過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用(第一章)

1、.東華理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)課程?hào)|華理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)課程過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用機(jī)電學(xué)院自動(dòng)化系機(jī)電學(xué)院自動(dòng)化系羅先喜羅先喜 （副教授）（副教授）.內(nèi)內(nèi) 容容 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介一、地位和作用一、地位和作用 自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)選修課。 培養(yǎng)學(xué)生以自動(dòng)控制為基礎(chǔ)，用自動(dòng)化儀表或以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成過程控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)思想與能力。.內(nèi)內(nèi) 容容 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二、知識(shí)體系（理論二、知識(shí)體系（理論40+40+實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)6 6） 知識(shí)領(lǐng)域知識(shí)領(lǐng)域1：過程控制系統(tǒng)概述（：過程控制系統(tǒng)概述（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 知識(shí)領(lǐng)域知識(shí)領(lǐng)域2：檢測(cè)儀表（：檢測(cè)儀表（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 過程執(zhí)行器（過程執(zhí)行器（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 知識(shí)

2、領(lǐng)域知識(shí)領(lǐng)域3：被控過程的動(dòng)態(tài)特性與模型（：被控過程的動(dòng)態(tài)特性與模型（8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 知識(shí)領(lǐng)域知識(shí)領(lǐng)域4：過程控制策略：過程控制策略 單回路控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 串級(jí)控制系統(tǒng)（串級(jí)控制系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 前饋反饋控制系統(tǒng)（前饋反饋控制系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 大延時(shí)與比值控制系統(tǒng)（大延時(shí)與比值控制系統(tǒng)（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 知識(shí)領(lǐng)域知識(shí)領(lǐng)域5：計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)（：計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)-（2 2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)）.第一章第一章 過程控制的基本概念過程控制的基本概念第一節(jié) 過程控制的發(fā)展概況第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成第三節(jié) 過程控制的分類第四節(jié) 生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求和

3、指標(biāo).第一節(jié)第一節(jié) 過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展概況 自20世紀(jì)50年代以來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，帶來了自動(dòng)化發(fā)展的驚人成就。自動(dòng)化的發(fā)展首先從工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域開始，而工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展又與工業(yè)生產(chǎn)過程本身的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。隨著生產(chǎn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從局部到全局，從低級(jí)到智能的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化也經(jīng)歷了一個(gè)不斷發(fā)展的過程。 第一階段第一階段 第二階段第二階段 第三階段第三階段.第一階段 以經(jīng)典控制理論為基本方法，即用傳遞函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基本方法為根軌道法和頻率法。 一般處理方法是將一個(gè)復(fù)雜過程分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單的過程，然后采用單輸入、單輸出的控制系統(tǒng)。 控制目標(biāo)主要是保持整個(gè)

4、生產(chǎn)的正常平穩(wěn)和安全，實(shí)現(xiàn)控制的手段主要是單個(gè)傳感器、控制器和執(zhí)行器。 自動(dòng)化水平處于比較低級(jí)的階段.第二階段 生產(chǎn)過程向著大型化、連續(xù)性方向發(fā)展，原有簡(jiǎn)單控制的模式已不能滿足要求。 現(xiàn)代控制理論，提供了更好理論基礎(chǔ)。以狀態(tài)空間法、最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)，以極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)的優(yōu)化控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最優(yōu)估計(jì)三個(gè)部分。 分析方法由外部現(xiàn)象深入到揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，從局部控制到全局最優(yōu)控制。而自動(dòng)控制的工具也產(chǎn)生了直接數(shù)字控制（DDC）和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控(SCC)。. 最大成就就是大規(guī)模集成電路和微處理器的產(chǎn)生，加速了工業(yè)計(jì)算機(jī)普及和發(fā)展。 具有可靠性和靈活性的工業(yè)計(jì)算機(jī)，成為

5、一種全新的工業(yè)控制工具。集散控制系統(tǒng)（DCS）集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 控制理論和其它學(xué)科相互滲透，從而形成了以大系統(tǒng)理論和智能控制理論為代表的所謂第三代控制理論。第三階段 . 20世紀(jì)80年代以后信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生極大的影響和推動(dòng)作用，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息控制管理系統(tǒng)。而自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)工具也由DCS系統(tǒng)發(fā)展到了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。.第二節(jié)第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)的組成 過程控制通常用于各工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，過程控制系統(tǒng)是指自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是溫度、流量、

