(OA自動(dòng)化)[第1講]自動(dòng)化儀表及過程控制第一章緒論

1、第一章緒論本章提要1 .過程控制系統(tǒng)的基本概念2 .過程控制的發(fā)展概況3 .過程控制系統(tǒng)的組成4 .過程控制的特點(diǎn)及分類5 .衡量過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)授課內(nèi)容第一節(jié)過程控制的發(fā)展概況1 .基本概念過程控制系統(tǒng)-指自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位成分、粘度、濕度以及PH值（氫離子濃度）等這樣一些過程變量時(shí)的系統(tǒng)。（P3）過程控制-指工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。（P3）2 .過程控制的重要性進(jìn)入90年代以來自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快，是重要的高科技技術(shù)。過程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化電過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源

2、、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。3 .過程控制的發(fā)展概況19世紀(jì)40年代前后（手工階段）：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)驗(yàn)人工控制生產(chǎn)過程，勞動(dòng)生產(chǎn)率很低。19世紀(jì)50年代前后（儀表化與局部自動(dòng)化階段）:過程控制發(fā)展的第一個(gè)階段，一些工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和控制儀表-采用基地式儀表和部分單元組合儀表（多數(shù)是氣動(dòng)儀表”過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-單輸入、單輸出系統(tǒng)；被控參數(shù)-溫度、壓力、流量和液位參數(shù)；控制目的-保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或者減少對(duì)生產(chǎn)過程的主要擾動(dòng)；理論-頻率法和根軌跡法的經(jīng)典控制理論，解決單輸入單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。19世紀(jì)60年代（綜

3、合自動(dòng)化階段）：過程控制發(fā)展的第二個(gè)階段，工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)車間或大型裝置的集中控制。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和控制儀表-采用單元組合儀表（氣動(dòng)、電動(dòng)）和組裝儀表，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）;過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-多變量系統(tǒng)，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級(jí)、比值、均勻控制、前饋、選擇性控制系統(tǒng)；控制目的-提高控制質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求；理論-除經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用。前饋控制-按擾動(dòng)來控制，在擾動(dòng)可測(cè)的情況下，可以地提高控制質(zhì)量。選擇性控制-在生產(chǎn)過程遇到不正常工況或被控量達(dá)到安全極限事，自1-1動(dòng)實(shí)現(xiàn)的保護(hù)性控制。19世紀(jì)70年代以來（全盤自動(dòng)化階段）：發(fā)展到現(xiàn)代過

4、程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三個(gè)階段。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和控制儀表-新型儀表、智能化儀表、微型計(jì)算機(jī)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由單f多變量系統(tǒng)，由PID控制規(guī)律一特殊控制規(guī)律，由定值控制一最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，由儀表控制系統(tǒng)智能化計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)；理論-現(xiàn)代控制理論過程控制領(lǐng)域，如狀態(tài)空間分析，系統(tǒng)辨識(shí)與狀態(tài)估計(jì)，最優(yōu)濾波與預(yù)報(bào)。4 .集散控制系統(tǒng)（DCS）集散控制系統(tǒng)-是集計(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)為一體的裝置。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的（生產(chǎn)過程是分散系統(tǒng)），但過程控制的監(jiān)視、管理是集中的。優(yōu)點(diǎn)：將計(jì)算機(jī)分布到車間或裝置。使系統(tǒng)的危險(xiǎn)分散，提高了系統(tǒng)的可靠性，能方便靈活地實(shí)現(xiàn)各

5、種新型的控制規(guī)律與算法，實(shí)現(xiàn)最佳管理。集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖：CRT哲理操作計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)過程控府單元透事笠制單元Tt/o 柴口,圖集散控制宗統(tǒng)皓構(gòu)原理框圖I集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：1）過程輸入-輸出接口：又叫數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的加工，操作站的顯示與打印。2）過程控制單元：又稱基本控制器，是集散控制系統(tǒng)的核心。不同的集散控制系統(tǒng)其差別較大。3）CRT操作站：是集散控制系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置。執(zhí)行監(jiān)控操作、系統(tǒng)組態(tài)、編程、動(dòng)態(tài)流程圖顯示以及部分生產(chǎn)管理。4）高速數(shù)據(jù)通路：實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)各處理機(jī)之間數(shù)據(jù)傳送。5）管理（上位）計(jì)算機(jī)：進(jìn)行集中管理與最佳控制，實(shí)現(xiàn)信息-控

