過(guò)程控制-第一章

1、主編 倪志蓮 龔素文 機(jī)械工業(yè)出版社 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表2 第一章 過(guò)程控制系統(tǒng) 了解過(guò)控系統(tǒng)的組成、分類(lèi)和品質(zhì)指標(biāo)。 能簡(jiǎn)單使用MATLAB軟件。 了解本課程定位及學(xué)習(xí)方法。 3 了解過(guò)程控制技術(shù)的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)概念。1 2 4 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表3 1.1 1.1 引言引言 v所謂所謂自動(dòng)控制自動(dòng)控制，是指在，是指在沒(méi)有人直接參與沒(méi)有人直接參與的情況下，的情況下， 利用外加設(shè)備或控制裝置利用外加設(shè)備或控制裝置使生產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象使生產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象 中的某一物理量或多個(gè)中的某一物理量或多個(gè)物理量自動(dòng)地物理量自動(dòng)地按照期望的按照期望的 規(guī)律去規(guī)律去運(yùn)行或變化運(yùn)行或變化。

2、 v所謂所謂過(guò)程控制過(guò)程控制，是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)， 采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，等自動(dòng)化工具， 應(yīng)用控制理論應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，實(shí)實(shí) 現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表4 1.1 1.1 引言引言 v自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展階段自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展階段 n1）20世紀(jì)50年代，單輸入單輸出的單回路定值控制系 統(tǒng)，多采用基地式儀表、氣動(dòng)組合儀表和氣動(dòng)儀表控 制器來(lái)完成簡(jiǎn)單控制。 n2）20世紀(jì)60年代，集中控制及直接數(shù)字控制。電動(dòng)儀 表開(kāi)始使用，并

3、逐步取代氣動(dòng)儀表，單元組合式儀表 和組裝式儀表。 n3）20世紀(jì)70年代，集散控制系統(tǒng)（DCS）。先進(jìn)控制 技術(shù)、數(shù)字化儀表、計(jì)算機(jī)，特別是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的 進(jìn)一步發(fā)展，體現(xiàn)“分散控制，集中管理”的理念。 n4）近30多年來(lái)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、各種集散控制系統(tǒng) （DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）不斷涌現(xiàn)，人 工智能技術(shù)如專(zhuān)家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、 遺傳算法等也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表5 1.2 1.2 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念 v開(kāi)環(huán)控制：不設(shè)反饋環(huán)節(jié)開(kāi)環(huán)控制：不設(shè)反饋環(huán)節(jié) v閉環(huán)控制：設(shè)有反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制：設(shè)有反饋環(huán)節(jié) 開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 過(guò)程控制

4、與自動(dòng)化儀表6 1.2 1.2 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念 v1.2.1 1.2.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) n開(kāi)環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式。它的特點(diǎn)是，僅僅 有從輸入到輸出的前向通路，而沒(méi)有從輸出到輸入的有從輸入到輸出的前向通路，而沒(méi)有從輸出到輸入的 反饋通路。反饋通路。 n缺點(diǎn)：控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度，因此 對(duì)元器件的要求比較高。由于輸出量不能反饋回來(lái)影 響控制部分，所以輸出量受擾動(dòng)信號(hào)的影響比較大受擾動(dòng)信號(hào)的影響比較大， 系統(tǒng)抗干擾能力差。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表7 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制 v當(dāng)調(diào)節(jié)電位器的滑臂位置時(shí)，可以改變功率放大

5、當(dāng)調(diào)節(jié)電位器的滑臂位置時(shí)，可以改變功率放大 器的輸入電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最器的輸入電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最 終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表8 1.2 1.2 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念 v1.2.2 1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) n不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路，還有一條 從輸出端到輸入端的反饋通路反饋通路。 n輸出量通過(guò)一個(gè)測(cè)量變送元件反饋到輸入端，與輸入 量比較后得到偏差信號(hào)來(lái)作為控制器的輸入，反饋的 作用是減小偏差，以達(dá)到滿意的控制效果。 n閉環(huán)控制又稱(chēng)為反饋控制反饋控制。 n如果輸入量和反饋量相減則稱(chēng)為負(fù)反饋輸入

