第1章 過程裝備控制綜述.

1、課程性質(zhì): :自動化技術(shù)在過程裝備的應(yīng)用(考試課)對象: 過程裝備與控制專業(yè)本科48學(xué)時： 授課40學(xué)時，實驗4學(xué)時（2個實驗）考核： 期末閉卷考試成績： 考試80%+實驗20% 課程特點課程特點課程內(nèi)容涵面課程內(nèi)容涵面廣廣自動控制原理自動控制原理檢測技術(shù)檢測技術(shù)控制儀表及裝置控制儀表及裝置過程計算機控制過程計算機控制真空與化工過程控制實例真空與化工過程控制實例集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)內(nèi)容以敘述性為主，理論推導(dǎo)較少內(nèi)容以敘述性為主，理論推導(dǎo)較少化工儀表及自動化例題習(xí)題集化工儀表及自動化例題習(xí)題集 厲玉鳴厲玉鳴 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)過程儀表與控制工業(yè)過程儀表與控制 陳詩濤陳詩濤 輕工

2、業(yè)出版社輕工業(yè)出版社 自動控制原理自動控制原理 李友善李友善 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社 化工測量儀表化工測量儀表 盛克仁盛克仁 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社控制儀表及裝置控制儀表及裝置 吳勤勤吳勤勤 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社控制儀表與裝置控制儀表與裝置 向婉成向婉成 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社化工過程控制工程化工過程控制工程 王驥程王驥程 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社過程控制工程過程控制工程 邵裕森邵裕森 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社計算機過程控制系統(tǒng)計算機過程控制系統(tǒng) 劉寶坤劉寶坤 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社過程計算機控制過程計算機控制 王錦標(biāo)王錦標(biāo) 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社

3、參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)第第1 1章章1.1 1.1 自動控制概述自動控制概述 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點生產(chǎn)過程自動控制生產(chǎn)過程自動控制（簡稱過程控制）是自動控制技術(shù)在石油、化（簡稱過程控制）是自動控制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機械、輕工、紡織等生產(chǎn)過程的具體應(yīng)用，工、電力、冶金、機械、輕工、紡織等生產(chǎn)過程的具體應(yīng)用，是自動化技術(shù)的重要組成部分。是自動化技術(shù)的重要組成部分。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點20世紀(jì)世紀(jì)40年代年代 手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程。手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程。20世紀(jì)世紀(jì)40年代末

4、年代末50年代年代過程控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)自動化儀表：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動自動化儀表：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動 型和電動型和電動型）；型）；控制理論：以反饋為中心的經(jīng)典控制理論控制理論：以反饋為中心的經(jīng)典控制理論過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代年代：過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。自動化儀表自動化儀表：單元組合儀表（氣動：單元組合儀表（氣動型和電

5、動型和電動型）成為主流型）成為主流產(chǎn)品。產(chǎn)品。6060年代后期，出現(xiàn)了專門用于過程控制的小型計算機，年代后期，出現(xiàn)了專門用于過程控制的小型計算機，直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于過程控制直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域。領(lǐng)域?？刂评碚摽刂评碚摚撼霈F(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以極小值原理和動：出現(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為基本特征的現(xiàn)代控制理論態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為基本特征的現(xiàn)代控制理論, ,傳統(tǒng)的單輸傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域。入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域?？刂评碚摽刂评碚摚盒纬闪舜笙到y(tǒng)理

6、論和智能控制理論。模糊控制、專家：形成了大系統(tǒng)理論和智能控制理論。模糊控制、專家系統(tǒng)控制、模式識別技術(shù)系統(tǒng)控制、模式識別技術(shù)20世紀(jì)世紀(jì)7080年代年代過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、：最優(yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、 模糊控制模糊控制自動化儀表自動化儀表：氣動：氣動型和電動型和電動型，以微處理器為主要構(gòu)成單型，以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（DCSDCS）、可編程邏輯）、可編程邏輯控制器控制器 (PLC) (PLC) 、工業(yè)、工業(yè)PCPC機、和數(shù)字控制器等，已成為控制機、和數(shù)字控制器等，已成為