6、制-管理一體化。第二節(jié)過程控制系統(tǒng)及其組成1 .過程控制系統(tǒng)組成由測(cè)量元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、被控過程等環(huán)節(jié)構(gòu)成。一個(gè)簡(jiǎn)單的過程控制系統(tǒng)=被控過程+過程檢測(cè)控制儀表（測(cè)量元件、變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥）2 .過程控制系統(tǒng)實(shí)例1（發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)）過熱蒸汽的溫度是生產(chǎn)工藝的重要參數(shù)圖1*2過熱然汽溫度控制系絢1熱電阻；2祝2s交送器工3溫j變調(diào)節(jié)露:4一調(diào)節(jié)的3 .過程控制系統(tǒng)實(shí)例2（PH控制系統(tǒng)）圖J3FH控制系統(tǒng)4 .過程控制系統(tǒng)實(shí)例3（液位控制系統(tǒng)）明口星波位傳一制零錢l-3一.掛Jfc安途由黯浩位調(diào)小鄧1爭(zhēng)書'1那3第三節(jié)過程控制的特點(diǎn)及系統(tǒng)分類1 .過程控制系

7、統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)由過程檢測(cè)控制儀表組成被控過程的多樣性生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣。控制方案的多樣性通常有單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)、常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)、提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)特定要求的控制系統(tǒng)。本書將要介紹單回路、串級(jí)、前饋、比值、均勻、分程、選擇性、大時(shí)延、多變量系統(tǒng)，還要介紹高級(jí)新型系統(tǒng)（自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制）以及極可能成為系統(tǒng)主流的集散控制系統(tǒng)（DCS）。過程控制的控制過程多屬慢過程，而又多半屬參量控制被控過程具有大慣性、大時(shí)延（滯后）等特點(diǎn)。對(duì)表征其生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、液位（物位）、成分、PH等過程參量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。定值控制是過程控

8、制的一種主要控制形式如何減小或消除外界擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，使被控量能控制在給定值上，使生產(chǎn)穩(wěn)定。2 .過程控制系統(tǒng)分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類：反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)-反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定位的偏差進(jìn)行工作的，最后達(dá)到消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。前面的液位控制系統(tǒng)，就是一反饋控制系統(tǒng)。又稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。是過程控制系統(tǒng)中最基本的一種。多回路反饋控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)-直接根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)。不構(gòu)成閉合回路，故也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。由于前饋控制是一種開環(huán)控制，無法檢查控制的效果，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中是不能單獨(dú)應(yīng)用的。4過百圖1-5前饋控制

9、系統(tǒng)方框圖前饋一反饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)）前饋開環(huán)控制的主要優(yōu)點(diǎn)：能針對(duì)主要擾動(dòng)迅速及時(shí)克服對(duì)被控量的影響。反饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)：克服其他擾動(dòng)，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地使被控量控制在給定值上。構(gòu)成的前饋一反饋控制系統(tǒng)可以提高控制質(zhì)量。共8LLr前怪面節(jié)器-U卜調(diào)節(jié),卜f"程"工占,圖甫慎一反饋控制系豌按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類：定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)被控量（溫度、壓力、流量、液位、成分等）的給定值保持在某一定值（或在某一很小范圍內(nèi)不變）中。例如前述的例子就是定值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入信號(hào)是擾動(dòng)信號(hào)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)-被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化的控制系統(tǒng)。作用：克服一切擾動(dòng)，使

10、被控量及時(shí)跟蹤給定值變化。例如在加熱爐燃燒過程控制，控制系統(tǒng)就要使空氣量跟隨燃料雖的變化自動(dòng)控制空氣量的大小從而保證達(dá)到最佳燃燒。程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)-被控量的給定值是按預(yù)定的時(shí)間程序而變化的?？刂频哪康模菏贡豢亓堪匆?guī)定的程序自動(dòng)變化。例如機(jī)械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)。第四節(jié)衡量過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)控制性能良好：在受到外來干擾作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)、迅速、準(zhǔn)確地回復(fù)（或趨近）到給定值上。評(píng)價(jià)控制性能好壞的質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)控制的實(shí)際要求來確定。通常采用的兩種質(zhì)量指標(biāo)：1.系統(tǒng)過渡過程的質(zhì)量指標(biāo)定值晶能,ft?）隨衲摹統(tǒng)圖系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)示意圖余差（靜態(tài)偏差）c

