第一章_緒論__過程裝備控制技術及其應用

1、過程裝備控制技術及其應用第第1 1章章 緒論緒論1.1 1.1 過程裝備控制技術的基本概念過程裝備控制技術的基本概念1.1.控制控制 廣義地講控制本身是一種手段、廣義地講控制本身是一種手段、措施或者講是一種機制。它存在于大措施或者講是一種機制。它存在于大自然、人體本身、人類社會、工業(yè)生自然、人體本身、人類社會、工業(yè)生產過程等。產過程等。應用在不同領域的控制技術產生了不同應用在不同領域的控制技術產生了不同的科學學科。例如的科學學科。例如 ： 環(huán)境科學環(huán)境科學 生物科學及醫(yī)學生物科學及醫(yī)學 社會學及管理科學社會學及管理科學 信息科學信息科學 計算機技術計算機技術 通訊技術通訊技術 控制技術控制技術

2、自然界自然界動植物動植物人類社會人類社會 應用在工業(yè)生產過程中的控制方應用在工業(yè)生產過程中的控制方法和措施稱之為自動化控制技術法和措施稱之為自動化控制技術 本課程針對工業(yè)生產過程來討論本課程針對工業(yè)生產過程來討論控制方法?？刂品椒?。 2.2.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 人工調節(jié)人工調節(jié) 機電控制機電控制 電動儀表控制電動儀表控制 計算機分布控制系統(tǒng)計算機分布控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是實現(xiàn)控制目的所必備的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)控制目的所必備的設備總和。不同的時期，根據(jù)技術的設備總和。不同的時期，根據(jù)技術的發(fā)展控制系統(tǒng)的設備構成是不同的。發(fā)展控制系統(tǒng)的設備構成是不同的。 它經(jīng)歷了它經(jīng)歷了3.3.過程過程 過程即工業(yè)生產過

3、程。過程即工業(yè)生產過程。 不同的企業(yè)產品不同生產過程也不同。不同的企業(yè)產品不同生產過程也不同。 從控制的角度出發(fā)把工業(yè)分成三類從控制的角度出發(fā)把工業(yè)分成三類: : 習慣上習慣上, , 把連續(xù)型工業(yè)稱為過程工業(yè)把連續(xù)型工業(yè)稱為過程工業(yè)( process industries) , ( process industries) , 有時為突出有時為突出其流動的性質也稱為流程工業(yè)其流動的性質也稱為流程工業(yè)( fluid ( fluid process industries) process industries) 。連續(xù)型連續(xù)型 離散型離散型 混合型混合型4.4.過程裝備過程裝備 通常是由一系列的過程

4、機器和過程設備通常是由一系列的過程機器和過程設備按一定的流程方式用管道閥門等連接起來的按一定的流程方式用管道閥門等連接起來的一個獨立的密閉系統(tǒng)，再配以必要的控制儀一個獨立的密閉系統(tǒng)，再配以必要的控制儀表和設備，既能平穩(wěn)連續(xù)地把以流體為主的表和設備，既能平穩(wěn)連續(xù)地把以流體為主的各種流體性材料，讓其在裝置內部經(jīng)歷必要各種流體性材料，讓其在裝置內部經(jīng)歷必要的物理化學過程，制造出人們需要的新的流的物理化學過程，制造出人們需要的新的流程性產品。程性產品。如塔、換熱器、反應器、儲罐、壓縮機、泵、如塔、換熱器、反應器、儲罐、壓縮機、泵、分離機等。分離機等。5.5.過程（裝備）控制系統(tǒng)過程（裝備）控制系統(tǒng) 過

5、程控制過程控制( process control )( process control )通常是通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產中連續(xù)的或按建材、核能等工業(yè)生產中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產過程自動控一定周期程序進行的生產過程自動控制制, , 它是自動化控制技術的重要組成它是自動化控制技術的重要組成部分。部分。1.2 過程控制系統(tǒng)的基本組成過程控制系統(tǒng)的基本組成 1. 人工操作與自動控制比較人工操作與自動控制比較控制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產的需要現(xiàn)代化生產的需要手動控制的步驟：手動控制的步驟：(1)