7、控制裝置的主流。裝置的主流。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點控制理論控制理論：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制20世紀(jì)世紀(jì)90年代至今年代至今：信息技術(shù)飛速發(fā)展：信息技術(shù)飛速發(fā)展過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)：管控一體化現(xiàn)場，綜合自動化是當(dāng)今生產(chǎn)過程：管控一體化現(xiàn)場，綜合自動化是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制的發(fā)展方向。控制的發(fā)展方向。自動化儀表自動化儀表：總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革。現(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化，形成和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革

8、?，F(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、無紙紀(jì)錄儀無紙紀(jì)錄儀過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)特點過程控制系統(tǒng)特點生產(chǎn)過程的連續(xù)性生產(chǎn)過程的連續(xù)性 在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過程都是在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過程都是以長期的或間歇形式運行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各以長期的或間歇形式運行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動的影響。種擾動的影響。被控過程的復(fù)雜性被控過程的復(fù)雜性 過程控制涉及范圍廣，被控對象較復(fù)雜過程控制涉及范圍廣，被控對象較

9、復(fù)雜控制方案的多樣性控制方案的多樣性 過程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富過程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富自動化技術(shù)的應(yīng)用范疇自動化技術(shù)的應(yīng)用范疇 宇航方面宇航方面： 同步衛(wèi)星（隨動控制系統(tǒng)）衛(wèi)星的發(fā)射與回收（神州同步衛(wèi)星（隨動控制系統(tǒng)）衛(wèi)星的發(fā)射與回收（神州5 5號飛船，號飛船，航天飛機）自動關(guān)機、點火系統(tǒng)航天飛機）自動關(guān)機、點火系統(tǒng)軍事方面軍事方面： 火炮自動點火、巡航導(dǎo)彈火炮自動點火、巡航導(dǎo)彈其他方面其他方面：農(nóng)業(yè)（病蟲害防治、專家系統(tǒng)）：農(nóng)業(yè)（病蟲害防治、專家系統(tǒng)） 社會科學(xué)（計劃生育，人口增長模型）社會科學(xué)（計劃生育，人口增長模型）現(xiàn)代管理現(xiàn)代管理：辦公自動化：辦公自動化工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)：自

10、動車床、加熱爐、發(fā)酵罐：自動車床、加熱爐、發(fā)酵罐自動操縱及自動開停車系統(tǒng)自動操縱及自動開停車系統(tǒng)自動操縱系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某自動操縱系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某 種周期性操作種周期性操作自動開停車系統(tǒng)：按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過程自動的投入自動開停車系統(tǒng)：按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過程自動的投入 運行或自動停車運行或自動停車 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)： 利用自動控制裝置對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動控制，利用自動控制裝置對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動控制，使他們在受到外界擾動的影響而偏離正常狀態(tài)時，能自動的回使他們在受到外界擾動的影響而偏離正常狀態(tài)時，

11、能自動的回到規(guī)定范圍。到規(guī)定范圍。過程控制的主要內(nèi)容過程控制的主要內(nèi)容 過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)的組成檢測元件（裝置）檢測元件（裝置）控制器控制器執(zhí)行器（裝置）執(zhí)行器（裝置）檢測被控制的物理量檢測被控制的物理量將設(shè)定值與測量信號進(jìn)行比較，求出它們之間將設(shè)定值與測量信號進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差的偏差,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計算并將計算結(jié)果作為控制信號送給執(zhí)行裝置算并將計算結(jié)果作為控制信號送給執(zhí)行裝置作用是接受控制器的控制信號，直作用是接受控制器的控制信號，直接推動被控對象，使被控變量發(fā)生接推動被控對象，使被控變量發(fā)生變化變化被控對象被控對象要控制