11、系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差。它是一個(gè)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)，是一個(gè)靜態(tài)指標(biāo)。一般要求余差不超過預(yù)定值或?yàn)榱恪Ｋp比n或衰減率少衰減比n-指振蕩過程的第一個(gè)波的振幅與第二個(gè)波的振幅之比，即Bn=r,衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，反映了振蕩的衰減程度。n<lB表示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，振幅愈來愈大。n=1表示為等幅振蕩。n=4表示系統(tǒng)為4：1的衰減振蕩。（B-B有時(shí)亦用暴減率少（中=）來表示系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。在工程上，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)來確定合適的小。一般取衰減率g=0.75O.9最大偏差A(yù)（或超調(diào)量（T）定值控制系統(tǒng)：用最大偏差A(yù)來衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。最大偏差是指被

12、控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差。A=B+C隨動(dòng)控制系統(tǒng)：常用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。超調(diào)y（tCy（二）量定義為：一匕/100%y（二）A、b都是衡量系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。若A、b愈大則表示被控量偏離生產(chǎn)規(guī)定的狀態(tài)越遠(yuǎn)。規(guī)定允許最大偏差。過渡過程時(shí)間ts過渡過程時(shí)間ts：表示系統(tǒng)過渡過程曲線進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值的土5%或土2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間。ts愈小表示過渡過程進(jìn)行得愈快。它是反映系統(tǒng)過渡過程快慢的指標(biāo)。峰值時(shí)間tp峰值時(shí)間tp：是指系統(tǒng)過渡過程曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。其大小反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度。2.誤差（偏移）性能指標(biāo)單項(xiàng)指標(biāo)來表示控制系統(tǒng)的質(zhì)量以外，還可以用

13、綜合指標(biāo)來對(duì)系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。一個(gè)過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量主要看偏差的變化情況?？刹捎闷钆c時(shí)間的某種積分關(guān)系作為衡量系統(tǒng)質(zhì)量的準(zhǔn)則，這就是積分指標(biāo)。常用有：平方誤差積分指標(biāo)（ISE）;,二2,、.J=0e（t）dt；min時(shí)間乘誤差的平方積分指標(biāo)（ITSE）;J=0te2（t）dttmin誤差絕對(duì)值積分指標(biāo)（IAE）;J=o|e（t）|出一min時(shí)間乘誤差絕對(duì)值的積分指標(biāo)（ITAE）J=0t|e（t）|dttmin這些值達(dá)到最小的系統(tǒng)就是最優(yōu)的系統(tǒng)。補(bǔ)充內(nèi)容過程控制儀表是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要工具，它被廣泛地應(yīng)用于石油、化工等各工業(yè)部門。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，過程檢測(cè)儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成

14、電信號(hào)或氣壓信號(hào)后，除了送至顯示儀表進(jìn)行指示和記錄外，還需送到控制儀表進(jìn)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，使被控變量達(dá)到預(yù)期的要求。由單元組合儀表構(gòu)成的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)過程控制儀表的分類按能源形式分類：液動(dòng)控制儀表、氣動(dòng)控制儀表和電動(dòng)控制儀表。按結(jié)構(gòu)形式分類：基地式控制儀表、單元組合式控制儀表、組件組裝式控制儀表等?；厥娇刂苾x表以指示、記錄儀表為主體，附加某些控制機(jī)構(gòu)而組成。基地式控制儀表特點(diǎn)：一般結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜.它不僅能對(duì)某些工藝變量進(jìn)行指示或記錄，而已還具有控制功能，因此它比較適用于單變量的就地控制系統(tǒng)。目前常使用的XCT系列動(dòng)圈式控制儀表和TA系列簡(jiǎn)易式調(diào)節(jié)器即屬此類儀表。單元

15、組合式控制儀表將整套儀表劃分成能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)一定功能的若干單元，各單元之間采用統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。使用時(shí)可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，對(duì)各單元進(jìn)行選擇和組合，從而構(gòu)成多種多樣的、復(fù)雜程度各異的自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：使用靈活，通用性強(qiáng)，同時(shí)，使用、維護(hù)更作也很方便。它適用于各種企業(yè)的自動(dòng)控制。廣泛使用的單元組合式控制儀表有電動(dòng)單元組合儀表（DDZ型）和氣動(dòng)單元組合儀表（QD2型）。組件組裝式控制儀表是一種功能分離、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表（或裝置）。它以模擬器件為主，兼用模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)。整套儀表（或裝置）在結(jié)構(gòu)上由控制柜和操作臺(tái)組成，控制柜內(nèi)安裝的是具有各種功能的組件板，采用高密度安裝，結(jié)構(gòu)緊湊。這種控制儀表（或裝置）特別適用于要求組成各種復(fù)雜控制和集中顯示操作的大、中型企業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中國產(chǎn)的TF型、MZ-m型以及SPEC200組裝儀表即屬此類控制儀表。按信號(hào)形式分類：模擬控制儀表和