過(guò)程控制-第一章

1、主編 倪志蓮 龔素文機(jī)械工業(yè)出版社過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表2第一章 過(guò)程控制系統(tǒng)了解過(guò)控系統(tǒng)的組成、分類和品質(zhì)指標(biāo)。能簡(jiǎn)單使用MATLAB軟件。了解本課程定位及學(xué)習(xí)方法。3了解過(guò)程控制技術(shù)的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)概念。124過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表31.1 1.1 引言引言 v所謂所謂自動(dòng)控制自動(dòng)控制，是指在，是指在沒(méi)有人直接參與沒(méi)有人直接參與的情況下，的情況下，利用外加設(shè)備或控制裝置利用外加設(shè)備或控制裝置使生產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象使生產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象中的某一物理量或多個(gè)中的某一物理量或多個(gè)物理量自動(dòng)地物理量自動(dòng)地按照期望的按照期望的規(guī)律去規(guī)律去運(yùn)行或變化運(yùn)行或變化。v所謂所謂過(guò)程控制過(guò)程控制，是指

2、根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，等自動(dòng)化工具，應(yīng)用控制理論應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，實(shí)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表41.1 1.1 引言引言v自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展階段自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展階段 n1）20世紀(jì)50年代，單輸入單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)，多采用基地式儀表、氣動(dòng)組合儀表和氣動(dòng)儀表控制器來(lái)完成簡(jiǎn)單控制。n2）20世紀(jì)60年代，集中控制及直接數(shù)字控制。電動(dòng)儀表開(kāi)始使用，并逐步取代氣動(dòng)儀表，單元組合式儀表和組裝式儀表。n3）2

3、0世紀(jì)70年代，集散控制系統(tǒng)（DCS）。先進(jìn)控制技術(shù)、數(shù)字化儀表、計(jì)算機(jī)，特別是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，體現(xiàn)“分散控制，集中管理”的理念。n4）近30多年來(lái)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、各種集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）不斷涌現(xiàn)，人工智能技術(shù)如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法等也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表51.2 1.2 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念v開(kāi)環(huán)控制：不設(shè)反饋環(huán)節(jié)開(kāi)環(huán)控制：不設(shè)反饋環(huán)節(jié)v閉環(huán)控制：設(shè)有反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制：設(shè)有反饋環(huán)節(jié)開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表61.2 1.2 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念v1.2.1 1.2

4、.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)n開(kāi)環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式。它的特點(diǎn)是，僅僅有從輸入到輸出的前向通路，而沒(méi)有從輸出到輸入的有從輸入到輸出的前向通路，而沒(méi)有從輸出到輸入的反饋通路。反饋通路。n缺點(diǎn)：控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度，因此對(duì)元器件的要求比較高。由于輸出量不能反饋回來(lái)影響控制部分，所以輸出量受擾動(dòng)信號(hào)的影響比較大受擾動(dòng)信號(hào)的影響比較大，系統(tǒng)抗干擾能力差。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表7直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制 v當(dāng)調(diào)節(jié)電位器的滑臂位置時(shí)，可以改變功率放大當(dāng)調(diào)節(jié)電位器的滑臂位置時(shí)，可以改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最器的輸入電壓，從而

5、改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表81.2 1.2 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的概念v1.2.2 1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)n不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路，還有一條從輸出端到輸入端的反饋通路反饋通路。n輸出量通過(guò)一個(gè)測(cè)量變送元件反饋到輸入端，與輸入量比較后得到偏差信號(hào)來(lái)作為控制器的輸入，反饋的作用是減小偏差，以達(dá)到滿意的控制效果。 n閉環(huán)控制又稱為反饋控制反饋控制。 n如果輸入量和反饋量相減則稱為負(fù)反饋輸入量和反饋量相減則稱為負(fù)反饋；反之，若二者相加，則稱為正反饋相加，則稱為正反饋?？刂葡到y(tǒng)中一般采用負(fù)反饋方式。輸入量與反饋

6、量之差稱為偏差信號(hào)。n系統(tǒng)的輸出量能夠自動(dòng)地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動(dòng)信號(hào)的影響。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表9直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 v在原來(lái)開(kāi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由測(cè)速發(fā)在原來(lái)開(kāi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的反饋回路，該回路檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)速的變電機(jī)構(gòu)成的反饋回路，該回路檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)速的變化并作反饋。化并作反饋。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表101.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 v貯槽液位控制貯槽液位控制人工控制人工控制自動(dòng)控制自動(dòng)控制過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表111.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成v過(guò)程控制系統(tǒng)一般由過(guò)程控制系統(tǒng)一般由自動(dòng)化裝置自動(dòng)化裝置及及生產(chǎn)裝置生產(chǎn)裝置兩部?jī)刹糠纸M成

