酶促反应、代谢途径的变化及细胞的结构和功能还会影响化合物的离解程度。因此工艺必须保证能对发酵罐的pH值进行调整。()溶解氧在发酵的过程当中为获得大量的能量来满足菌体的生长、繁殖以及产物的合成往往需要消耗大量的氧溶解氧的浓度影响到微生物的呼吸并最终影响到代谢。因此工艺上往往使用调节通风量和搅拌电机转速的方法来对溶解氧进行调整。、然后让学生看懂上述控制流程图(分钟)、介绍控制点的选择和控制变量的选择方法(分钟)()温度控制温度是影响生化反应过程的一个重要变量因为不仅微生物菌体本身对温度十分敏感而且涉及菌体生长和产物合成的酶都必须在一定温度下才能具有高的活性因此生化反应过程的温度控制是很重要的。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度变化以及周围环境温度的改变。对于微生物发酵来说最佳发酵温度的选择必须考虑到上述影响的各个方面既要有利于提高生物合成反应的速度又要顾及生物合成反应的持续性同时还要兼顾其他环境条件的影响如:当发酵罐的搅拌强度低时可以适当降低发酵温度以增加氧的溶解度及减少空气的消耗。发酵罐温度控制采用了单回路PID控制器由温度测量元件控制器调节阀和被控过程生化反应器四部分组成。生化发酵罐通常采用冷却水的方式带走生化反应热小型发酵罐通常采用夹套式冷却形式大型的生化反应器通常采用在反应器内装盘管冷却器形式后者冷却效果更好但是要占用生化反应器的有效反应体积。如果冷却水温度干扰比较明显也可以测量冷却水温度将此信号直接前馈到冷却水调节阀上从而补偿冷却水温度干扰对发酵罐温度控制的影响即前馈补偿控制与发酵罐温度反馈控制共同组成前馈反馈控制系统。()压力控制发酵罐操作压力的变化将会引起氧在发酵液中的分压改变也就是说影响着溶解氧浓度的变化。影响发酵罐的压力主要是供给的消毒空气的压力变化通常控制发酵罐的压力是通过调节排出气体的量来控制一般也用单回路控制方法。()PH控制pH是发酵过程中必须控制的重要变量之一。补氨是微生物发酵过程中常用的一种调节pH的方法。但补氨只有在pH较低、氨氮也偏低的时候进行如果pH偏高而氨氮偏低可以补入硫酸铵或者氯化铵。pH和氨氮都偏高则应补糖(特别是葡萄糖)。只有当pH偏低而氨氮偏高的情况下才考虑补碱予以调节。无论采用什么方法调节pH工艺要求应平稳进行不能大起大落以致破坏微生物赖以生长和代谢的稳定环境因此在pH值控制中必须严格控制好氨水的加入量绝对不能过量。pH控制系统由pH测量电极和变送器、pH控制器(pHC)、空气开关和气动开关阀组成。为了防止调节阀门的泄漏采用了气动开关阀由电磁空气开关进行调节。控制器根据pH偏差信号计算开关阀门的开关周期和开与关的时间长短来控制输入氨水的量。控制开关周期通常设定为一分钟开关时间则由偏差信号进行PID运算。()溶解氧控制对于耗氧的微生物发酵来说溶氧浓度是一个十分重要的控制变量。溶解氧控制可通过控制发酵罐压力或空气流量的方法来进行控制由于压力控制系统与空气流量控制系统互相有影响即有耦合作用而发酵压力通常需保持恒定因为提高发酵压力使得发酵中的二氧化碳的溶解度也增加这不仅会改变发酵液的pH值而且也会影响氧的溶解度因此常用调节空气流量的方法来控制溶解氧。、介绍为解决控制问题需要哪些手段及其解决方法(传感、变送、控制器、执行器)以及相关设备的选型原则(分钟)结合下图中各控制点量程进行相关设备选型。()温度探头及变送器由于发酵温度一般控制在~℃之间对于某一特定的发酵过程其温度控制可能要求波动在某特定温度设定值上下的℃甚至℃的范围内因此对温度探头的精度提出了很高的要求在发酵过程当中常用的温度探头为A级铠装PT热电阻或一体化温度变送器接线盒采用防溅式或防水式。尽量选择热响应时间小的探头这对提高温度控制质量有相当的作用。()微差压变送器由于罐内只要保持一定的正压及能达到工艺要求过大的正压不利于生产的节能降耗因此选择~kPa的微差压变送器即可原理上可以是电容式也可以是谐振式还可选择空气压力开关。()pH值探头及变送器pH值测量要注意pH探头的高温特性因为在发酵批次之间有一个高温消毒过程此时罐内温度高达℃甚至更高为避免高温对pH值探头的损坏可考虑如下措施:一是对高温消毒蒸汽的温度进行控制限制其温度在不超过℃(或更低)的范围内选择高温型的pH值探头另一种是使用一种专用的带驱动装置的护套在进行高温消毒前自动将pH值探头由罐内抽出返回护套消毒过后再自动将pH值探头重新插入发酵罐内。()溶解氧探头及变送器溶解氧探头的选择需考虑其高温性能。溶解氧探头有直接接触式和膜式两种一般说来发酵上使用膜式溶解氧探头居多。()执行器在发酵自动化控制的过程当中对执行器的选择有着严格的要求。在pH值调节上需要选择工作可靠的隔膜开关阀它有两个优点:一是关断可靠二是阀内不会有残留液。另外阀的口径选择要合适不能太大否则进行pH调整时容易过调。在温度和压力调节方面执行器没有特殊的要求。温度调节常采用直行程单座调节阀压力调节采用碟阀。