6、眼看：觀察液位數(shù)值；眼看：觀察液位數(shù)值；(2)腦想：把觀察到的實際數(shù)值與設定值加以腦想：把觀察到的實際數(shù)值與設定值加以 比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況 做出判斷，并發(fā)布命令。做出判斷，并發(fā)布命令。(3)手動：根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到手動：根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到 設定值。設定值?？刂破骺刂破骺刂崎y控制閥變送器變送器進料口進料口 自動控制自動控制 液位工藝控制圖液位工藝控制圖液位儀表控制步驟：液位儀表控制步驟：(1)(1)檢測檢測：液位傳感器感應液位值并將結果送液位傳感器感應液位值并將結果送 控制器控制器；(2)(2)運算運算：把：把檢測檢測到的實際數(shù)值

7、與設定值加以到的實際數(shù)值與設定值加以 比較，比較，將將偏差偏差經(jīng)過適當運算，其結經(jīng)過適當運算，其結 果作為輸出給控制閥果作為輸出給控制閥。(3)(3)調節(jié)調節(jié)：控制閥控制閥根據(jù)根據(jù)控制器輸出調節(jié)流量。控制器輸出調節(jié)流量。蒸汽蒸汽汽包汽包加熱器加熱器給水給水 鍋爐汽包示意圖鍋爐汽包示意圖 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包加熱器加熱器給水給水 鍋爐汽包自動工藝控制圖鍋爐汽包自動工藝控制圖 2.2.液位自動控制的方框圖液位自動控制的方框圖 在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一般都用方框圖來表示控制系分析研究，一般都用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成。統(tǒng)的組成。

8、下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)的方框圖，每下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)的方框圖，每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)”。兩個方塊之間用一條帶有箭頭。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。示相互間的作用信號。儲罐儲罐液位傳感與變送器液位傳感與變送器液位控制器液位控制器控制閥控制閥液位液位液位給定液位給定 儲罐液位自動控制系統(tǒng)方框圖儲罐液位自動

9、控制系統(tǒng)方框圖鍋爐汽包鍋爐汽包液位傳感與變送器液位傳感與變送器液位控制器液位控制器控制閥控制閥液位液位給定 汽包液位自動控制系統(tǒng)方框圖汽包液位自動控制系統(tǒng)方框圖控制器控制器(調節(jié)器調節(jié)器)被控對象被控對象檢測元件及檢測元件及變送器變送器（檢測儀表）（檢測儀表）+r(t)執(zhí)行器執(zhí)行器顯示儀表顯示儀表干擾干擾 f(t)ym(t)給定給定y(t)3.各部分作用和基本術語各部分作用和基本術語(1 )被控對象被控對象 被控對象是指被控制的生產設備或被控對象是指被控制的生產設備或 裝置裝置, 如上述其水位受控制的儲罐和鍋如上述其水位受控制的儲罐和鍋 爐汽包。爐汽包。 常見的被控對象有塔、加熱爐、常見的被控

10、對象有塔、加熱爐、 分餾塔、反應釜、干燥爐、壓縮機、旋分餾塔、反應釜、干燥爐、壓縮機、旋 轉窯、換熱器、儲存物料的槽、罐以及轉窯、換熱器、儲存物料的槽、罐以及 傳送物料的管段等。傳送物料的管段等。 圖中用一個圖中用一個“被控對象被控對象”方框來表方框來表示示, , 其輸出就是生產過程中所要保持恒其輸出就是生產過程中所要保持恒定的變量定的變量, ,例如液位等。例如液位等。 在控制系統(tǒng)中在控制系統(tǒng)中稱為被控變量稱為被控變量, , 用用y(t)y(t)來表示。來表示。其輸入有兩類，操縱變量和擾動其輸入有兩類，操縱變量和擾動 操縱變量：操縱變量：受控制器操縱的用以克受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使