6、量和反饋量相減則稱(chēng)為負(fù)反饋；反之，若二 者相加，則稱(chēng)為正反饋相加，則稱(chēng)為正反饋?？刂葡到y(tǒng)中一般采用負(fù)反饋 方式。輸入量與反饋量之差稱(chēng)為偏差信號(hào)。 n系統(tǒng)的輸出量能夠自動(dòng)地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差， 提高控制精度，抑制擾動(dòng)信號(hào)的影響。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表9 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 v在原來(lái)開(kāi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由測(cè)速發(fā)在原來(lái)開(kāi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由測(cè)速發(fā) 電機(jī)構(gòu)成的反饋回路，該回路檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)速的變電機(jī)構(gòu)成的反饋回路，該回路檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)速的變 化并作反饋?；⒆鞣答仭?過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表10 1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 v貯槽液位控制貯槽液位控制 人工控制人工控制 自動(dòng)控制自動(dòng)控制

7、過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表11 1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 v過(guò)程控制系統(tǒng)一般由過(guò)程控制系統(tǒng)一般由自動(dòng)化裝置自動(dòng)化裝置及及生產(chǎn)裝置生產(chǎn)裝置兩部?jī)刹?分組成。分組成。 n1）被控對(duì)象又稱(chēng)被控過(guò)程，是需要控制其工藝變量的生 產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。 n2）變送器將被控制的物理量檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成工業(yè)儀表 間的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)信號(hào)。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表12 1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 v過(guò)程控制系統(tǒng)一般由過(guò)程控制系統(tǒng)一般由自動(dòng)化裝置自動(dòng)化裝置及及生產(chǎn)裝置生產(chǎn)裝置兩部?jī)刹?分組成。分組成。 n3）控制器又稱(chēng)為調(diào)節(jié)器。其作用是根據(jù)反饋量與輸入量 比較得出的偏差，按一定的規(guī)律運(yùn)算后對(duì)執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控 制信號(hào)或指令的裝置。 n4）

8、執(zhí)行器其作用是依據(jù)控制器發(fā)出的控制信號(hào)或指令， 改變操縱變量，從而對(duì)被控對(duì)象產(chǎn)生直接的控制作用。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表13 1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 v系統(tǒng)的各種作用量系統(tǒng)的各種作用量 n1）被控變量是表征生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程運(yùn)行狀況，需 要加以控制的變量，也是過(guò)程控制系統(tǒng)的輸出量。 n2）設(shè)定值又稱(chēng)給定值，是工藝要求被控變量需要 達(dá)到的目標(biāo)值，也是過(guò)程控制系統(tǒng)的輸入量。 n3）測(cè)量值是檢測(cè)元件與變送器的輸出信號(hào)值，也 稱(chēng)反饋量。 n4）擾動(dòng)量又稱(chēng)干擾或“噪聲”，通常是指引起被 控變量發(fā)生變化的各種因素。 n5）操縱變量受執(zhí)行器操縱，具體實(shí)現(xiàn)控制作用的 變量稱(chēng)為操縱變量。 n6）偏差通常把設(shè)定值與

