(完整word版)過程控制系統(tǒng)的簡介

1、過程控制系統(tǒng) 過程控制的主要控制對象：溫度（Temperature）,壓力（Pressure）,液位（Liquid level）, 成分（Component）和物性（Phvsical property）等參數(shù) 控制系統(tǒng)首要的要求：,系統(tǒng)穩(wěn)定性，所有參數(shù)必須保證系統(tǒng)能夠運行正常且具有一定的穩(wěn)定裕 度，通常可取衰減比作為穩(wěn)定指標(biāo)，隨動系統(tǒng)，常取衰減比為10:1；定值系統(tǒng) 常取衰減比為4:1； 過程控制的任務(wù)：在了解，掌握生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)綜合指標(biāo)的要求基礎(chǔ)上，根據(jù)安全性、穩(wěn)定 性、經(jīng)濟性的要求，應(yīng)用控制理論、最優(yōu)控制、系統(tǒng)論的理論知識對系統(tǒng)進(jìn)行 分析與設(shè)計，提出合理的控制方案，設(shè)計報警和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，

2、選擇最優(yōu)的控 制器參數(shù)及生產(chǎn)過程現(xiàn)場調(diào)試方案等！ 過程控制系統(tǒng)的基本要求：安全性:一個控制系統(tǒng)的必要條件，無安全性保證不談控制系統(tǒng)穩(wěn)定性：如何有效抑制或減小系統(tǒng)外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運 行的是設(shè)計控制系統(tǒng)的要求經(jīng)濟性：隨著市場競爭力以及資源匱乏的情況下，在滿足安全性及穩(wěn)定 性的前提下，要求控制系統(tǒng)低成本，高效益 過程控制系統(tǒng)的組成：被控對象（過程）：指需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或裝置。如鍋爐鍋筒、水槽被控變量（被控量）：被控對象中要控制的某個物理量或生產(chǎn)過程中的某個參數(shù)，如加熱爐的溫度、水槽的液位檢測和變送器:用于檢測被控對象的被控量，并將檢測信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出控制器（調(diào)節(jié)器）

3、：將檢測信號與設(shè)定值信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號， 按一定的控制規(guī)律對偏差信號進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號輸出到執(zhí)行器執(zhí)行器：將控制信號進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換為控制操縱變量的執(zhí)行信號，以驅(qū)動控制閥。氣動調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥控制閥：接受執(zhí)行器的輸出信號變換為控制進(jìn)給量。有氣開閥和氣關(guān)閥 干擾：凡是影響被控量的各種作用信號稱為干擾或者擾動，內(nèi)干擾，外 干擾。偏差：被控量的給定量與實際量之差，但能夠直接得到的信號是被控量的測量值，通常把給定值與測量值之差成為偏差輔助裝置：報警裝置，連鎖保護裝置過程控制系統(tǒng)的特點：L被控對象的多樣性:過程控制設(shè)計各個工業(yè)領(lǐng)域（如石油，化工，冶金,機械，電力，建材等領(lǐng)域）2.對象特性的難

4、辨性：過程控制被控對象的內(nèi)在機理較為復(fù)雜，具有嚴(yán)重 的非線性，具有多變量過程，要想完全從機理上揭示其內(nèi)在規(guī)律，幾乎不可能，所以，根據(jù)過程輸入、輸出數(shù)據(jù)確定過程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的系統(tǒng)辨識 方法建模，構(gòu)成白箱模型，黑箱模型和灰箱模型。3,對象滯后與耦合：被控量具有較大的慣性，被控對象往往具有純滯后 性。滯后對于調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生不利的影響，它將降低調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大 調(diào)節(jié)參數(shù)的偏差，延長調(diào)節(jié)時間。被控量與控制量之間呈現(xiàn)出交互影響的關(guān) 系，每個控制量的變化引起幾個被控量的變化，形成控制量的被控量的耦 合口；特性往往具有非線性:客觀世界本來就是非線性的，工業(yè)生產(chǎn)過程中，大 多數(shù)是非線性的，非線性是控制系