11、被控變量保持設定值服干擾的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量。的物料量或能量。 擾動：擾動：除操縱變量外，作用于被控除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素過程并引起被控變量變化的因素(2 )檢測元件及變送器檢測元件及變送器 需要進行自動控制的參數(shù)稱為被控需要進行自動控制的參數(shù)稱為被控 變量變量, 如上例中的鍋爐汽包中的水位。如上例中的鍋爐汽包中的水位。 被控變量由檢測元件進行檢測被控變量由檢測元件進行檢測, 當其輸當其輸 出不是電學量出不是電學量, 或雖然是電學量或雖然是電學量, 但不但不 是是420mA 信號時信號時, 必須采用變送器必須采用變送器 將其轉換為統(tǒng)一的標準電

12、信號。將其轉換為統(tǒng)一的標準電信號。變送器的輸出就是被控變量變送器的輸出就是被控變量y(t)y(t)的測量值的測量值y ym m(t)(t)。(3 )控制器控制器 控制器作用：控制器作用：干擾一經(jīng)產生干擾一經(jīng)產生, 控制控制 器就發(fā)出控制命令器就發(fā)出控制命令,對系統(tǒng)施加控制作對系統(tǒng)施加控制作 用用, 使被控變量回到設定值使被控變量回到設定值。 設定值：設定值：按生產工藝要求給被控按生產工藝要求給被控 量規(guī)定一個參考值量規(guī)定一個參考值, 稱為設定值稱為設定值r(t), 這這 是經(jīng)過系是經(jīng)過系統(tǒng)統(tǒng)的自動控制作用被控量的自動控制作用被控量 應保持的正常參數(shù)值。應保持的正常參數(shù)值。 負反饋：將被控變量送

13、回輸入端負反饋：將被控變量送回輸入端 并與輸入變量相減。并與輸入變量相減。控制器輸入：被控控制器輸入：被控變變量的測量值量的測量值ym(t)由系統(tǒng)的由系統(tǒng)的 輸出端反饋到系統(tǒng)的輸入端輸出端反饋到系統(tǒng)的輸入端, , 與設定值與設定值r r 比較后得到偏差比較后得到偏差 值值e(t)e(t)= =r(t)r(t)- -y ym m(t)(t), , 就是就是 控制器的輸入信號。控制器的輸入信號。控制器運算：也稱之為控制規(guī)律，即對偏差控制器運算：也稱之為控制規(guī)律，即對偏差 信號進行運算的數(shù)學方法。信號進行運算的數(shù)學方法?？刂破鬏敵觯嚎刂破鬏敵觯簩⑦\算結果輸出將運算結果輸出作為控制閥的作為控制閥的 輸

14、入信號輸入信號 u(t u(t）。）。(4)控制閥控制閥/執(zhí)行器執(zhí)行器 被控變量的測量值與設定值在控制被控變量的測量值與設定值在控制 器內進行比較后得到的偏差大小器內進行比較后得到的偏差大小, 由由 控制器按規(guī)定的控制規(guī)律控制器按規(guī)定的控制規(guī)律( PID 等等)進進 行運算后行運算后, 發(fā)出相應的控制信號發(fā)出相應的控制信號u(t)去去 推動執(zhí)行器推動執(zhí)行器, 該控制信號是控制器的該控制信號是控制器的 輸出量輸出量, 稱為控制變量。稱為控制變量。由控制器發(fā)出控制信號由控制器發(fā)出控制信號, , 通過電動或氣通過電動或氣動執(zhí)行器產生的位移量驅動控制閥門動執(zhí)行器產生的位移量驅動控制閥門, , 以改變被

15、控對象的操縱變量以改變被控對象的操縱變量q(t)q(t), , 使被使被控變量受到控制?？刈兞渴艿娇刂??？刂破骺刂破?調節(jié)器調節(jié)器)被控對象被控對象檢測元件及檢測元件及變送器變送器（檢測儀表）（檢測儀表）+r(t)執(zhí)行器執(zhí)行器顯示儀表顯示儀表干擾干擾 f(t)控制控制信號信號u(t)偏差偏差e(t)操縱操縱變量變量q(t)ym(t)y(t)被控被控變量變量給定給定 其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖圖1-4 蒸汽加熱器溫度工藝控制圖蒸汽加熱器溫度工藝控制圖 當進料流量或溫度變當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化時，可以將

