過(guò)程控制—概述

1、課程名稱：過(guò)程控制（過(guò)程控制裝置及系統(tǒng)）教師情況主講教師：梁 川單位：振動(dòng)工程研究所手機(jī)號(hào)碼位所在地：校園東南角機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)五樓email:教材俞金壽 孫自強(qiáng)編著，過(guò)程自動(dòng)化及儀表（非自動(dòng)化專業(yè)適用），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.7教學(xué)安排學(xué)時(shí)：32授課：28實(shí)驗(yàn)：411-18周章節(jié)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容教學(xué)時(shí)數(shù)教學(xué)時(shí)數(shù)總學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí)理論課理論課實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)課1自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述222過(guò)程特性過(guò)程特性223檢測(cè)變送檢測(cè)變送224顯示儀表顯示儀表225執(zhí)行器執(zhí)行器226控制器控制器667簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)4228復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)4229先進(jìn)

2、控制技術(shù)先進(jìn)控制技術(shù)2210生產(chǎn)過(guò)程控制生產(chǎn)過(guò)程控制66合計(jì)合計(jì)32284關(guān)聯(lián)學(xué)科 1機(jī)械工程控制基礎(chǔ)2現(xiàn)代控制3矩陣論專業(yè)網(wǎng)站 1 中國(guó)工控網(wǎng) 2 中華工控網(wǎng) 3 中國(guó)工控信息網(wǎng) 4 中國(guó)電氣自動(dòng)化網(wǎng)www.ea- 5 自動(dòng)化網(wǎng) 方式:閉卷 時(shí)間:120分鐘 總分:100控制理論來(lái)源社會(huì)實(shí)踐科學(xué)實(shí)踐自動(dòng)化發(fā)展的兩個(gè)明顯特點(diǎn)1.任務(wù)的需要、理論的開(kāi)拓、技術(shù)手段的進(jìn)展，三者相互推動(dòng)，相互促進(jìn)2.自動(dòng)化技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，移植和借鑒起重要作用起源瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)調(diào)速器機(jī)械式自力控制手段電動(dòng)氣動(dòng)液動(dòng)控制理論的大發(fā)展二戰(zhàn)前后Nyquist-頻率域分析和穩(wěn)定性判據(jù)Bode- Bode圖Evans-根軌

3、跡分析方法古典控制理論傳遞函數(shù)、頻率域、SISO控制規(guī)律PID-Proportional-Integral-Differential (Controller) 比例、積分、微分(控制器)8090%控制規(guī)律PID-Proportional-Integral-Differential (Controller) 比例、積分、微分(控制器)8090%現(xiàn)代控制理論狀態(tài)空間方法：時(shí)域、最優(yōu)控制理論極小值原理動(dòng)態(tài)規(guī)劃Kalman濾波器的隨機(jī)干擾下的二次型LQR現(xiàn)代控制理論狀態(tài)空間方法：時(shí)域、最優(yōu)控制理論極小值原理動(dòng)態(tài)規(guī)劃Kalman濾波器的隨機(jī)干擾下的二次型LQR現(xiàn)代控制描述可控性可觀性實(shí)現(xiàn)理論典范式分解理

4、論大系統(tǒng)理論分解與協(xié)調(diào)多級(jí)遞階優(yōu)化與控制1 概述 自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)過(guò)程密切相關(guān)，自20世紀(jì)30年代以來(lái)，取得了極其顯著的進(jìn)展。過(guò)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要分支。20世紀(jì)上半葉誕生的三大學(xué)科：系統(tǒng)論控制論信息論 1.1過(guò)程控制的任務(wù)與目標(biāo) 本章首先簡(jiǎn)要地說(shuō)明過(guò)程控制的任務(wù)與控制目標(biāo)；接著介紹過(guò)程控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)組成、特點(diǎn)以及性能指標(biāo)；最后，介紹過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展里程。生產(chǎn)過(guò)程及其目標(biāo) 生產(chǎn)過(guò)程是指物料經(jīng)過(guò)若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過(guò)程。 生產(chǎn)過(guò)程的總目標(biāo)應(yīng)該是在可能獲得的原料和能源條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將原物料，加工成預(yù)期的合格產(chǎn)品。為了達(dá)到目標(biāo)，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視與控制。 生產(chǎn)過(guò)程