()控制器的选择参见下个PPT控制系统结构。、引出节通过本发酵工艺的控制结构引出计算机控制系统的典型形式生物发酵是食品、制药工业的关键生产工序之一。在发酵过程中发酵条件是影响过程代谢变化的主要因素。因此保证发酵在最佳的条件下进行是实施自动化控制的根本目的。综合来说在发酵条件方面应有以下一些工艺要求:()温度()压力()pH值()溶解氧图发酵过程控制点示意图实例()温度控制温度是影响生化反应过程的一个重要变量因为不仅微生物菌体本身对温度十分敏感而且涉及菌体生长和产物合成的酶都必须在一定温度下才能具有高的活性因此生化反应过程的温度控制是很重要的。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度变化以及周围环境温度的改变。发酵罐温度控制采用了单回路PID控制器由温度测量元件控制器调节阀和被控过程生化反应器四部分组成。生化发酵罐通常采用冷却水的方式带走生化反应热小型发酵罐通常采用夹套式冷却形式大型的生化反应器通常采用在反应器内装盘管冷却器形式后者冷却效果更好但是要占用生化反应器的有效反应体积。如果冷却水温度干扰比较明显也可以测量冷却水温度将此信号直接前馈到冷却水调节阀上从而补偿冷却水温度干扰对发酵罐温度控制的影响即前馈补偿控制与发酵罐温度反馈控制共同组成前馈反馈控制系统。()压力控制发酵罐操作压力的变化将会引起氧在发酵液中的分压改变也就是说影响着溶解氧浓度的变化。影响发酵罐的压力主要是供给的消毒空气的压力变化通常控制发酵罐的压力是通过调节排出气体的量来控制一般也用单回路控制方法。()pH控制pH是发酵过程中必须控制的重要变量之一。补氨是微生物发酵过程中常用的一种调节pH的方法。但补氨只有在pH较低、氨氮也偏低的时候进行如果pH偏高而氨氮偏低可以补入硫酸铵或者氯化铵。pH和氨氮都偏高则应补糖(特别是葡萄糖)。只有当pH偏低而氨氮偏高的情况下才考虑补碱予以调节。无论采用什么方法调节pH工艺要求应平稳进行不能大起大落以致破坏微生物赖以生长和代谢的稳定环境因此在pH值控制中必须严格控制好氨水的加入量绝对不能过量。pH控制系统由pH测量电极和变送器、pH控制器(pHC)、空气开关和气动开关阀组成。为了防止调节阀门的泄漏采用了气动开关阀由电磁空气开关进行调节。控制器根据pH偏差信号计算开关阀门的开关周期和开与关的时间长短来控制输入氨水的量。控制开关周期通常设定为一分钟开关时间则由偏差信号进行PID运算。()溶解氧控制对于耗氧的微生物发酵来说溶氧浓度是一个十分重要的控制变量。溶解氧控制可通过控制发酵罐压力或空气流量的方法来进行控制由于压力控制系统与空气流量控制系统互相有影响即有耦合作用而发酵压力通常需保持恒定因为提高发酵压力使得发酵中的二氧化碳的溶解度也增加这不仅会改变发酵液的pH值而且也会影响氧的溶解度因此常用调节空气流量的方法来控制溶解氧。()温度探头及变送器由于发酵温度一般控制在~℃之间对于某一特定的发酵过程其温度控制可能要求波动在某特定温度设定值上下的℃甚至℃的范围内因此对温度探头的精度提出了很高的要求在发酵过程当中常用的温度探头为A级铠装PT热电阻或一体化温度变送器接线盒采用防溅式或防水式。尽量选择热响应时间小的探头这对提高温度控制质量有相当的作用。()微差压变送器由于罐内只要保持一定的正压及能达到工艺要求过大的正压不利于生产的节能降耗因此选择~kPa的微差压变送器即可原理上可以是电容式也可以是谐振式还可选择空气压力开关。()pH值探头及变送器pH值测量要注意pH探头的高温特性因为在发酵批次之间有一个高温消毒过程此时罐内温度高达℃甚至更高为避免高温对pH值探头的损坏可考虑如下措施:一是对高温消毒蒸汽的温度进行控制限制其温度在不超过℃(或更低)的范围内选择高温型的pH值探头另一种是使用一种专用的带驱动装置的护套在进行高温消毒前自动将pH值探头由罐内抽出返回护套消毒过后再自动将pH值探头重新插入发酵罐内。()溶解氧探头及变送器溶解氧探头的选择需考虑其高温性能。溶解氧探头有直接接触式和膜式两种一般说来发酵上使用膜式溶解氧探头居多。()执行器在发酵自动化控制的过程当中对执行器的选择有着严格的要求。在pH值调节上需要选择工作可靠的隔膜开关阀它有两个优点:一是关断可靠二是阀内不会有残留液。另外阀的口径选择要合适不能太大否则进行pH调整时容易过调。在温度和压力调节方面执行器没有特殊的要求。温度调节常采用直行程单座调节阀压力调节采用碟阀。表监控点情况一览表描述范围说明描述范围说明发酵罐内的温度Pt~C回水温度Pt~C发酵罐内的PH值~mA~进水温度Pt~C发酵罐内的溶氧~mA~发酵罐内压力~KPa发酵罐的空气流量~KPa~mmin冷水控制阀DO输出电磁阀电机转速~mA蒸汽控制阀DO输出电磁阀空气流量控制阀AO输出电动阀氨流量控制阀DO输出空气开关排出气体流量控制阀AO输出电动阀变频调速器AO输出电动阀*图基于IPC的计算机测控系统示意图计算机控制系统概述计算机控制系统一般概念*、强调这是典型计算机控制系统结构。