6、壓力、液位等這樣一些過程變量時(shí)的系統(tǒng)。 下面以供熱鍋爐液位控制系統(tǒng)為例，介紹過程控制系統(tǒng)的組成。. 鍋爐是整個(gè)供熱系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。鍋爐在工作時(shí)必須將水位保持在一定的高度，水位過低，鍋爐有可能燒干而釀成事故，如果水位過高，產(chǎn)生的蒸汽含水量太高，不成為過熱蒸汽，造成供熱管道積水。因此必須根據(jù)鍋爐蒸汽負(fù)荷的大小調(diào)整鍋爐的給水量，使水位始終維持在允許的范圍內(nèi)。 鍋爐水位控制：人工方法鍋爐水位控制：人工方法 鍋爐水位控制：自動(dòng)控制鍋爐水位控制：自動(dòng)控制. 鍋爐水位控制的人工方法:是靠人眼觀察玻璃液位計(jì)，根據(jù)水位的變化，憑經(jīng)驗(yàn)而去改變供水閥門的開度，使水位保持在規(guī)定的位置上(見圖1-1 a)。. 鍋爐

7、水位的自動(dòng)控制由液位變送器測(cè)量得到水位的變化,信號(hào)輸入到控制器中控制器將輸入的信號(hào)和水位的設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值信號(hào)運(yùn)算后發(fā)出控制命令通過執(zhí)行器改變閥門的開度以增減給水量，達(dá)到鍋爐水位的平衡。實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制。. 從以上例子中可以看出，要實(shí)現(xiàn)水位控制需要以下裝置：1）測(cè)量水位變化的傳感器或變送器。2）能將水位測(cè)量值和水位設(shè)定值進(jìn)行比較并進(jìn) 行控制運(yùn)算的控制器。3）設(shè)定水位的定值器（可能包括在控制器內(nèi)）。4）執(zhí)行控制命令的執(zhí)行器。5）調(diào)節(jié)給水量的調(diào)節(jié)閥。. 這些裝置和被控對(duì)象鍋爐本身組成了一個(gè)過程控制系統(tǒng)，見圖1-2所示。 u a q 控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器控制閥控制閥被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)元件，變送

8、器檢測(cè)元件，變送器圖1-2 過程控制系統(tǒng)原理方框圖+-擾動(dòng)擾動(dòng)d被控量被控量y設(shè)定值設(shè)定值r偏差值偏差值e.過程控制系統(tǒng)中應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：一、被控對(duì)象被控對(duì)象 二、傳感器和變送器、傳感器和變送器 三、控制器三、控制器四四、執(zhí)行器執(zhí)行器 五、調(diào)節(jié)閥五、調(diào)節(jié)閥 .一、被控對(duì)象被控對(duì)象 被控對(duì)象是指生產(chǎn)過程被控制的工藝設(shè)備或裝置。例如上述例子中的鍋爐。當(dāng)被控對(duì)象中所需控制的參數(shù)僅有一個(gè)（例如鍋爐的水位控制），則工藝設(shè)備與被控對(duì)象的特性是一致的。當(dāng)工藝設(shè)備的被控參數(shù)二個(gè)以上（例如鍋爐水位控制實(shí)際上決定于給水量，蒸汽流量和壓力等參數(shù)），則往往會(huì)使其特性相互制約，這時(shí)應(yīng)有一套可能是互相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)

9、，這樣的工藝設(shè)備作為被控對(duì)象，應(yīng)對(duì)其中不同的過程作不同的分析。.二、傳感器和變送器、傳感器和變送器 按生產(chǎn)工藝要求，被控對(duì)象的有關(guān)控制參數(shù)應(yīng)通過自動(dòng)檢測(cè)以獲得可靠的信息。信息的獲得依靠傳感器或變送器來完成。被控的工藝參數(shù)一般為非電量物理量，通過傳感器將其變成相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。而變送器還會(huì)將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。目前的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)主要有二種，一種為型的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，即0-10mA 直流電流信號(hào)，另一種為型的電信號(hào)，是4-20mA的直流電流信號(hào)或1-5V的直流電壓信號(hào)。也可轉(zhuǎn)換成1.961049.8104 Pa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。傳感器或變送器的輸出也就是被控量的測(cè)定值z(mì)。.三、控制器三、控制器 擾動(dòng)擾動(dòng)：