5、統(tǒng)中普遍存在的系統(tǒng)特性。5 .控制方案的多樣性：控制對象的多樣性決定了控制方案的多樣性，出現(xiàn) 了單回路控制、串級控制、前饋反饋控制、比值控制、均勻控制、分程控 制、選擇性控制、智能控制（專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）、數(shù) 字和計算機控制系統(tǒng)等6 .定制系統(tǒng)主要是控制形式：大多數(shù)生產(chǎn)過程中被控量的設(shè)定值為一定 值，控制的目的是使系統(tǒng)盡快減小或消除干擾的影響，使被控量保持或接近 設(shè)定值，即系統(tǒng)為定值控制7 .系統(tǒng)多屬于慢變化過程：過程控制的被控對象往往具有很大的儲蓄容 積，導(dǎo)致被控量變化十分緩慢。8 .容錯性：對復(fù)雜（如非線性、快時變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動等）控制 系統(tǒng)來說，能進(jìn)行有效的全局

6、控制，并具有較強的容錯能力。過程系統(tǒng)的性能指標(biāo)：穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的首要要求，并且考慮到實際過程系統(tǒng)工作環(huán)境、參數(shù)、原料等的變化，對系統(tǒng)除要求穩(wěn)定外，還要求其具有一定的 穩(wěn)定裕量。準(zhǔn)確性：系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，控制系統(tǒng)被控量與設(shè)定值之間的偏差是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，通常希望靜態(tài)偏差盡可能小?？焖傩裕嚎刂葡到y(tǒng)受到干擾影響后，系統(tǒng)是否可迅速做出響應(yīng)，根據(jù)偏差調(diào)節(jié)操縱變量是被控量與設(shè)定值之間的偏差盡快地減小，并且被控量在 工藝要求范圍內(nèi)變化。時域控制性能指標(biāo)： 以二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)輸出為例C(s) =-"=廠(C(s)；3)=1 +屋叫以：為系統(tǒng)的無阻尼自然振蕩角頻率阻尼比T =

7、：系統(tǒng)的振蕩周期 g*上升時間可=1一°、 峰值時間：7；=/=y、（k為第k個峰值，峰值時間7；為第% 叫1-42一個峰值時間）, 最大超調(diào)量:5 = W8）=產(chǎn)p x 100%=e 啟 xlOO% 人（8）, 過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）:7； = hi-L + lii若取A=5% ,并忽略Inr 1（00.9）時,則得1力二jY她刈14若取A=2% ,并忽略In /（0。0.9）時,則得丁小弧Overshoot:超調(diào)量； eiS ：穩(wěn)態(tài)值；Peak time:峰值時間;Rise time:上升時間Setting time:調(diào)節(jié)時間 y（t）：輸出值 Mp :峰值1.衰減比（穩(wěn)定性）

8、定義為兩個相鄰的同相波峰值之比=止d2，衰減比越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定 1系統(tǒng)的響應(yīng)為衰減振蕩 =1系統(tǒng)的響應(yīng)為等幅振蕩>1系統(tǒng)的響應(yīng)為發(fā)散振蕩一般隨動系統(tǒng)，常取衰減比為10:1;定值系統(tǒng)常取衰減比為4:1； 2.衰減率（快速性）（一般當(dāng)”= 0.750.9 時， =4:10 ） Bl Bl n衰減率也用于快速控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的衡量。衰減率是指每經(jīng)過一個周期，輸出 響應(yīng)曲線波動幅值衰減的百分?jǐn)?shù)。 3.余差（靜態(tài)偏差）C （準(zhǔn)確性）余差是指輸出系統(tǒng)的過渡過程穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差。余差是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 準(zhǔn)確性指標(biāo)，對于定值或者隨動系統(tǒng)，一般要求余差為零或小于工藝設(shè)計范圍 4最大動態(tài)偏差（最大超調(diào)量Over