提醒学生可能具备的其他方式扩展学生思维。如前馈。(分钟)让学生了解前馈和反馈结构。让学生了解信号的几种形式模入、模出、数字量输入、数字量输出。、结合前面实例让学生描述各环节的作用以及还需要扩展哪些模块。(如第二章要描述的信号调理、仪表放大、采样保持、功率放大等环节)(分钟)信号调理:通过放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波将传感器输出的电信号尽可能不失真地转变为标准的电流或电压信号(通常为~mA、~V等)。仪表放大:经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低经电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行AD转换。为此测量电路中常设有模拟放大环节(一般为线性放大环节)。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器构成具有各种特性的放大器来完成。多路转换开关:在计算机测控系统中被控量与被测量的回路往往是几路或几十路此时往往采用公共的AD、DA转换电路利用多路转换开关轮流切换各被控或被测回路与AD、DA转换电路间的通路以达到分时复用的目的。可编程增益放大器:在计算机测控系统中模拟量输入通道的变化范围会随被测量所处的环境和时间的变化而变化因此希望能自动改变放大器的增益使信号通过放大器后具有合适的动态范围即实现自动量程切换以便于AD转换或信号调理。此外在多路数据采集系统中也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况这时希望放大器对不同的通路具有不同的增益以实现相同的动态输出。这些场合都需要使用可编程增益放大器。采样保持:将离散采样信号恢复为被控对象能够感知的连续模拟信号。AD转换:AD转换器是模拟量输入通道的核心部件它将模拟量转换成数字量实现采样和量化。DA转换:DA转换器将数字量转换成模拟量是模拟量输出通道的重要组成部分。()实时数据处理:对来自测量变送装置的被控量数据的瞬时值进行巡回采集、分析处理、性能计算以及显示、记录、制表等()实时监督决策:对系统中的各种数据进行越限报警、事故预报与处理根据需要进行设备自动启停对整个系统进行诊断与管理等()实时控制及输出:根据被控生产过程的特点和控制要求选择合适的控制规律包括复杂的先进控制策略然后按照给定的控制策略和实时的生产情况实现在线、实时控制。主要功能*、然后引出学生思考一个计算机控制系统的硬件和软件应该具有哪些环节(分钟)计算机控制系统的组成.计算机控制系统硬件*、总结前面学生的回答得出计算机控制系统的硬件组成(分钟)()系统软件()应用软件.计算机控制系统软件*、在讲课时详细描述一下系统软件和应用软件的功能和组成。典型的过程计算机控制系统的软件可以分为系统软件和应用软件两大部分。这里的系统软件指的是计算机控制系统应用软件开发平台和操作平台而应用软件又可按软件用途划分为监控平台软件、基本控制软件、先进控制软件、约束控制软件、操作优化软件、最优调度软件和企业计划决策软件等。应用软件功能实时数据采集控制输出逻辑控制报警监视画面显示和报表输出可靠性功能管理功能通信功能流程画面制作功能计算机控制系统的典型结构.操作指导控制系统*、首先让学生描述计算机控制会存在哪些功能需求采集、监测、控制(工段级的几个回路和车间级和工厂级的超大回路)、信息集成等。(分钟)、然后结合这些需求引出学生考虑如何进行控制系统结构的设计。、针对操作指导的需求考虑操作指导控制系统的结构。(分钟)以及在这个结构中人的作用。操作指导控制系统是开环系统。过程参数经测量变送器、过程输入通道,定时地被送入计算机,由计算机对来自现场的数据进行分析和处理后,根据一定的控制规律或管理方法进行计算,然后通过CRT或打印机输出操作指导信息。优点是可以用于试验新方案、新系统。如在实施计算机闭环控制之前先进行这种开环控制的试运行,可以考核计算机工作的正误还可以用于试验新的数学模型和调试新的控制程序。其缺点是仍需要人工操作,速度受到限制,不能同时控制多个回路。、那么脱离了人的控制后完全由计算机控制的直接数字控制的结构又应该如何?(分钟)请学生回答.直接数字控制系统*、总结前面的内容。(分钟)计算机不仅完全取代模拟调节器直接参与闭环控制,而且只要通过改变程序即可实现一些较复杂的控制规律它还可以与计算机监督控制系统结合起来构成分级控制系统,实现最优控制同时也可作为计算机生产集成控制系统的最底层直接过程控制层,与过程监控层、生产调度层、企业管理层、经营决策层等一起实现工厂(企业)综合自动化。计算机直接数字控制是计算机控制系统的一种最典型的形式,在工业生产过程中得到了非常广泛的应用。.