10、使被控量發(fā)生變化的任何作用稱為擾動(dòng)。 內(nèi)擾內(nèi)擾：在控制通道內(nèi)，在控制閥未動(dòng)情況下，由于通道內(nèi)質(zhì)量或能量等因素變化造成的擾動(dòng)稱為內(nèi)擾。 外擾外擾：而其他來自外部的影響統(tǒng)稱為外擾。 擾動(dòng)一經(jīng)產(chǎn)生，控制器發(fā)出控制命令對(duì)系統(tǒng)實(shí)行控制。工藝要求規(guī)定的被控量的參數(shù)值稱為設(shè)定值r。在系統(tǒng)中，傳感器或變送器的測(cè)量值z(mì)反饋到輸入端和設(shè)定值r比較，從而得到了一個(gè)偏差值e，當(dāng) r時(shí)稱為負(fù)偏差， r時(shí)稱為正偏差?？刂破鞲鶕?jù)e的大小，根據(jù)控制器規(guī)定的控制算法進(jìn)行運(yùn)算，輸出一個(gè)相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)u去推動(dòng)執(zhí)行器。.四四、執(zhí)行器執(zhí)行器 執(zhí)行器接收控制器的控制信號(hào)u，經(jīng)變換或放大后推動(dòng)調(diào)節(jié)閥。目前的執(zhí)行器有氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器

11、，如控制器是電動(dòng)的，而執(zhí)行器是氣動(dòng)的，則在控制器與執(zhí)行器之間要有電氣轉(zhuǎn)換器。如用電動(dòng)執(zhí)行器，則控制器輸出須經(jīng)伺服放大器放大才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器以推動(dòng)調(diào)節(jié)閥。.五、調(diào)節(jié)閥五、調(diào)節(jié)閥 控制器輸出控制信號(hào)u，經(jīng)氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥，改變輸入對(duì)象的操縱量q，使被控量受到控制。.第三節(jié) 過程控制的分類 一、各種分類方法一、各種分類方法1 1）按被控量分類）按被控量分類：溫度控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)，液位控制系統(tǒng)等。2 2）按控制系統(tǒng)回路分類）按控制系統(tǒng)回路分類：開環(huán)控制系統(tǒng)及閉環(huán)控制系統(tǒng)，單回路控制和多回路控制。3 3）按控制器的控制算法分類）按控制器的控制算法分類：比例控制系統(tǒng)，比例積分控

12、制系統(tǒng)，比例積分微分控制系統(tǒng)及位式控制系統(tǒng)等。4 4）按控制系統(tǒng)的模式分類）按控制系統(tǒng)的模式分類：比值控制系統(tǒng)，均勻控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)及自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。5 5）按控制器信號(hào)分類）按控制器信號(hào)分類：常規(guī)的儀表控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等。. 以上是人們視具體情況所采用的不同的分類，并沒有什么嚴(yán)格的規(guī)定。而作為過程控制而言。主要是分析反饋控制的特性，這就和設(shè)定值有密切關(guān)系，因此按設(shè)定值來分類則更有意義。.二、二、設(shè)定值分類設(shè)定值分類 ：1) 1) 定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 2) 2) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) 3) 3) 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng).1) 1) 定

13、值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 將系統(tǒng)被控量的設(shè)定值保持某一定值（或在某一很小范圍內(nèi)不變）的控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)是過程控制中應(yīng)用最多的一種控制系統(tǒng)。前面所述的鍋爐水位控制系統(tǒng)就是這樣的定值控制系統(tǒng)。在定值控制系統(tǒng)中，設(shè)定值固定不變，引起系統(tǒng)變化的只是擾動(dòng)信號(hào)。.2) 2) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)是被控量的設(shè)定值隨著時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。其主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量及時(shí)跟蹤設(shè)定值變化。 . 3 3）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)被控量的設(shè)定值是按預(yù)定的時(shí)間程序變化的?？刂频哪康氖鞘贡豢亓堪匆?guī)定的程序自動(dòng)變化。如工業(yè)熱處理爐等周期作業(yè)的加熱設(shè)備，一般都有升

14、溫，保溫和降溫等按時(shí)間變化的規(guī)律，設(shè)定值按此程序進(jìn)行控制，以達(dá)到控制的目的。 .第四節(jié)第四節(jié) 生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求和指標(biāo)和指標(biāo)一、生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求 二、過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) .一、生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求一、生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求 1.安全性 安全性指的是在生產(chǎn)的整個(gè)過程中，確保人身安全和設(shè)備的安全。這是最重要的要求。 2.經(jīng)濟(jì)性 經(jīng)濟(jì)性指在使系統(tǒng)在生產(chǎn)相同質(zhì)量和產(chǎn)量的條件下，所消耗的能源和材料最少，做到生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高。 3.穩(wěn)定性 穩(wěn)定性即要求系統(tǒng)具有抑止外部干擾，保持生產(chǎn)過程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。.二、過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)二、過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) 過程控制系統(tǒng)