12、的的具體設(shè)備如加熱爐，反應(yīng)器要控制的的具體設(shè)備如加熱爐，反應(yīng)器過程控制系統(tǒng)的表示形式過程控制系統(tǒng)的表示形式方框圖方框圖 帶有輸入輸出信號的方框帶有輸入輸出信號的方框 比較點比較點 分支點分支點 繪制方框圖注意事項繪制方框圖注意事項過程控制系統(tǒng)的表示形式過程控制系統(tǒng)的表示形式通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端過程控制系統(tǒng)的主要類型過程控制系統(tǒng)的主要類型 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點：閉環(huán)控制系統(tǒng)的

13、優(yōu)點： 不管任何擾動引起被控變量偏離設(shè)定值，都會不管任何擾動引起被控變量偏離設(shè)定值，都會產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點：閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點： 由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對生，當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。擾動的克服不及時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。過程控制系統(tǒng)的主要類型過程控制系統(tǒng)的主要類型 閉環(huán)控制系統(tǒng)分類閉環(huán)控制系統(tǒng)分類根據(jù)設(shè)定值分為根據(jù)設(shè)定值分為定值控

14、制定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)，隨動控制隨動控制系統(tǒng)和系統(tǒng)和程序控制程序控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 特點特點：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 作用作用：克服擾動的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上：克服擾動的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上過程控制系統(tǒng)的主要類型過程控制系統(tǒng)的主要類型隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng) 特點特點：設(shè)定值是一個未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。：設(shè)定值是一個未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。 放大器放大器被測電壓被測電壓u ut t可逆電機可逆電機指示記錄儀指示記錄儀滑線電

15、阻滑線電阻E Eu up p 作用作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化自動平衡電位差計的方框圖自動平衡電位差計的方框圖 過程控制系統(tǒng)的主要類型過程控制系統(tǒng)的主要類型程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)特點：特點：設(shè)設(shè)定值是變化的，且按一定時間程序變化的時間函數(shù)定值是變化的，且按一定時間程序變化的時間函數(shù)程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動控制系統(tǒng)的特殊情況，其分析研究方法與程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動控制系統(tǒng)的特殊情況，其分析研究方法與隨動控制系統(tǒng)相同。隨動控制系統(tǒng)相同。 作用作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求過

16、程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求常見典型信號常見典型信號 階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。 階躍信號階躍信號A A 0 0 t0 t0 t0 t1: n1:衰減振蕩衰減振蕩。n n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n n趨于無窮大時，趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。 n=1:n=1:等幅振蕩等幅振蕩。 n1:n1:發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩。n n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，低

17、，p最大偏差最大偏差A(yù) A（或超調(diào)量（或超調(diào)量 ）n最大偏差最大偏差A(yù) A是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差 n 超調(diào)量：超調(diào)量：%100)()()(yytypp過渡過程時間過渡過程時間t ts s n指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值5%5%（或（或2%2%）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。n一般要求一般要求t ts s愈短愈好。愈短愈好。 振蕩頻率振蕩頻率（或振蕩周期）（或振蕩周期）定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其定義：過渡過程同向兩波峰

18、之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。倒數(shù)稱為振蕩頻率。某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、振蕩周期、過渡時間（設(shè)定值為試分別求出最大偏差、衰減比、余差、振蕩周期、過渡時間（設(shè)定值為200200）。）。 22 20 200 205 210 230 5 t/min 溫度 ? max23020030e()()25:55:1n (1)(1)最大偏差最大偏差：(3)(3)衰減比衰減比：(2)(2)余差余差：2002055C ()()23020525B (),

19、(),2102055B ()()第一個波的峰值第一個波的峰值第二個波的峰值第二個波的峰值衰減比衰減比(5)(5)過渡時間：過渡時間：(4)(4)振蕩周期：振蕩周期：20 155(min)T 過渡時間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有過渡時間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為關(guān)，假設(shè)為 ，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為那么限制范圍為2%200 ( 2%)4 ()()那么，在新穩(wěn)態(tài)值（那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205205）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，只要被）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可。因此，過渡過程為控變量不再越出即可。因此，過渡