计算机监督控制系统*、针对实际状况调节器存在模拟调节器或DDC控制器的情况引出计算机监督控制系统将控制和设定值指导分成两个层次。(分钟)根据原始的生产工艺数据和现场采集到的生产工况信息,一方面按照描述被控过程的数字模型和某种最优目标函数,计算出被控过程的最优给定值,输出给下一级DDC系统或模拟调节器(已越来越少)另一方面对生产状况进行分析作出故障的诊断一预报。所以SCC系统并不直接控制执行机构,而是给出下一级的最优给定值,由它们去控制执行机构。当下一级采用DDC系统时,其计算机(称为下位机)完成前面所述的直接数字控制功能。SCC用计算机(称为上位机)则着重于满足某个最优性能指标(包括控制规律和在线优化条件等)的修正与实现,它可以看成是操作指导与DDC系统的综合与发展。、描述这种分层的好处和原因。(分钟)优点:在计算时可以考虑许多常规调节器不能考虑的因素,如环境温度和湿度对生产过程的影响可以进行过程操作的在线优化始终如一地使生产过程在最优状态下运行可以实现先进复杂的控制规律满足产品的高质量控制要求可以进行故障的诊断与预报可靠性好。、告诉学生如果出现大回路时如何解决?引出集散控制系统(分钟)集散控制系统*、描述集散控制系统这种结构的好处及各层次的功能。(分钟)详细功能放在第八章来讲述。()优点DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。DCS由若干台微机分别承担任务,从而代替了集中控制的方式,将危险性分散。并且DCS是积木式结构,构成灵活,易于扩展系统的可靠性高采用CRT显示技术和智能操作台,操作、监视方便采用数据通信技术,处理信息量大与计算机集中控制方式相比电缆和敷缆成本较低,便于施工。()各层功能<>DCS的直接控制层直接控制层又称为现场控制层是DCS的基础其主要设备是控制站CSCS主要由输入输出单元IOU、控制单元CU、电源单元PU组成。输入输出单元直接与生产过程的传感器、变送器和执行器连接其功能是采集过程变量和状态变量并进行数据处理向现场的执行器传送模拟量操作信号~mA(DC)和数字量操作信号。控制单元通过IO总线与IO单元连接实现直接数字控制即连续控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等并通过网络连接操作站工程师站实现对生产过程的监视和操作同时进行冗余处理一旦发现DCS故障就立即切换到备用设备保证系统连续安全运行。<>DCS的操作监控层操作监控层主要设备是操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关。操作员站为位或位微处理器或小型机并配置彩色CRT、操作员专用键盘和打印机等外部设备供工艺操作员对生产过程进行监视、操作和管理具有友好的人机界面。工程师站为位或位微处理机或由操作员站兼用供计算机工程师对DCS进行系统生成和诊断维护。监控计算机站为位或位小型机用来建立生产过程的数学模型实施先进过程控制策略实现装置级的优化控制和协调控制并对生产过程进行故障诊断、预报和分析保证生产安全。计算机网关CGI用于连接生产管理网络MNET。<>DCS的生产管理层生产管理层的主要设备是生产管理计算机(ManufactureManagementComputer,MMC)一般由一台中型机和若干台微型机组成。该层处于工厂级根据订货量、库存量、生产能力、生产原料和能源供应情况及时制定全厂的生产计划分解落实到生产车间并根据生产状况及时协调全厂的生产进行生产调度和科学管理。<>DCS的决策管理层决策管理层的主要设备是决策管理计算机一般由一台大型机、几台中型机和若干台微型机组成。该层处于公司级通过收集各个部门的信息进行综合分析实时做出决策协助各级管理人员指挥调度使公司各个部门的工作处于最佳运行状态。、指出集散控制系统可能存在的问题以及为什么需要现场总线控制系统。(分钟)(内容参见下一个幻灯片)其测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表的与现场总线及智能仪表的数字信号传送相比其抗干扰能力与传输精度都大为逊色。各DCS开发生产企业制造的DCS使用专用平台使得不同厂商之间的产品互不兼容互操作性差。传统DCS在控制规律和控制算法方面相对于常规仪表并没有重大突破所提供的编程计算工具功能仍显简单难以实现复杂的控制规律使得许多先进的控制算法无法在DCS上直接实现基于常规控制规律的DCS的控制品质难以满足生产的控制需求。集散型控制系统存在的问题现场总线控制系统*、描述为什么需要现场总线控制系统采用了不同于DCS的“工作站─现场总线智能仪表”的结构模式降低了系统总成本提高了可靠性且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构。)