5、總目標(biāo)具體表現(xiàn)為生產(chǎn)過(guò)程的安全性，穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。工業(yè)過(guò)程及過(guò)程控制 工業(yè)過(guò)程可以分為連續(xù)過(guò)程工業(yè)、離散過(guò)程工業(yè)和間隙過(guò)程工業(yè)。 其中，連續(xù)過(guò)程工業(yè)所占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、電力、輕工、紡織、醫(yī)藥、建材、食品等。 過(guò)程控制主要是指連續(xù)過(guò)程工業(yè)的過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)組成 過(guò)程控制系統(tǒng)一般由以下幾部分組成： 被控過(guò)程（或?qū)ο螅?檢測(cè)與變送儀表 控制器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 報(bào)警、保護(hù)和連鎖等其他部件過(guò)程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖過(guò)程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明 控制器（或稱調(diào)節(jié)器）根據(jù)系統(tǒng)輸出量檢測(cè)值y(t)與設(shè)定值r的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量u，對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行控制。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）接受控制器

6、送來(lái)的控制信息調(diào)節(jié)被控量，從而達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。 過(guò)程的輸出信號(hào)通過(guò)過(guò)程檢測(cè)與變送儀表，反饋到控制器（或稱調(diào)節(jié)器）的輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。液位控制系統(tǒng)示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí)為使被控變量（液位）與設(shè)定值保持一致檢測(cè)被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對(duì)偏差運(yùn)算輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值l 變送器檢測(cè)液位l 控制器對(duì)偏差運(yùn)算l 執(zhí)行器改變操縱變量 壓力控制系統(tǒng)的示例u 當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí) 為使被控變量（壓力）與設(shè)定值保持一致 檢測(cè)被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差 按一定控制規(guī)律對(duì)偏差運(yùn)算 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)操縱變量（流量） 最終使被控變量回復(fù)到

7、設(shè)定值l 變送器檢測(cè)壓力l 控制器對(duì)偏差運(yùn)算l 執(zhí)行器改變操縱變量 過(guò)程工業(yè)的特點(diǎn) 由于過(guò)程控制主要是指連續(xù)過(guò)程工業(yè)的過(guò)程控制，故過(guò)程工業(yè)的特點(diǎn)主要指連續(xù)過(guò)程工業(yè)的特點(diǎn)。 過(guò)程工業(yè)伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞，是一個(gè)十分復(fù)雜的大系統(tǒng)，存在不確定性、時(shí)變性以及非線性等因素。 過(guò)程工業(yè)常常處于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，同時(shí)常常要求苛刻的生產(chǎn)條件，如高溫、高從、低溫、真空、易燃、易爆或有毒等。生產(chǎn)設(shè)備與人身的安全性特別重要。 連續(xù)生產(chǎn)的特征可知，過(guò)程工業(yè)更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和整體性。協(xié)調(diào)復(fù)雜的耦合與制約因素，求得全局優(yōu)化，也是十分重要的。因此，有必要采用智能控制方法和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。過(guò)程控制系

8、統(tǒng)的特點(diǎn) 被控過(guò)程的多樣性。 控制方案的多樣性。 被控過(guò)程屬慢過(guò)程且多屬參數(shù)控制。 定值控制是過(guò)程控制的主要形式。過(guò)程控制分類方法 按被控參數(shù)分類，可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、液位或物位控制系統(tǒng)、物性控制系統(tǒng)、成份控制系統(tǒng)； 按被控量數(shù)分類，可分為單變量過(guò)程控制系統(tǒng)、多變量過(guò)程控制系統(tǒng)； 按設(shè)定值分類，可分為定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)（伺服）控制系統(tǒng)； 按參數(shù)性質(zhì)分類，可分為集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)； 按控制算法分類，可分為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)或高級(jí)控制系統(tǒng)； 按控制器形式分類，可分為常規(guī)儀表過(guò)程控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)。過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 工業(yè)過(guò)程對(duì)