16、該溫度變化測量后送至溫溫度變化測量后送至溫度控制器度控制器TCTC。溫度控制。溫度控制器的輸出送至控制閥，器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。持出口物料的溫度不變。 TTTT T 被加熱原料 TT TC 燃料油 出口溫度 加熱爐的溫度控制系統(tǒng)加熱爐的溫度控制系統(tǒng)被控對象被控對象：加熱爐加熱爐被控變量：被控變量：物料出口溫度物料出口溫度操縱變量：操縱變量：燃料油流量燃料油流量擾動：擾動：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等被加熱原料油溫度、燃料油熱值等 注意！注意！方框圖中的每一個方方框圖中的每一個方框都代表一個具體的裝置。框都代表一個具體的裝置。n方框與

17、方框之間的連接線，只是代表方框之間的方框與方框之間的連接線，只是代表方框之間的信號聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊信號聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。與工藝流程圖上的物料線是不同的。n工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有入另一個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。時并不與流體流向相一致。n自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展

18、可以分為三個階段。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展可以分為三個階段。1.3 1.3 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 1.1.儀表儀表控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)階段階段 2.2.計算機控制系統(tǒng)階段計算機控制系統(tǒng)階段 3.3.綜合自動化階段綜合自動化階段1.1.儀表自動化階段儀表自動化階段 20 20 世紀世紀40 40 年代前后年代前后, ,生產過程自動生產過程自動化主要是憑生產實際經(jīng)驗化主要是憑生產實際經(jīng)驗, ,局限于一般的局限于一般的控制元件及機電式控制儀器控制元件及機電式控制儀器, ,采用比較笨采用比較笨重的基地式儀表重的基地式儀表, ,實現(xiàn)生產設備就地分散實現(xiàn)生產設備就地分散的局部自動控制。的局部

19、自動控制。 20 20 世紀世紀50 50 年代至年代至60 60 年代年代, ,先后出現(xiàn)先后出現(xiàn)了電動與氣動單元組合儀表和巡回檢測裝了電動與氣動單元組合儀表和巡回檢測裝置置, ,采用了集中監(jiān)控與集中操縱的控制系采用了集中監(jiān)控與集中操縱的控制系統(tǒng)統(tǒng), , 實現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動化。實現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動化。 電動單元組合式儀表發(fā)展概況電動單元組合式儀表發(fā)展概況DDZ-DDZ-型儀表：型儀表： 2020世紀世紀6060年代年代，放大元件為電子管、磁放大器，放大元件為電子管、磁放大器DDZ-DDZ-型儀表：型儀表： 2020世紀世紀7070年代年代 ，采用晶體管放大元件，采用晶體管放大元件

20、DDZ-DDZ-型儀表：型儀表： 2020世紀世紀8080年代，采用集成電路年代，采用集成電路S S型儀表：型儀表： 2020世紀世紀9090年代，采用微處理器的數(shù)字調節(jié)器年代，采用微處理器的數(shù)字調節(jié)器電廠生產車間電廠生產車間使用常規(guī)儀表的中央控制室使用常規(guī)儀表的中央控制室儀表集中控制室儀表集中控制室 儀表集中控制室儀表集中控制室 2.2.計算機控制階段計算機控制階段 20 20 世紀世紀7070年代至年代至8080年代年代, ,由于集成電由于集成電路與計算機技術的飛速進展路與計算機技術的飛速進展, ,為過程控制的為過程控制的發(fā)展創(chuàng)造了條件發(fā)展創(chuàng)造了條件, ,開始采用計算機直接數(shù)字開始采用計算

21、機直接數(shù)字控制控制(direct digital control,DDC)(direct digital control,DDC)系統(tǒng)。系統(tǒng)。 計算機集中控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(DCS) 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的規(guī)模不斷擴大隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的規(guī)模不斷擴大, , 控制要求不斷提高控制要求不斷提高, , 過程參數(shù)日益增多過程參數(shù)日益增多, , 致使控制回路更加復雜。為了滿足工業(yè)致使控制回路更加復雜。為了滿足工業(yè)生產的監(jiān)控集中、危險分散的要求生產的監(jiān)控集中、危險分散的要求, 70, 70年代中期年代中期, , 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)( distributed ( distributed co