虽然DCS系统功能强大但由于分散过程级仍使用传统的模拟量(~mA电流或~V电压)传送抗干扰能力差)所有的变送器均要将信号集中到控制器或控制站当控制采样点较多时接线工作量很大而且不利于检修和调试)DCS系统采用三层结构系统成本较高且各厂商的DCS有各自的标准不能互联。、现场总线控制系统的特点)一对通信线可连接多台仪表安装调试方便而且电缆本身供电)从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统可靠性高)现场设备的高度智能化现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。)各仪表、功能模块可以分散安装统一组态功能模块的参数也可以通过软件进行调整)对环境的高度适应性现场总线是专为工业现场设计的它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据具有很强的抗干扰能力。)互换性很强同一标准的仪表均可以在系统中实现“即接即用”)很强的扩展性)传输速度高可达MbPs)传输距离长可达几公里)节点数多可达几万个、然后指出这些还没有涉及到信息全厂的集成还只是在控制层面的应用没有涉及到市场需求、库存变化、生产信息调度和经营决策等层面让学生考虑如果作为一个大型企业的领导在进行生产决策时需要考虑的因素引出CIMS系统。(分钟)系统的开放性互可操作性与互换性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性工业过程计算机集成制造系统*、结合该图介绍CIMS的结构和功能(分钟)除了常见的过程直接控制、先进控制与过程优化功能之外,还具有生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售、运输等非传统控制的诸多功能。因此,计算机集成制造系统所要解决的不再是局部最优问题,而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优,也即企业综合自动化问题。最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、对环境污染最小等指标,它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求,是工业过程自动化及计算机控制系统发展的一个方向。计算机控制系统性能及其指标计算机控制系统性能指标计算机控制系统的性能分析和要求与连续控制系统相似可用系统的稳定性、能控性、能观性、动态特性及稳态特性(精度)来表征衡量系统优劣的指标通常用稳定裕量、动态指标、稳态指标和综合指标等。*自学控制对象对控制性能的影响*自学计算机控制系统的发展概况与趋势计算机控制系统的发展概况*自学计算机控制系统的发展趋势先进计算机控制系统得到大力推广与普及智能控制系统得到深入研究与开发大力加强企业综合自动化系统的研究、开发与应用*自学***、首先介绍发酵工艺并结合工艺说明需要控制哪些被控变量?(分钟)(放一下图片)生物发酵是食品、制药工业的关键生产工序之一。在发酵过程中发酵条件是影响过程代谢变化的主要因素。因此保证发酵在最佳的条件下进行是实施自动化控制的根本目的。综合来说在发酵条件方面应有以下一些工艺要求:()温度微生物生长、维持及产物的生物合成都是在一系列酶的催化作用下完成的温度是保证酶活性的重要条件。因此发酵必须在一个严格的温度条件下进行工艺上应有用于温度调节的设备并配合自动化控制系统完成温度的控制。()压力为了使发酵物不被细菌感染需要对通入的压缩气体进行过滤消毒并保证发酵罐内呈现正压以免外部未经处理的空气进入。()pH值pH能影响酶促反应、代谢途径的变化及细胞的结构和功能还会影响化合物的离解程度。因此工艺必须保证能对发酵罐的pH值进行调整。()溶解氧在发酵的过程当中为获得大量的能量来满足菌体的生长、繁殖以及产物的合成往往需要消耗大量的氧溶解氧的浓度影响到微生物的呼吸并最终影响到代谢。因此工艺上往往使用调节通风量和搅拌电机转速的方法来对溶解氧进行调整。、然后让学生看懂上述控制流程图(分钟)、介绍控制点的选择和控制变量的选择方法(分钟)()温度控制温度是影响生化反应过程的一个重要变量因为不仅微生物菌体本身对温度十分敏感而且涉及菌体生长和产物合成的酶都必须在一定温度下才能具有高的活性因此生化反应过程的温度控制是很重要的。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度变化以及周围环境温度的改变。对于微生物发酵来说最佳发酵温度的选择必须考虑到上述影响的各个方面既要有利于提高生物合成反应的速度又要顾及生物合成反应的持续性同时还要兼顾其他环境条件的影响如:当发酵罐的搅拌强度低时可以适当降低发酵温度以增加氧的溶解度及减少空气的消耗。发酵罐温度控制采用了单回路PID控制器由温度测量元件控制器调节阀和被控过程生化反应器四部分组成。