9、控制的要求可以概括為準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性。 定值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)（伺服）控制系統(tǒng)對(duì)控制的要求既有共同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。 定值控制系統(tǒng)在于恒定。即要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準(zhǔn)、快地保特接近或等于設(shè)定值。 隨動(dòng)（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是跟蹤，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快地跟蹤設(shè)定值。系統(tǒng)的性能指標(biāo) 時(shí)域性能指標(biāo) 頻域性能指標(biāo) 綜合性能指標(biāo)一、時(shí)域性能指標(biāo) 瞬態(tài)性能指標(biāo) 延遲時(shí)間td (time delay) 上升時(shí)間tr (rise time) 峰值時(shí)間tp (peak time) 超調(diào)量Mp延(Magnitude) 調(diào)整時(shí)間ts (set time) 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)誤差瞬態(tài)性能指標(biāo) rt或或pt評(píng)

10、價(jià)系統(tǒng)的響應(yīng)速度；評(píng)價(jià)系統(tǒng)的響應(yīng)速度；st同時(shí)反映響應(yīng)速度和阻尼程度的綜合性同時(shí)反映響應(yīng)速度和阻尼程度的綜合性指標(biāo)指標(biāo)，從整體上反映系統(tǒng)的快速性，從整體上反映系統(tǒng)的快速性。%評(píng)價(jià)系統(tǒng)的阻尼程度。評(píng)價(jià)系統(tǒng)的阻尼程度。穩(wěn)定性能指標(biāo)和抗干擾能力穩(wěn)定性能指標(biāo)和抗干擾能力。越小，越小，系統(tǒng)精度越高。系統(tǒng)精度越高。ess 衰減比是衡量振蕩過(guò)程衰減程度的指標(biāo)，等于兩個(gè)相鄰?fù)虿ǚ逯?，即：衰減比13yy衰減率 振蕩過(guò)程衰減程度的另一種指標(biāo)是衰減率，它是指每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期以后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。即： =(y1-y3)/y1最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量 最大動(dòng)態(tài)偏差是指在階躍響應(yīng)中，被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大偏差

11、值，一般表現(xiàn)在過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始的第一個(gè)波峰。 最大動(dòng)態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比稱為超調(diào)量。余差 余差是指過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)定值r的差值。它是過(guò)程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。ts調(diào)節(jié)時(shí)間 調(diào)節(jié)時(shí)間是從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)間。理論上它應(yīng)該為無(wú)限長(zhǎng)。但一般認(rèn)為當(dāng)被控量進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的2( 5%)范圍內(nèi)，就算過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，這時(shí)所需時(shí)間就是調(diào)節(jié)時(shí)間ts。調(diào)節(jié)時(shí)間是過(guò)程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。振蕩頻率 過(guò)渡過(guò)程的振蕩頻率是振蕩周期 p 的倒數(shù)，即： 在同樣的振蕩頻率下，衰減比越大則調(diào)節(jié)時(shí)間越短；當(dāng)衰減比相同時(shí)，則振蕩頻率越高，調(diào)節(jié)時(shí)間越短。因此，振蕩頻率在一定程度上也可作為衡量過(guò)

12、程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。二、頻域性能指標(biāo) 相位裕度 幅值裕度Kg 復(fù)現(xiàn)頻率m及復(fù)現(xiàn)帶寬0 m 諧振頻率r及諧振峰值0 r 截止頻率b及截止帶寬(簡(jiǎn)稱帶寬)0 b三、綜合性能指標(biāo)1.誤差積分指標(biāo)2.誤差平方指標(biāo)3.廣義誤差平方積分性能指標(biāo)1.誤差積分指標(biāo)0( )Ie t dt2.誤差平方指標(biāo)20( )Ie t dt3.廣義誤差平方積分性能指標(biāo)220( )( )Ie te tdt過(guò)程控制的進(jìn)展 手工 局部自動(dòng)化、儀表控制 大量單元組合儀表 分布式計(jì)算機(jī)控制和可編程控制 DCS FCS過(guò)程控制的進(jìn)展 在20世紀(jì)40年代以前，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作狀態(tài)。操作工人通過(guò)對(duì)火候冷熱、色澤、形狀等的觀察來(lái)調(diào)