15、在運(yùn)行時(shí)有兩種狀態(tài)，一種稱為穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的設(shè)定值保持不變，也沒有受到整個(gè)外來的任何干擾，被調(diào)量保持不變，整個(gè)系統(tǒng)處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。另一種為動(dòng)態(tài)，系統(tǒng)的設(shè)定值發(fā)生了變化，或者是系統(tǒng)受到了外來的干擾，原來的穩(wěn)定遭到了破壞，系統(tǒng)的各部分將作出相應(yīng)的調(diào)整，改變操縱量的大小，使被控量重新回復(fù)到設(shè)定值，使系統(tǒng)穩(wěn)定。 過渡過程:從前一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過程。 大多數(shù)系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過程中，評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)，不能單評(píng)價(jià)其穩(wěn)態(tài)，更重要的是應(yīng)該考慮它在動(dòng)態(tài)過程中被調(diào)量隨時(shí)間變化的情況。. 在階躍信號(hào)輸入的情況下，整個(gè)過渡過程可能有不同的狀態(tài)，見圖1-3所示，圖1-3 a為發(fā)散振蕩過程，圖1-3b為等幅振

16、蕩過程，圖1-3 c為衰減振蕩過程，圖1-3 d為非周期過程。一般希望過渡過程為衰減振蕩過程。圖1-3 幾種不同的過渡過程. 顯然，控制過程就是克服和消除干擾的過程。系統(tǒng)受到一個(gè)擾動(dòng)以后能否在控制器的控制作用下再穩(wěn)定下來，克服擾動(dòng)回到設(shè)定值的準(zhǔn)確性和快慢程度是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的重要標(biāo)志。.通?？梢杂靡韵聨讉€(gè)指標(biāo)來衡量。一、衰減比一、衰減比 二、動(dòng)態(tài)偏差二、動(dòng)態(tài)偏差 三、調(diào)整時(shí)間三、調(diào)整時(shí)間, ,過渡時(shí)間過渡時(shí)間T TC C 四、靜態(tài)偏差四、靜態(tài)偏差 A1B1A2B2C0.02或或0.05Td1.00.9T0TpTr0圖1-4 過渡過程的品質(zhì)指標(biāo).一、衰減比一、衰減比 衰減比n，即n=B1/B2。由圖1

17、-4可以看出，第一、二兩個(gè)周期的振幅B1與B2的比值充分反映了振蕩衰減的程度。 衰減比n表示曲線變化一個(gè)周期后的衰減快慢，一般用n：1表示。在實(shí)際控制中，衰減比習(xí)慣采用4：1。但對(duì)于象溫度控制這樣變化緩慢的過程，4：1的衰減比顯得振蕩過甚，是不適宜的，而采用10：1衰減比，效果可能會(huì)更好一些，因此衰減比需根據(jù)不同的對(duì)象來選取。衰減比也有用面積比表示的，如圖1-4中陰影面積A1與A2之比，指標(biāo)仍為4:1。.二、動(dòng)態(tài)偏差二、動(dòng)態(tài)偏差 擾動(dòng)發(fā)生后，被控量偏離穩(wěn)定值或設(shè)定值的最大偏差稱為動(dòng)態(tài)偏差，也稱為最大過調(diào)量（超調(diào)量），見圖1-4中第一波峰B1。過渡過程到達(dá)此峰值的時(shí)刻稱為峰值時(shí)間TP。如果動(dòng)態(tài)偏

18、差比較大，峰值時(shí)間又較長(zhǎng)，這樣的系統(tǒng)是不允許的。 .三、調(diào)整時(shí)間三、調(diào)整時(shí)間T TC C 系統(tǒng)受到擾動(dòng)后平衡狀態(tài)被破壞，經(jīng)控制器作用后，被控量返回到允許的范圍之內(nèi)。通常在穩(wěn)定值的5%（或2%）以內(nèi)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為調(diào)整時(shí)間TC，也稱為過渡過程時(shí)間或穩(wěn)定時(shí)間。 過阻尼系統(tǒng)過阻尼系統(tǒng)：一般以響應(yīng)曲線由穩(wěn)定值的a%上升到穩(wěn)定值b%所經(jīng)歷的時(shí)間稱為上升時(shí)間Tr。其中a一般為10或5，b一般取90或95。 欠阻尼的系統(tǒng)欠阻尼的系統(tǒng)：一般從0算起，上升到100%所經(jīng)歷的時(shí)間為上升時(shí)間。 延遲時(shí)間延遲時(shí)間：響應(yīng)曲線第1次達(dá)到穩(wěn)定值的50%的時(shí)間稱為延遲時(shí)間Td。 峰值時(shí)間峰值時(shí)間：響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值的時(shí)間成為