7、。分組成。n1）被控對(duì)象又稱被控過(guò)程，是需要控制其工藝變量的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。 n2）變送器將被控制的物理量檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成工業(yè)儀表間的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)信號(hào)。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表121.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成v過(guò)程控制系統(tǒng)一般由過(guò)程控制系統(tǒng)一般由自動(dòng)化裝置自動(dòng)化裝置及及生產(chǎn)裝置生產(chǎn)裝置兩部?jī)刹糠纸M成。分組成。n3）控制器又稱為調(diào)節(jié)器。其作用是根據(jù)反饋量與輸入量比較得出的偏差，按一定的規(guī)律運(yùn)算后對(duì)執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)或指令的裝置。 n4）執(zhí)行器其作用是依據(jù)控制器發(fā)出的控制信號(hào)或指令，改變操縱變量，從而對(duì)被控對(duì)象產(chǎn)生直接的控制作用。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表131.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成v系統(tǒng)的各種作用量系統(tǒng)

8、的各種作用量n1）被控變量是表征生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程運(yùn)行狀況，需要加以控制的變量，也是過(guò)程控制系統(tǒng)的輸出量。 n2）設(shè)定值又稱給定值，是工藝要求被控變量需要達(dá)到的目標(biāo)值，也是過(guò)程控制系統(tǒng)的輸入量。n3）測(cè)量值是檢測(cè)元件與變送器的輸出信號(hào)值，也稱反饋量。 n4）擾動(dòng)量又稱干擾或“噪聲”，通常是指引起被控變量發(fā)生變化的各種因素。n5）操縱變量受執(zhí)行器操縱，具體實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。 n6）偏差通常把設(shè)定值與測(cè)量值之差稱作偏差。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表141.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo) v1.4.1 1.4.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)的分類n1定值控制系統(tǒng)n在生產(chǎn)過(guò)程中，如果要求控制

9、系統(tǒng)使被控變量保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求工藝參數(shù)的設(shè)定值不變，這類控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。n2隨動(dòng)控制系統(tǒng)n設(shè)定值是一個(gè)未知變化量的控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)的目的是使被控變量準(zhǔn)確快速地跟隨著設(shè)定值的變化而變化。這類控制系統(tǒng)又稱為自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。n3程序控制系統(tǒng)n也稱順序控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的設(shè)定值是時(shí)間的已知函數(shù)，即設(shè)定值按一定的時(shí)間順序變化。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表151.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)v1.4.2 1.4.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程n穩(wěn)態(tài)：各個(gè)信號(hào)保持不變，被控變量不隨時(shí)間變化而變化的平衡狀態(tài)。n動(dòng)態(tài)：生產(chǎn)過(guò)程受到擾動(dòng)時(shí)，被控

10、變量隨時(shí)間變化而變化的不平衡狀態(tài)。 過(guò)程控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程稱為過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表161.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)v1.4.2 1.4.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)渡過(guò)程的基本形式過(guò)渡過(guò)程的基本形式過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表171.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)v1.4.3 1.4.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)可概括為“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快” u平穩(wěn)：“穩(wěn)”即系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，這也是最重要、最基本的需求。u準(zhǔn)確：“準(zhǔn)”是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)描述，它表示系統(tǒng)

11、輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。 u迅速：“快”是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。穩(wěn)定性穩(wěn)定性靜態(tài)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表181.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)v1.4.3 1.4.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)（1）余差C （2）衰減比n （3）最大偏差A(yù)或超調(diào)量（4）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)整時(shí)間）ts（5）峰值時(shí)間tp（6）振蕩周期T 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表191.5 1.5 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求v1.5.1 1.5.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)n1）系統(tǒng)由被控對(duì)象與系列化生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表組成。n2）被控對(duì)象復(fù)雜多樣，通用控制系統(tǒng)

12、難以設(shè)計(jì)。n3）控制方案豐富多彩，控制要求越來(lái)越高。n4）控制過(guò)程大多屬于慢變過(guò)程與參量控制。n5）定值控制系統(tǒng)是過(guò)程控制系統(tǒng)的主要形式。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表201.5 1.5 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求v1.5.2 1.5.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的要求過(guò)程控制系統(tǒng)的要求n（1）安全性 整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，人身安全和設(shè)備安全是控制系統(tǒng)中最重要和最基本的要求。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，通常采用越限報(bào)警、事故報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)等措施來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。 n（2）穩(wěn)定性 工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中存在各種各樣的干擾以及生產(chǎn)原料的變化和波動(dòng)，如何有效地抑制或減小系統(tǒng)外部干擾，保持生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計(jì)過(guò)程控制