生化发酵罐通常采用冷却水的方式带走生化反应热小型发酵罐通常采用夹套式冷却形式大型的生化反应器通常采用在反应器内装盘管冷却器形式后者冷却效果更好但是要占用生化反应器的有效反应体积。如果冷却水温度干扰比较明显也可以测量冷却水温度将此信号直接前馈到冷却水调节阀上从而补偿冷却水温度干扰对发酵罐温度控制的影响即前馈补偿控制与发酵罐温度反馈控制共同组成前馈反馈控制系统。()压力控制发酵罐操作压力的变化将会引起氧在发酵液中的分压改变也就是说影响着溶解氧浓度的变化。影响发酵罐的压力主要是供给的消毒空气的压力变化通常控制发酵罐的压力是通过调节排出气体的量来控制一般也用单回路控制方法。()PH控制pH是发酵过程中必须控制的重要变量之一。补氨是微生物发酵过程中常用的一种调节pH的方法。但补氨只有在pH较低、氨氮也偏低的时候进行如果pH偏高而氨氮偏低可以补入硫酸铵或者氯化铵。pH和氨氮都偏高则应补糖(特别是葡萄糖)。只有当pH偏低而氨氮偏高的情况下才考虑补碱予以调节。无论采用什么方法调节pH工艺要求应平稳进行不能大起大落以致破坏微生物赖以生长和代谢的稳定环境因此在pH值控制中必须严格控制好氨水的加入量绝对不能过量。pH控制系统由pH测量电极和变送器、pH控制器(pHC)、空气开关和气动开关阀组成。为了防止调节阀门的泄漏采用了气动开关阀由电磁空气开关进行调节。控制器根据pH偏差信号计算开关阀门的开关周期和开与关的时间长短来控制输入氨水的量。控制开关周期通常设定为一分钟开关时间则由偏差信号进行PID运算。()溶解氧控制对于耗氧的微生物发酵来说溶氧浓度是一个十分重要的控制变量。溶解氧控制可通过控制发酵罐压力或空气流量的方法来进行控制由于压力控制系统与空气流量控制系统互相有影响即有耦合作用而发酵压力通常需保持恒定因为提高发酵压力使得发酵中的二氧化碳的溶解度也增加这不仅会改变发酵液的pH值而且也会影响氧的溶解度因此常用调节空气流量的方法来控制溶解氧。、介绍为解决控制问题需要哪些手段及其解决方法(传感、变送、控制器、执行器)以及相关设备的选型原则(分钟)结合下图中各控制点量程进行相关设备选型。()温度探头及变送器由于发酵温度一般控制在~℃之间对于某一特定的发酵过程其温度控制可能要求波动在某特定温度设定值上下的℃甚至℃的范围内因此对温度探头的精度提出了很高的要求在发酵过程当中常用的温度探头为A级铠装PT热电阻或一体化温度变送器接线盒采用防溅式或防水式。尽量选择热响应时间小的探头这对提高温度控制质量有相当的作用。()微差压变送器由于罐内只要保持一定的正压及能达到工艺要求过大的正压不利于生产的节能降耗因此选择~kPa的微差压变送器即可原理上可以是电容式也可以是谐振式还可选择空气压力开关。()pH值探头及变送器pH值测量要注意pH探头的高温特性因为在发酵批次之间有一个高温消毒过程此时罐内温度高达℃甚至更高为避免高温对pH值探头的损坏可考虑如下措施:一是对高温消毒蒸汽的温度进行控制限制其温度在不超过℃(或更低)的范围内选择高温型的pH值探头另一种是使用一种专用的带驱动装置的护套在进行高温消毒前自动将pH值探头由罐内抽出返回护套消毒过后再自动将pH值探头重新插入发酵罐内。()溶解氧探头及变送器溶解氧探头的选择需考虑其高温性能。溶解氧探头有直接接触式和膜式两种一般说来发酵上使用膜式溶解氧探头居多。()执行器在发酵自动化控制的过程当中对执行器的选择有着严格的要求。在pH值调节上需要选择工作可靠的隔膜开关阀它有两个优点:一是关断可靠二是阀内不会有残留液。另外阀的口径选择要合适不能太大否则进行pH调整时容易过调。在温度和压力调节方面执行器没有特殊的要求。温度调节常采用直行程单座调节阀压力调节采用碟阀。()控制器的选择参见下个PPT控制系统结构。、引出节通过本发酵工艺的控制结构引出计算机控制系统的典型形式**、强调这是典型计算机控制系统结构。提醒学生可能具备的其他方式扩展学生思维。如前馈。(分钟)让学生了解前馈和反馈结构。让学生了解信号的几种形式模入、模出、数字量输入、数字量输出。、结合前面实例让学生描述各环节的作用以及还需要扩展哪些模块。(如第二章要描述的信号调理、仪表放大、采样保持、功率放大等环节)(分钟)信号调理:通过放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波将传感器输出的电信号尽可能不失真地转变为标准的电流或电压信号(通常为~mA、~V等)。仪表放大:经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低经电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行AD转换。为此测量电路中常设有模拟放大环节(一般为线性放大环节)。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器构成具有各种特性的放大器来完成。