9、shoot）（動態(tài)穩(wěn)定性）最大動態(tài)偏差是指系統(tǒng)輸出量的最大值與輸出的穩(wěn)定值之差其與輸出穩(wěn)態(tài)值的 相對百分?jǐn)?shù)構(gòu)成系統(tǒng)的最大超調(diào)量<7%O% = '3）7（"）X100%旭） 5,調(diào)節(jié)時間（過渡過程時間）（快速性）調(diào)節(jié)時間反映了控制系統(tǒng)的快速性，調(diào)節(jié)時間4越短，表明系統(tǒng)動態(tài)響 應(yīng)越快，系統(tǒng)克服擾動信號的能力越強 綜合性能指標(biāo)：控制系統(tǒng)除上M單項控制性能指標(biāo)外，也采用綜合控制性能指標(biāo)來衡量控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，常采用偏差積分性能指標(biāo)偏差積分（IE）J =e（t）dt > mmJo偏差絕對積分（IAE）J = £ | e（t） t niin該綜合性能指適用于衰減和無靜

10、差系統(tǒng)偏差絕對值與時間乘積的積分（ITEA）J = J 11 e（t）" > min該綜合性能指標(biāo)既包含了控制系統(tǒng)初始大誤差對性能指標(biāo)影響，有同時強調(diào)了 過渡過程后期的誤差對系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響 偏差二次方差積分（ISE）J = J。e （t） dt > nun該積分性能指標(biāo)重點考慮抑制過渡過程中的大偏差*名詞解釋無靜差調(diào)節(jié)（無差）：* 無靜差是系統(tǒng)的被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時等于系統(tǒng)的給定量，偏差為零，電動機的 轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時與負(fù)裁無關(guān)，只取決于給定量。有靜差就是被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時與給 定量存在一定的差量 * 通常，伺服系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)，而自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)為有靜差系統(tǒng)。對于無靜 差系統(tǒng)，無靜差

11、性是相對于某種特定形式的輸入信號或擾動作用而言的。一個 控制系統(tǒng)對于單位階躍函數(shù)（見拉普拉斯變換）的輸入信號或擾動作用是無靜 差的，并不表示它對單位斜坡函數(shù)的輸入或擾擾動也是無靜差的 * 比例度（比例帶）：比例度5表示比例控制輸出與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入（偏差）的范圍xlOO%mineJ = _xlOO% = 一xlOO%Kp故此:當(dāng) 和均無量綱（采用計算機控制），則（由此可見，比例度與比例系數(shù)成反比） 親 比例度的物理含義：如果 直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，那么b表示調(diào)節(jié)閥開度改變100%,即從全關(guān)到全開所需被調(diào)量的變化范圍。只有當(dāng)偏差 處在這個范圍以內(nèi)時，調(diào)節(jié)閥的開度才與偏差成正比

12、。超出比例帶外，調(diào)節(jié)閥 已處于全關(guān)或全開的狀態(tài)，此時調(diào)節(jié)閥的輸入輸出已不再保持比例關(guān)系！*反饋控制系統(tǒng):反饋系統(tǒng)通過測量系統(tǒng)的輸出值、反饋到系統(tǒng)的輸入端與設(shè)定值比較，產(chǎn)生偏差信號，進(jìn)行系統(tǒng)控制，系統(tǒng)輸入端與輸出端之間不僅存在輸入到輸出的前向通道，還存 在輸出到輸入的反饋通道，構(gòu)成閉L環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是利用偏差糾正偏差，即偏差值是控制的依據(jù)，控制的目的 是達(dá)到減小或消除誤差，控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應(yīng)能力。由于 反饋系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后再產(chǎn)生,因此對具有大慣性和純滯后時 間常數(shù)較大的時變系統(tǒng)。*前饋控制系統(tǒng):前饋控制是一種利用輸入或者 擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開 環(huán)控制系統(tǒng)，如果被控過程有嚴(yán)重 的可測、可控的擾動信號，前饋控 廠制可以利用干擾信號直接產(chǎn)生控制 輸出，以減少干擾對控制系統(tǒng)的影 響，它應(yīng)用的是補償原理，前饋控 制能有效改善控制系統(tǒng)的性能前饋控制是一種開環(huán)控制方法，開環(huán)控制的優(yōu)點是不存在閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定 性問題，但它要求模型精確，且不能消除余差* 復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）：