9、測(cè)量值之差稱(chēng)作偏差。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表14 1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)和品質(zhì)指標(biāo) v1.4.1 1.4.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi) n1定值控制系統(tǒng) n在生產(chǎn)過(guò)程中，如果要求控制系統(tǒng)使被控變量保持在一個(gè)生產(chǎn) 指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求工藝參數(shù)的設(shè)定值不變，這類(lèi)控制系 統(tǒng)稱(chēng)為定值控制系統(tǒng)。 n2隨動(dòng)控制系統(tǒng) n設(shè)定值是一個(gè)未知變化量的控制系統(tǒng)稱(chēng)為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，隨動(dòng) 控制系統(tǒng)的目的是使被控變量準(zhǔn)確快速地跟隨著設(shè)定值的變化 而變化。這類(lèi)控制系統(tǒng)又稱(chēng)為自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。 n3程序控制系統(tǒng) n也稱(chēng)順序控制系統(tǒng)。這類(lèi)控制系統(tǒng)的設(shè)定值是時(shí)間的已知函數(shù)， 即設(shè)定值按一定的時(shí)間順序變化。 過(guò)程控制與自

10、動(dòng)化儀表15 1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)和品質(zhì)指標(biāo) v1.4.2 1.4.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 n穩(wěn)態(tài)：各個(gè)信號(hào)保持不變，被控變量不隨時(shí)間變化而 變化的平衡狀態(tài)。 n動(dòng)態(tài)：生產(chǎn)過(guò)程受到擾動(dòng)時(shí)，被控變量隨時(shí)間變化而 變化的不平衡狀態(tài)。 過(guò)程控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀 態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表16 1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)和品質(zhì)指標(biāo) v1.4.2 1.4.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 過(guò)渡過(guò)程的基本形式過(guò)渡過(guò)程的基本形式 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表17 1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)和品質(zhì)指標(biāo) v1.4.3 1

11、.4.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) 評(píng)價(jià)指標(biāo)可概括為“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快” u平穩(wěn)：“穩(wěn)”即系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，這也是最重要、最基本的需 求。 u準(zhǔn)確：“準(zhǔn)”是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制的精確程度，通常用 穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。 u迅速：“快”是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 靜態(tài)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo) 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表18 1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)和品質(zhì)指標(biāo) v1.4.3 1.4.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) （1）余差C （2）衰減比n （3）最大偏差A(yù)或超調(diào)量 （4）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)整 時(shí)間）ts （5）

12、峰值時(shí)間tp （6）振蕩周期T 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表19 1.5 1.5 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求 v1.5.1 1.5.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn) n1）系統(tǒng)由被控對(duì)象與系列化生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表組成。 n2）被控對(duì)象復(fù)雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)。 n3）控制方案豐富多彩，控制要求越來(lái)越高。 n4）控制過(guò)程大多屬于慢變過(guò)程與參量控制。 n5）定值控制系統(tǒng)是過(guò)程控制系統(tǒng)的主要形式。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表20 1.5 1.5 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求 v1.5.2 1.5.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的要求過(guò)程控制系統(tǒng)的要求 n（1）安全性 整個(gè)生

13、產(chǎn)過(guò)程中，人身安全和設(shè)備安全 是控制系統(tǒng)中最重要和最基本的要求。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò) 程中，通常采用越限報(bào)警、事故報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)等措 施來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。 n（2）穩(wěn)定性 工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中存在各種各樣的干擾以 及生產(chǎn)原料的變化和波動(dòng)，如何有效地抑制或減小系 統(tǒng)外部干擾，保持生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計(jì)過(guò)程 控制系統(tǒng)的又一要求。 n（3）經(jīng)濟(jì)性 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇和世界能源及原材料 的匱乏，在滿足安全性和穩(wěn)定性的前提下，要求控制 系統(tǒng)低成本、高效益。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表21 1.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件 vMATLAB是是Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的（矩陣實(shí)驗(yàn)室）

14、的 英文縮寫(xiě)。它是由美國(guó)英文縮寫(xiě)。它是由美國(guó)Math Works公司于公司于1982 年推出的一個(gè)軟件包。它從數(shù)值與矩陣運(yùn)算開(kāi)始，年推出的一個(gè)軟件包。它從數(shù)值與矩陣運(yùn)算開(kāi)始， 經(jīng)過(guò)不斷更新與擴(kuò)充，已成為一個(gè)功能強(qiáng)、效率經(jīng)過(guò)不斷更新與擴(kuò)充，已成為一個(gè)功能強(qiáng)、效率 高、有著完善的數(shù)值分析、強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、復(fù)高、有著完善的數(shù)值分析、強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、復(fù) 雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟 件包；它有著一個(gè)方便實(shí)用、界面友好的、開(kāi)放件包；它有著一個(gè)方便實(shí)用、界面友好的、開(kāi)放 的用戶環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行科學(xué)分析和工程的用戶環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行科學(xué)分析和