22、ntrol systems,DCS,control systems,DCS,也稱之為分布式也稱之為分布式控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)) ) 開發(fā)問世了。開發(fā)問世了。集散控制系統(tǒng)（DCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）計算機集中監(jiān)控室計算機集中監(jiān)控室 計算機集中監(jiān)控室計算機集中監(jiān)控室 早期的早期的DCSDCS控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)是集計算機技術、控制技術、通集散控制系統(tǒng)是集計算機技術、控制技術、通信技術和圖形顯示技術為一體的裝置（信技術和圖形顯示技術為一體的裝置（4C4C技技術）。其特點術）。其特點: : 結構上是分散的。就是將計算機分布結構上是分散的。就是將計算機分布到車間或現(xiàn)場。這不僅使系統(tǒng)的危險分散

23、到車間或現(xiàn)場。這不僅使系統(tǒng)的危險分散, , 消消除了全局性的故障點除了全局性的故障點, , 而且提高了系統(tǒng)的可靠而且提高了系統(tǒng)的可靠性。性。 系統(tǒng)由于是分級的系統(tǒng)由于是分級的, ,能實現(xiàn)優(yōu)化的最佳能實現(xiàn)優(yōu)化的最佳管理。實現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化和生產調度與經(jīng)管理。實現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化和生產調度與經(jīng)營管理自動化相結合營管理自動化相結合, , 使生產過程自動化的發(fā)使生產過程自動化的發(fā)展達到了一個新的水平。展達到了一個新的水平。3.3.綜合自動化階段綜合自動化階段 從從20 20 世紀世紀90 90 年代開始年代開始, , 過程控制進入了過程控制進入了綜合自動化階段。綜合自動化階段。 突出特征是在自動化工

24、具上推出了現(xiàn)場總突出特征是在自動化工具上推出了現(xiàn)場總線控制技術?，F(xiàn)場總線是智能現(xiàn)場設備和自動線控制技術?，F(xiàn)場總線是智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。它有如下特點信網(wǎng)絡。它有如下特點: :用一對用一對N N 結構代替一對一結構結構代替一對一結構, , 互換性、互操作性好互換性、互操作性好, , 控制回路徹底分散?？刂苹芈窂氐追稚?。它的出現(xiàn)標志著過程控制進入了真正的計算機它的出現(xiàn)標志著過程控制進入了真正的計算機時代。時代。 綜合自動化系統(tǒng)就是包括生產計劃和調度、綜合自動化系統(tǒng)就是包括生產計劃和調度、操作優(yōu)化、基層控制和先進控制

25、等內容的遞階控操作優(yōu)化、基層控制和先進控制等內容的遞階控制系統(tǒng)制系統(tǒng), , 也稱管理控制一體化的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)也稱管理控制一體化的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)是靠計算機及其網(wǎng)絡來實現(xiàn)的是靠計算機及其網(wǎng)絡來實現(xiàn)的, , 因此也稱為計算因此也稱為計算機集成過程系統(tǒng)機集成過程系統(tǒng)( computer integrated ( computer integrated process system, CIPS)process system, CIPS)。 CIPS CIPS 是一種全新的哲理與概念是一種全新的哲理與概念, , 它以企業(yè)它以企業(yè)整體優(yōu)化為目標整體優(yōu)化為目標, , 以計算機及網(wǎng)絡為主要技術工以計算機及網(wǎng)絡

26、為主要技術工具具, , 以生產過程的管理和控制自動化為主要內容以生產過程的管理和控制自動化為主要內容, , 將過去局部自動化的將過去局部自動化的“孤島孤島”模式集成為一個整模式集成為一個整體的系統(tǒng)體的系統(tǒng), , 它代表了當代自動化的潮流。它代表了當代自動化的潮流。生產制造管理信息系統(tǒng)MMS1.4 過程控制系統(tǒng)的分類 1. 分類方法分類方法 按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；統(tǒng)； 按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；系統(tǒng)； 將控制

27、系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制樣可將自動控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。其中第三種分類方法最普遍其中第三種分類方法最普遍 “定值定值” ” 是恒定給定值的簡稱。工藝是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制生產中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產指標上不變，或的工藝參數(shù)保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采者說要