13、整生產(chǎn)過(guò)程。 20世紀(jì)50年代前后，那企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表控制和局部自動(dòng)化。當(dāng)時(shí)，采用的是基地式儀表和部分組合儀表。 20世紀(jì)60年代，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，企業(yè)界開(kāi)始大量采用單元組合儀表（包括氣動(dòng)與電動(dòng)）以及組裝儀表以適應(yīng)比較復(fù)雜的模擬和邏輯規(guī)律相結(jié)合的控制系統(tǒng)的需要。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)開(kāi)始用于過(guò)程控制領(lǐng)域。 20世紀(jì)70年代中期，一些廠家推出了分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System,又稱集散系統(tǒng)）和可編程序控制器(PLC)，將工業(yè)自動(dòng)化向前推進(jìn)了大步。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，一方面分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)DCS成為流行的過(guò)程控制系統(tǒng)。另一方面，兼顧連續(xù)控制和

14、邏輯控制順序控制功能的復(fù)合控制系統(tǒng)HCS(Hybrid Control System）得到發(fā)展。 另外，各廠家相繼推出了各種數(shù)字化智能變送器和智能化數(shù)字執(zhí)行器。以現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control Syntem)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS進(jìn)一步將控制功能分散，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。 在控制裝置發(fā)展的同時(shí)，高新技術(shù)的發(fā)展和新材料的應(yīng)用也促進(jìn)了工業(yè)儀表的發(fā)展。 數(shù)字化、多變量和專用集成電路(ASIC)的廣泛應(yīng)用。產(chǎn)生出許多智能傳感器和執(zhí)行器。它們不僅可檢測(cè)有關(guān)過(guò)程變量，還能提供儀表狀態(tài)和診斷的信息，而且具有通訊

15、功能便于調(diào)試、投運(yùn)、維護(hù)和管理。 一些重要的生產(chǎn)過(guò)程逐漸采用技術(shù)先進(jìn)的在線分析儀器。過(guò)程控制的發(fā)展概況生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，一直起著極其重要的作用。其發(fā)展率重要手段，一直起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面：經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面： 1 1、初期階段、初期階段(30(304040年代年代) )2 2、簡(jiǎn)單儀表化階段、簡(jiǎn)單儀表化階段(40(406060年代年代) )3 3、綜合自動(dòng)、綜合自動(dòng)化階段化階段(60(607070年代中期年

16、代中期) )4 4、全盤自動(dòng)化、全盤自動(dòng)化( (及智能化及智能化) )階段階段(70(70年代中期自今年代中期自今) )過(guò)程控制策略與算法 過(guò)程控制策略與算法出現(xiàn)了不種類型：簡(jiǎn)單控制、復(fù)雜控制與先進(jìn)控制。 通常將單回路PID控制稱為簡(jiǎn)單控制。它一直是過(guò)程控制的主要手段。PID控制以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)主要用頻域方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)與綜合。 從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，過(guò)程控制界逐漸發(fā)展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和Smith預(yù)估控制等控制策略與算法，稱之為復(fù)雜控制。 它們?cè)诤艽蟪潭壬蠞M足了復(fù)雜過(guò)程工業(yè)的一些特殊控制要求。它們?nèi)匀灰越?jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，但是結(jié)構(gòu)與應(yīng)用上各有特色，而且目前仍在繼續(xù)改進(jìn)與發(fā)展。 從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的理論基礎(chǔ)上針對(duì)工業(yè)過(guò)程本身的非線性、時(shí)變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之有效的解決方法，如解耦控制、推斷控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，常統(tǒng)稱為先進(jìn)過(guò)程控制。 近幾年來(lái)，以專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法為主要方法的基于知識(shí)的智能處理方法已經(jīng)成為過(guò)程控制的一種重要技術(shù)。本課時(shí)小結(jié) 過(guò)程控制主要是指連續(xù)過(guò)程工業(yè)的控制，其被控量是溫度、壓力、流量、液位（或物位）物理特性和化學(xué)成分，它們是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中體現(xiàn)物流性質(zhì)和操作條件的信息。