15、工程 計(jì)算。計(jì)算。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表22 1.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件 v1.6.1 MATLAB1.6.1 MATLAB界面簡(jiǎn)介界面簡(jiǎn)介 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表23 1.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件 v命令窗口常用控制命令命令窗口常用控制命令 命令涵義命令涵義 cd設(shè)置當(dāng)前工作目錄edit打開(kāi)M文件編輯器 clf清除圖形窗exit關(guān)閉/退出MATLAB clc清除命令窗口的顯示內(nèi)容mkdir創(chuàng)建目錄 clear 清除MATLAB工作空間保 存的變量 quit關(guān)閉/退出MATLAB dir 列出指定目錄下的文件和子 目錄清單 type顯示指定M文件的內(nèi)容

16、過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表24 1.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件 v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作 n1數(shù)值的表示 nMATLAB的數(shù)值采用十進(jìn)制，可以帶小數(shù)點(diǎn)或負(fù)號(hào)。 n2變量命名規(guī)定 n1）變量名、函數(shù)名：字母大小寫(xiě)表示不同的變量名。 n2）變量名的第一個(gè)字母必須是英文字母，最多可包含31個(gè)字 符。 n3）變量名不得包含空格、標(biāo)點(diǎn)，但可以有下連字符。 0 -100 0.008 12.752 1.8e-6 8.2e52舉例 舉例 A和a表示不同的變量名 A21是合法的變量名，而3A21是不合法的變量名。 “A_b21”是合法

17、變量名，而“A，21”是不合法的。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表25 1.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件 v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作 n3基本運(yùn)算符 數(shù)學(xué)表達(dá)式MATLAB運(yùn)算符MATLAB表達(dá)式 加a+b+a+b 減abab 乘ab*a*b 除ab/或a/b或ab 冪abab 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表26 1.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件 v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作 n4表達(dá)式 nMATLAB 書(shū)寫(xiě)表達(dá)式的規(guī)則與“手寫(xiě)算式”幾乎完全 相同。 n1）

18、表達(dá)式由變量名、運(yùn)算符和函數(shù)名組成。 n2）表達(dá)式將按相同的優(yōu)先級(jí)從左向右執(zhí)行運(yùn)算。 n3）優(yōu)先級(jí)規(guī)定為：指數(shù)運(yùn)算級(jí)別最高，乘除運(yùn)算次之，加減 運(yùn)算級(jí)別最低。 n4）括號(hào)可以改變運(yùn)算的次序。 2 5)37(418 舉例舉例 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表27 1.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件 v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作 n6繪制二維圖形 n（1）在二維圖形繪制中，最基本的指令是plot（ ）函數(shù)。 如果用戶將x和y軸的兩組數(shù)據(jù)分別在向量x和y中存儲(chǔ)，且它們 的長(zhǎng)度相同，則調(diào)用該函數(shù)的格式為 plot(x,y) n（2）在圖形上加注網(wǎng)格線、圖形標(biāo)題、x軸與y軸標(biāo)記 繪制多條曲線時(shí)，plot（ ）的格式為 plot(x1,y1,x2,y2) grid(加網(wǎng)格線)； title(加圖形標(biāo)題)； xlabel(加x軸標(biāo)記)；y1abel(加y軸標(biāo)記)。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表28 舉例 輸入以下命令輸入以下命令 t=0:0.1:4 t=0:0.1:4* *pipi plot(t,sin(t