28、求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。用定值控制系統(tǒng)。 給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準確而快速地跟隨給使所控制的工藝參數(shù)準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。定值的變化而變化。3)3)程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)） 給定值變化，但它是一個已知的時間給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產技術指標需按一定的時間函數(shù)，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產過程中程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產過程中應用比較普通。應用比較普通。2.2.過程控制的特點過程控制的特點: : 1) 1)對象復雜多樣對

29、象復雜多樣 生產過程的復雜性生產過程的復雜性 對象的辨識帶來困難。對象的辨識帶來困難。 要正確描述對象特性還不完全可能要正確描述對象特性還不完全可能, ,2)2)對象存在滯后對象存在滯后 滯后：當流入滯后：當流入( (或流出或流出) ) 對象的質量或對象的質量或能量發(fā)生變化時能量發(fā)生變化時, , 由于存在容量、慣性和阻由于存在容量、慣性和阻力力, , 被控參數(shù)不可能立即產生響應被控參數(shù)不可能立即產生響應, , 這種現(xiàn)這種現(xiàn)象稱為滯后。滯后的大小決定于生產設備的象稱為滯后。滯后的大小決定于生產設備的結構和規(guī)模結構和規(guī)模, , 并同研究它的流入量與流出量并同研究它的流入量與流出量的特性有關。生產設

30、備的規(guī)模愈大的特性有關。生產設備的規(guī)模愈大, , 物質傳物質傳輸?shù)木嚯x愈長輸?shù)木嚯x愈長, , 熱量傳遞的阻力愈大熱量傳遞的阻力愈大, , 造成造成的滯后就愈大。一般來說的滯后就愈大。一般來說, , 熱過程大多具有熱過程大多具有較大的滯后較大的滯后, , 容易引起反饋回路產生振蕩容易引起反饋回路產生振蕩, , 對自動控制會產生十分不利的影響。對自動控制會產生十分不利的影響。3)3)對象特性的非線性對象特性的非線性 對象特性大多是隨負荷變化而變對象特性大多是隨負荷變化而變 的的, ,即當負荷改變時即當負荷改變時, , 其動態(tài)特性有明其動態(tài)特性有明 顯的不同。如果只以較理想的線性對顯的不同。如果只以

31、較理想的線性對 象的動態(tài)特性作為控制系統(tǒng)的設計依象的動態(tài)特性作為控制系統(tǒng)的設計依 據(jù)據(jù), , 就難以得到滿意的控制結果。須就難以得到滿意的控制結果。須 知大多數(shù)生產過程都具有非線性知大多數(shù)生產過程都具有非線性, , 弄弄 清非線性產生的原因及非線性的實質清非線性產生的原因及非線性的實質 是極為重要的。是極為重要的。4 )4 )控制系統(tǒng)較復雜控制系統(tǒng)較復雜 任何生產過程被控制的參數(shù)都不是一個任何生產過程被控制的參數(shù)都不是一個, , 這些參數(shù)又各具有不同的特性這些參數(shù)又各具有不同的特性, , 要針對這些不同要針對這些不同的特性設計相應不同的控制系統(tǒng)的特性設計相應不同的控制系統(tǒng), , 由此采用了各由

32、此采用了各種復雜的多回路控制系統(tǒng)。種復雜的多回路控制系統(tǒng)。 目前，要完全通過理論計算進行控制系統(tǒng)目前，要完全通過理論計算進行控制系統(tǒng)設計與控制參數(shù)的整定是不可能。目前已設計出設計與控制參數(shù)的整定是不可能。目前已設計出各種各樣的控制系統(tǒng)各種各樣的控制系統(tǒng), , 都是通過必要的理論論證都是通過必要的理論論證和計算和計算, , 并且經(jīng)過長期的運行、試驗、分析、總并且經(jīng)過長期的運行、試驗、分析、總結起來的結起來的, , 只要采用現(xiàn)場調整的方法得當只要采用現(xiàn)場調整的方法得當, , 可望可望得到相當滿意的控制效果。得到相當滿意的控制效果。1.5 1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標控制系統(tǒng)的過渡過程和品質