13、系統(tǒng)的又一要求。n（3）經(jīng)濟(jì)性 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇和世界能源及原材料的匱乏，在滿足安全性和穩(wěn)定性的前提下，要求控制系統(tǒng)低成本、高效益。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表211.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件vMATLAB是是Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的英文縮寫。它是由美國(guó)英文縮寫。它是由美國(guó)Math Works公司于公司于1982年推出的一個(gè)軟件包。它從數(shù)值與矩陣運(yùn)算開(kāi)始，年推出的一個(gè)軟件包。它從數(shù)值與矩陣運(yùn)算開(kāi)始，經(jīng)過(guò)不斷更新與擴(kuò)充，已成為一個(gè)功能強(qiáng)、效率經(jīng)過(guò)不斷更新與擴(kuò)充，已成為一個(gè)功能強(qiáng)、效率高、有著完善的數(shù)值分析、強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、復(fù)高、有著完善的數(shù)

14、值分析、強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、復(fù)雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟件包；它有著一個(gè)方便實(shí)用、界面友好的、開(kāi)放件包；它有著一個(gè)方便實(shí)用、界面友好的、開(kāi)放的用戶環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行科學(xué)分析和工程的用戶環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行科學(xué)分析和工程計(jì)算。計(jì)算。 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表221.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件v1.6.1 MATLAB1.6.1 MATLAB界面簡(jiǎn)介界面簡(jiǎn)介過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表231.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件v命令窗口常用控制命令命令窗口常用控制命令 命令涵義命令涵義cd設(shè)置當(dāng)前工作目錄edit打開(kāi)M文件

15、編輯器clf清除圖形窗exit關(guān)閉/退出MATLABclc清除命令窗口的顯示內(nèi)容mkdir創(chuàng)建目錄clear清除MATLAB工作空間保存的變量quit關(guān)閉/退出MATLABdir列出指定目錄下的文件和子目錄清單type顯示指定M文件的內(nèi)容過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表241.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作n1數(shù)值的表示nMATLAB的數(shù)值采用十進(jìn)制，可以帶小數(shù)點(diǎn)或負(fù)號(hào)。 n2變量命名規(guī)定n1）變量名、函數(shù)名：字母大小寫表示不同的變量名。 n2）變量名的第一個(gè)字母必須是英文字母，最多可包含31個(gè)字符。n

16、3）變量名不得包含空格、標(biāo)點(diǎn)，但可以有下連字符。 0 -100 0.008 12.752 1.8e-6 8.2e52舉例舉例A和a表示不同的變量名 A21是合法的變量名，而3A21是不合法的變量名。 “A_b21”是合法變量名，而“A，21”是不合法的。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表251.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作n3基本運(yùn)算符數(shù)學(xué)表達(dá)式MATLAB運(yùn)算符MATLAB表達(dá)式加a+b+a+b減abab乘ab*a*b除ab/或a/b或ab冪abab過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表261.6 MATLAB1.6

17、MATLAB軟件軟件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作n4表達(dá)式nMATLAB 書(shū)寫表達(dá)式的規(guī)則與“手寫算式”幾乎完全相同。n1）表達(dá)式由變量名、運(yùn)算符和函數(shù)名組成。n2）表達(dá)式將按相同的優(yōu)先級(jí)從左向右執(zhí)行運(yùn)算。n3）優(yōu)先級(jí)規(guī)定為：指數(shù)運(yùn)算級(jí)別最高，乘除運(yùn)算次之，加減運(yùn)算級(jí)別最低。n4）括號(hào)可以改變運(yùn)算的次序。25)37(418舉例舉例過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表271.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB軟件的基本概念及操作軟件的基本概念及操作n6繪制二維圖形n（1）在二維圖形繪制中，最

18、基本的指令是plot（ ）函數(shù)。如果用戶將x和y軸的兩組數(shù)據(jù)分別在向量x和y中存儲(chǔ)，且它們的長(zhǎng)度相同，則調(diào)用該函數(shù)的格式為plot(x,y)n（2）在圖形上加注網(wǎng)格線、圖形標(biāo)題、x軸與y軸標(biāo)記繪制多條曲線時(shí)，plot（ ）的格式為 plot(x1,y1,x2,y2)grid(加網(wǎng)格線)； title(加圖形標(biāo)題)； xlabel(加x軸標(biāo)記)；y1abel(加y軸標(biāo)記)。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表28舉例輸入以下命令輸入以下命令 t=0:0.1:4 t=0:0.1:4* *pipi plot(t,sin(t) plot(t,sin(t) grid grid title( title(正弦曲線正弦曲線) xlabel(time) xlabel(time) ylabel(sin(t) ylabel(sin(t)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表291.6 MATLAB1.6 MATLAB軟件軟件v1.6.3 MATLAB1.6.3 MATLAB軟件在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例軟件在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例8848)(23ssss閉環(huán)傳遞函數(shù) 繪制該系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的MATLAB程序?yàn)閚um=8 den=1,4,8,8 step(num,den) grid onxlabel(t/s), ylabel(c(t)過(guò)