多路转换开关:在计算机测控系统中被控量与被测量的回路往往是几路或几十路此时往往采用公共的AD、DA转换电路利用多路转换开关轮流切换各被控或被测回路与AD、DA转换电路间的通路以达到分时复用的目的。可编程增益放大器:在计算机测控系统中模拟量输入通道的变化范围会随被测量所处的环境和时间的变化而变化因此希望能自动改变放大器的增益使信号通过放大器后具有合适的动态范围即实现自动量程切换以便于AD转换或信号调理。此外在多路数据采集系统中也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况这时希望放大器对不同的通路具有不同的增益以实现相同的动态输出。这些场合都需要使用可编程增益放大器。采样保持:将离散采样信号恢复为被控对象能够感知的连续模拟信号。AD转换:AD转换器是模拟量输入通道的核心部件它将模拟量转换成数字量实现采样和量化。DA转换:DA转换器将数字量转换成模拟量是模拟量输出通道的重要组成部分。*、然后引出学生思考一个计算机控制系统的硬件和软件应该具有哪些环节(分钟)*、总结前面学生的回答得出计算机控制系统的硬件组成(分钟)*、在讲课时详细描述一下系统软件和应用软件的功能和组成。典型的过程计算机控制系统的软件可以分为系统软件和应用软件两大部分。这里的系统软件指的是计算机控制系统应用软件开发平台和操作平台而应用软件又可按软件用途划分为监控平台软件、基本控制软件、先进控制软件、约束控制软件、操作优化软件、最优调度软件和企业计划决策软件等。*、首先让学生描述计算机控制会存在哪些功能需求采集、监测、控制(工段级的几个回路和车间级和工厂级的超大回路)、信息集成等。(分钟)、然后结合这些需求引出学生考虑如何进行控制系统结构的设计。、针对操作指导的需求考虑操作指导控制系统的结构。(分钟)以及在这个结构中人的作用。操作指导控制系统是开环系统。过程参数经测量变送器、过程输入通道,定时地被送入计算机,由计算机对来自现场的数据进行分析和处理后,根据一定的控制规律或管理方法进行计算,然后通过CRT或打印机输出操作指导信息。优点是可以用于试验新方案、新系统。如在实施计算机闭环控制之前先进行这种开环控制的试运行,可以考核计算机工作的正误还可以用于试验新的数学模型和调试新的控制程序。其缺点是仍需要人工操作,速度受到限制,不能同时控制多个回路。、那么脱离了人的控制后完全由计算机控制的直接数字控制的结构又应该如何?(分钟)请学生回答*、总结前面的内容。(分钟)计算机不仅完全取代模拟调节器直接参与闭环控制,而且只要通过改变程序即可实现一些较复杂的控制规律它还可以与计算机监督控制系统结合起来构成分级控制系统,实现最优控制同时也可作为计算机生产集成控制系统的最底层直接过程控制层,与过程监控层、生产调度层、企业管理层、经营决策层等一起实现工厂(企业)综合自动化。计算机直接数字控制是计算机控制系统的一种最典型的形式,在工业生产过程中得到了非常广泛的应用。*、针对实际状况调节器存在模拟调节器或DDC控制器的情况引出计算机监督控制系统将控制和设定值指导分成两个层次。(分钟)根据原始的生产工艺数据和现场采集到的生产工况信息,一方面按照描述被控过程的数字模型和某种最优目标函数,计算出被控过程的最优给定值,输出给下一级DDC系统或模拟调节器(已越来越少)另一方面对生产状况进行分析作出故障的诊断一预报。所以SCC系统并不直接控制执行机构,而是给出下一级的最优给定值,由它们去控制执行机构。当下一级采用DDC系统时,其计算机(称为下位机)完成前面所述的直接数字控制功能。SCC用计算机(称为上位机)则着重于满足某个最优性能指标(包括控制规律和在线优化条件等)的修正与实现,它可以看成是操作指导与DDC系统的综合与发展。、描述这种分层的好处和原因。(分钟)优点:在计算时可以考虑许多常规调节器不能考虑的因素,如环境温度和湿度对生产过程的影响可以进行过程操作的在线优化始终如一地使生产过程在最优状态下运行可以实现先进复杂的控制规律满足产品的高质量控制要求可以进行故障的诊断与预报可靠性好。、告诉学生如果出现大回路时如何解决?引出集散控制系统(分钟)*、描述集散控制系统这种结构的好处及各层次的功能。(分钟)详细功能放在第八章来讲述。()优点DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。DCS由若干台微机分别承担任务,从而代替了集中控制的方式,将危险性分散。并且DCS是积木式结构,构成灵活,易于扩展系统的可靠性高采用CRT显示技术和智能操作台,操作、监视方便采用数据通信技术,处理信息量大与计算机集中控制方式相比电缆和敷缆成本较低,便于施工。()各层功能<>DCS的直接控制层直接控制层又称为现场控制层是DCS的基础其主要设备是控制站CSCS主要由输入输出单元IOU、控制单元CU、电源单元PU组成。