33、指標 1.控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)靜態(tài)：靜態(tài)：當一個控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）當一個控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾） 恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對 穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié) 如變送器、控制器、控制閥都不改變其如變送器、控制器、控制閥都不改變其 原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于 相對靜止狀態(tài)，這種狀態(tài)就是相對靜止狀態(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)靜態(tài)。 控制系統(tǒng)的輸入控制系統(tǒng)的輸入: : 設定作用和擾動作用。設定作用和擾動作用。動態(tài)：動態(tài)：被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)被控變

34、量隨時間變化的不平衡狀態(tài) 。 從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控 制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一 段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信 號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫 做做動態(tài)動態(tài)。結論：結論：在過程控制系統(tǒng)中，了解系統(tǒng)的在過程控制系統(tǒng)中，了解系統(tǒng)的 靜態(tài)特性是必要的，但是了解系靜態(tài)特性是必要的，但是了解系 統(tǒng)的動態(tài)特性更為重要。因為在統(tǒng)的動態(tài)特性更為重要。因為在 生產過程中，干擾是客觀存在生產過程中，干擾是客觀存在 的，是不可避免的，就需要通過的，是不可避免的，就需要通過

35、 自動化裝置不斷地施加控制作用自動化裝置不斷地施加控制作用 去對抗或抵消干擾作用的影響，去對抗或抵消干擾作用的影響， 從而使被控變量保持在工藝生產從而使被控變量保持在工藝生產 所要求控制的技術指標上。所要求控制的技術指標上。2.控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。衡狀態(tài)的過程。 當干擾作用于對象，當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出y y發(fā)生變化，發(fā)生變化，在系統(tǒng)負反饋作用下，在系統(tǒng)負反饋作用下，經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)重新恢復平衡。重新恢復平衡。舉例舉例系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間系統(tǒng)在過渡過程中，

36、被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規(guī)律首變化的。被控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式在生產中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。階躍干擾。 采用階躍干擾的優(yōu)點：采用階躍干擾的優(yōu)點： 這種形式的干擾比較突這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果量的影響也最大。如果

37、一個控制系統(tǒng)能夠有效一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，這種干擾的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。實驗和計算。階躍干擾作用階躍干擾作用定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式( (階躍擾動階躍擾動) ) c(t) (e)單調衰減 (c)等幅振蕩 (b)單調發(fā)散 (d)衰減振蕩 (a)發(fā)散振蕩 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(

38、t)3.控制系統(tǒng)的品質指標控制系統(tǒng)的品質指標控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質的依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程是衡量品質的依據(jù)。 過渡過程品質指標示意圖 假定控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化假定控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質指標。取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質指標。五種重要品質指標之一五種重要品質指標之一1) 1) 最大偏差或超調量最大偏差或超調量 最大偏差最大偏差是指在過渡過程中，被控變量瞬間是

39、指在過渡過程中，被控變量瞬間偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值最大偏差就是第一個波的峰值A A。是衡量過渡過程是衡量過渡過程穩(wěn)定性穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。若偏的一個動態(tài)指標。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產越差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產越不利。不利。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。 超調量也可以用來表征被控變量偏

40、離給定超調量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。值的程度。衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的 振幅之比。即振幅之比。即 2 2）衰減比）衰減比n nBnBCtyBBA0五種重要品質指標之二五種重要品質指標之二BnB衰減比衰減比n n n1:n1:衰減振蕩衰減振蕩。n n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當度也越高，當n n趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。過渡過程接近于非振蕩過程。 n=1:n=1:等幅振蕩等幅振蕩

41、。 n1:n1:發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩。n n越小，意味著控制系統(tǒng)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，的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，根據(jù)實際操作經(jīng)驗，根據(jù)實際操作經(jīng)驗，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應，與此對應的的衰減比在衰減比在4:14:1到到10:110:1的的范圍內。范圍內。衰減率：衰減率：BBB衰減比衰減比4:14:1衰減率衰減率 0.750.75衰減比衰減比10:110:1衰減衰減率率0.900.90CtyBBA03 3）余差）余差e定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時設定值與定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了

42、時設定值與 被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。( )ery 余差是反映控制余差是反映控制準確性準確性的一個重要穩(wěn)的一個重要穩(wěn)態(tài)指標，一般希望其為零，或不超過預定態(tài)指標，一般希望其為零，或不超過預定的范圍。的范圍。五種重要品質指標之三五種重要品質指標之三上圖中，上圖中，( )eryC 在控制系統(tǒng)中，在控制系統(tǒng)中，對余差的要求取決于對余差的要求取決于生產過程的要求，并不是越小越好生產過程的要求，并不是越小越好。例如。例如儲槽液位，余差可大一些；化學反應器的儲槽液位，余差可大一些；化學反應器的溫度控制要求高，余差就要小一些。溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性4 4）

43、回復時間（過渡時間）回復時間（過渡時間）回復時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短?；貜蜁r間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間從原有穩(wěn)態(tài)值達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達到新的平衡狀態(tài)需理論上講，控制系統(tǒng)要完全達到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時間。要無限長的時間。STCtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性五種重要品質指標之四五種重要品質指標之四實際上，實際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的 或或 或或 的范圍內且不再越出時的范圍內且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間，

44、可計為過渡時間。一般為止所經(jīng)歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。希望過渡時間短一些。5%3%2%ytBB5%ATs5 5）振蕩周期）振蕩周期 T T在衰減比相同條件下，周期與過渡時間成正在衰減比相同條件下，周期與過渡時間成正比；振蕩頻率與回復時間成反比。比；振蕩頻率與回復時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔定義：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。其倒數(shù)稱稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱 為振蕩頻率。為振蕩頻率。五種重要品質指標之五五種重要品質指標之五其它一些次要指標：其它一些次要指標：振蕩次數(shù)：振蕩次數(shù)：是指在過渡過程內被控變量振蕩是指在過渡

45、過程內被控變量振蕩的次數(shù)。的次數(shù)?！袄硐脒^渡過程兩個波理想過渡過程兩個波”：是指過渡過程振是指過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來。蕩兩次就能穩(wěn)定下來。上升時間：上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。峰所需要的時間。CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性總結：總結：主要指標有：主要指標有：最大偏差、衰減比、余差、過最大偏差、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期。渡時間、振蕩周期。在實際的系統(tǒng)中如何確在實際的系統(tǒng)中如何確定這些指標，要根據(jù)實際情況來定。定這些指標，要根據(jù)實際情況來定。原則：對生產過程有決定性意義的主要品質原則：對生產過程有決定性意義的主要品質指標應該優(yōu)先保

46、證。指標應該優(yōu)先保證。例題：例題：某換熱器的溫度調節(jié)系統(tǒng)在單位階躍某換熱器的溫度調節(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、過渡時間、求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期。振蕩周期。（設定值為（設定值為200200）。）。max23020030e()()解解：(1)(1)最大偏差：最大偏差：(2)(2)余差：余差：2002055C ()() 22 20 200 205 210 230 5 t/min 溫度 (3)(3)衰減比：衰減比：第一個波的振幅第一個波的振幅第二個波的振幅第二個波的振幅23020525B

47、 2102055B ()()衰減比衰減比25:55:1n 22 20 200 205 210 230 5 t/min 溫度 (4)(4)過渡時間：過渡時間：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，假設為關，假設為 ，就可以認為過渡過程已經(jīng)結，就可以認為過渡過程已經(jīng)結束，那么限制范圍為束，那么限制范圍為2%205 ( 2%)4.1 ()那么，在新穩(wěn)態(tài)值（那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205205）兩側以限制范圍）兩側以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，只要被控變量為寬度畫一區(qū)域，只要被控變量不再越出不再越出即可。即可。因此，過渡過程為因此，過渡過程為22min.22min. 22 20 200 205 210 230 5 t/min 溫度 （5 5）振蕩周期）振蕩周期 振蕩周期為同向兩波峰之間的時間振蕩周期為同向兩波峰之間的時間 間隔，故周期間隔，故周期 T T20-520-51515（minmin）某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為為200200）。）。舉例舉例 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解解 最大偏差最大偏差A