输入输出单元直接与生产过程的传感器、变送器和执行器连接其功能是采集过程变量和状态变量并进行数据处理向现场的执行器传送模拟量操作信号~mA(DC)和数字量操作信号。控制单元通过IO总线与IO单元连接实现直接数字控制即连续控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等并通过网络连接操作站工程师站实现对生产过程的监视和操作同时进行冗余处理一旦发现DCS故障就立即切换到备用设备保证系统连续安全运行。<>DCS的操作监控层操作监控层主要设备是操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关。操作员站为位或位微处理器或小型机并配置彩色CRT、操作员专用键盘和打印机等外部设备供工艺操作员对生产过程进行监视、操作和管理具有友好的人机界面。工程师站为位或位微处理机或由操作员站兼用供计算机工程师对DCS进行系统生成和诊断维护。监控计算机站为位或位小型机用来建立生产过程的数学模型实施先进过程控制策略实现装置级的优化控制和协调控制并对生产过程进行故障诊断、预报和分析保证生产安全。计算机网关CGI用于连接生产管理网络MNET。<>DCS的生产管理层生产管理层的主要设备是生产管理计算机(ManufactureManagementComputer,MMC)一般由一台中型机和若干台微型机组成。该层处于工厂级根据订货量、库存量、生产能力、生产原料和能源供应情况及时制定全厂的生产计划分解落实到生产车间并根据生产状况及时协调全厂的生产进行生产调度和科学管理。<>DCS的决策管理层决策管理层的主要设备是决策管理计算机一般由一台大型机、几台中型机和若干台微型机组成。该层处于公司级通过收集各个部门的信息进行综合分析实时做出决策协助各级管理人员指挥调度使公司各个部门的工作处于最佳运行状态。、指出集散控制系统可能存在的问题以及为什么需要现场总线控制系统。(分钟)(内容参见下一个幻灯片)*、描述为什么需要现场总线控制系统采用了不同于DCS的“工作站─现场总线智能仪表”的结构模式降低了系统总成本提高了可靠性且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构。)虽然DCS系统功能强大但由于分散过程级仍使用传统的模拟量(~mA电流或~V电压)传送抗干扰能力差)所有的变送器均要将信号集中到控制器或控制站当控制采样点较多时接线工作量很大而且不利于检修和调试)DCS系统采用三层结构系统成本较高且各厂商的DCS有各自的标准不能互联。、现场总线控制系统的特点)一对通信线可连接多台仪表安装调试方便而且电缆本身供电)从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统可靠性高)现场设备的高度智能化现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。)各仪表、功能模块可以分散安装统一组态功能模块的参数也可以通过软件进行调整)对环境的高度适应性现场总线是专为工业现场设计的它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据具有很强的抗干扰能力。)互换性很强同一标准的仪表均可以在系统中实现“即接即用”)很强的扩展性)传输速度高可达MbPs)传输距离长可达几公里)节点数多可达几万个、然后指出这些还没有涉及到信息全厂的集成还只是在控制层面的应用没有涉及到市场需求、库存变化、生产信息调度和经营决策等层面让学生考虑如果作为一个大型企业的领导在进行生产决策时需要考虑的因素引出CIMS系统。(分钟)*、结合该图介绍CIMS的结构和功能(分钟)除了常见的过程直接控制、先进控制与过程优化功能之外,还具有生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售、运输等非传统控制的诸多功能。因此,计算机集成制造系统所要解决的不再是局部最优问题,而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优,也即企业综合自动化问题。最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、对环境污染最小等指标,它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求,是工业过程自动化及计算机控制系统发展的一个方向。*自学*自学*自学*自学

VIP尊享8折文档

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/37

计算机控制系统第1章绪论

¥25.0

会员价¥20.0

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利