過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件

《過程控制與自動(dòng)化儀表》西安理工大學(xué)楊延西2017制作《過程控制與自動(dòng)化儀表》西安理工大學(xué)楊延西2017制目錄:第1章緒論第2章過程參數(shù)的檢測與變送第3章過程控制儀表第4章被控過程的數(shù)學(xué)模型第5章簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第6章常用高性能過程控制系統(tǒng)第7章實(shí)現(xiàn)特殊工藝要求的過程控制系統(tǒng)第8章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)第9章基于網(wǎng)絡(luò)的過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第10章典型生產(chǎn)過程控制與工程設(shè)計(jì)目錄:第1章緒論主要參考書施仁，《自動(dòng)化儀表與過程控制》電子工業(yè)出版社，2003潘永湘，《過程控制與自動(dòng)化儀表》機(jī)械工業(yè)出版社，2007歷玉鳴，《化工儀表與自動(dòng)化》化學(xué)工業(yè)出版社，2003馬昕，《深入淺出過程控制—小鍋帶你學(xué)過控》高等教育出版社，2013戴連奎等，《過程控制工程》化學(xué)工業(yè)出版社，2012

主要參考書

本章要點(diǎn)1）掌握過程控制的概念、要求和任務(wù)，了解過程控制的發(fā)展?fàn)顩r；2）掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、類型及其性能指標(biāo)；3）了解過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和儀表的類型與發(fā)展；4）掌握儀表的信號制及防爆系統(tǒng)的構(gòu)成。本章要點(diǎn)1）掌握過程控制的概念、要求和任務(wù)，電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)

電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖

①─煤斗；②─給煤機(jī)；③─磨煤機(jī)；④─空氣預(yù)熱器；⑤─排粉風(fēng)機(jī)；⑥─燃燒器；⑦─爐膛；⑧─水冷壁；⑨─屏式過熱器；⑩─高溫過熱器；⑾─低溫過熱器；⑿─省煤器；⒀─除塵器；⒁─吸風(fēng)機(jī)；⒂─煙囪；⒃─送風(fēng)機(jī)；⒄─汽包；⒅─下降管；⒆─頂棚過熱器；⒇─排渣室

電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖①─煤斗；②─給煤機(jī)；③─磨煤電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖

電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件直拉單晶爐工藝

直拉單晶爐工藝直拉單晶模擬演示直拉單晶模擬演示太陽能光熱發(fā)電過程太陽能光熱發(fā)電過程第1章緒論過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。

連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。例如室內(nèi)溫度的控制。第1章緒論過程控制（Processco圖1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時(shí)觀察溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

動(dòng)手送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計(jì)閥門圖1室溫人工控制示意圖圖1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實(shí)測溫度信號和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差),并按偏差值計(jì)算出控制量。動(dòng)手——人工調(diào)整閥門開口，執(zhí)行器完成控制器命令。人工控制受制于人的經(jīng)驗(yàn)和注意力，控制不精確。而自動(dòng)控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計(jì)算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂?。眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。過程控制系統(tǒng)的定義：

為實(shí)現(xiàn)對某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)整體。圖2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人。回風(fēng)恒溫室23送風(fēng)熱水M回水41圖2室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT過程控制系統(tǒng)的定義：圖2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)原理。如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。溫度給定值房間溫度干擾f

控制器溫度變送器調(diào)節(jié)閥加熱器及房間

+e實(shí)測值－一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)原理。溫度給定用通用名稱表示為：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統(tǒng)原理方框圖用通用名稱表示為：給定值被控變量（1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；（2）控制參數(shù)（亦稱操作變量、控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；（3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；（4）設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對應(yīng)的設(shè)定值；（5）反饋值z(t)：被控參數(shù)經(jīng)測量變送后的實(shí)際測量值；（6）偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。過程控制系統(tǒng)的組成（1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：1.1過程控制的特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1．控制對象復(fù)雜、控制要求多樣；2．控制方案豐富；3．控制對象大多屬于慢過程；4．大多數(shù)工藝要求定值控制；5．大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測、控制儀表及裝置。1.1過程控制的特點(diǎn)1.2過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1．局部自動(dòng)化階段（20世紀(jì)50～60年代）自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。1.2過程控制的發(fā)展概況自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只特點(diǎn)：自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2．模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代）特點(diǎn)：2．模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代）渭河電廠渭河電廠巴基斯坦賈姆肖羅電廠

巴基斯坦賈姆肖羅電廠哈爾濱伊蘭煤氣哈爾濱伊蘭煤氣3．集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。最初，人們設(shè)想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。

3．集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件隨著CPU進(jìn)入檢測儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。隨著CPU進(jìn)入檢測儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件巢湖電廠目前運(yùn)行室巢湖電廠目前運(yùn)行室蘭州石化蘭州石化過程控制實(shí)驗(yàn)室過程控制實(shí)驗(yàn)室1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID

（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善。1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Rosemount、Honeywell等公司?，F(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1.3過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分:溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分:模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按控制器類型來分:常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。1.3過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設(shè)定值恒定不變。2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)——設(shè)定值隨時(shí)可能變化。3）程序控制系統(tǒng)——設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－1.按設(shè)定值的形式分類給定值被控變量干擾f控制器變送2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類給定值被控變量干擾f控制器變2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象變送器2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖被控量3）復(fù)合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖3）復(fù)合控制系統(tǒng)給定值被控變量干擾f控制器1變送器1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。t0y1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)t0y1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，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(gè)環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒有改變。靜態(tài)特性—靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。

靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)態(tài)—把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過渡過程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時(shí)，被控變量就會(huì)發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動(dòng)態(tài)特性—在動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)態(tài)—把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動(dòng)態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實(shí)測值－1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機(jī)的。但在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。?1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時(shí)，階躍上升幅度為A，其后保持。表達(dá)為

f(t)=

Au(t)Atf（t）階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動(dòng)，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0θa②0θa在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸變大，離給定值越來越遠(yuǎn)。④t0θa③θa0t③等幅振蕩過程④t0θa③θa0t過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時(shí)間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)過程的過渡過程較慢，被控變量長時(shí)間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動(dòng)的情況下才采用。過渡過程的分類（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達(dá)到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到這種效果。（2）不穩(wěn)定過渡過程

1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)對控制系統(tǒng)的性能評價(jià)，是根據(jù)工藝對控制過程結(jié)果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程曲線是評價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－干擾階躍響應(yīng)t0y干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值被控變量干擾f控制給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－給定階躍響應(yīng)0ty給定值被控變量干擾f控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測1.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評價(jià)。

控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，而偏差積分性能指標(biāo)則是一種綜合性指標(biāo)。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。1.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)1）衰減比n和衰減率ψ設(shè)第一個(gè)波峰值為y1、第二個(gè)波峰值為y2圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt1）衰減比n和衰減率ψ設(shè)第一個(gè)波峰值為y1、第二個(gè)波峰值為衰減比n和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。試驗(yàn)證明：衰減比在4:1到10:1之間時(shí)，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系：n=4:1~10:1就相當(dāng)于ψ

=75%～90%yry1y2Cy(∞)TpTSTt衰減比n和衰減率ψ是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。n大于1，最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。2）最大動(dòng)態(tài)偏差y1和超調(diào)量σ最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離穩(wěn)態(tài)值的最大程度。即:y1

=ymax

-y(∞)

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。2）最大動(dòng)態(tài)偏差y1有時(shí)也采用超調(diào)量σ來表示被控參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)值的程度，σ的定義是第一個(gè)波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt有時(shí)也采用超調(diào)量σ來表示被控參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)值3）余差C過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。C=r-y(∞)圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt3）余差CC=r-y(∞)圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值4）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2y(∞)TpTSTt4）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期T，其倒數(shù)稱為振蕩頻率f=1/T圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2y(∞)TpTSTt調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖1.3閉另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過渡過程

[例]

某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間。

解：最大偏差Y1=230-205=25℃余差C=200-205=-5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=5:1[例]某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃振蕩周期T

=20–5=15（min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)Ts=22min振蕩周期T=20–5=15（min）

控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)穩(wěn)定性衰減比n=4:1~10:1最佳

準(zhǔn)確性余差C小好最大偏差Y1小好快速性

過渡時(shí)間Ts短好

振蕩周期T短好各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會(huì)使過渡時(shí)間變長。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)2.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分單項(xiàng)指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時(shí)間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)指標(biāo)就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt2.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分圖1.3閉環(huán)tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(∞)-

y(t)不能表達(dá)余差e(t)=y(r)-y(t)

如有余差則積分無窮大tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：①偏差積分IE（IntegralofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt缺點(diǎn)：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值②絕對偏差積分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt

排除了正負(fù)偏差抵消的可能。②絕對偏差積分IAE圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）對大偏差敏感

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1④時(shí)間與絕對偏差乘積積分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

對調(diào)節(jié)時(shí)間敏感，對初始偏差不敏感，而對后期

偏差非常敏感圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt④時(shí)間與絕對偏差乘積積分ITAE對調(diào)節(jié)時(shí)間敏感，對圖1.3

1.3.2.4影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。

給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－1.3.2.4影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素給定值被控1.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1.確定控制目標(biāo)

1）熱油出口溫度穩(wěn)定；

2）出口溫度與煙道氣含氧量穩(wěn)定；

3）溫度穩(wěn)定與熱效率最高。2.選擇被控參數(shù)直接參數(shù)與間接參數(shù)3選擇控制量燃料油流量與冷油流量→出口溫度擋板開度與送風(fēng)擋板→含氧量4.確定控制方案簡單與復(fù)雜、單輸入與多輸入、最優(yōu)控制5.選擇控制策略

PID、高級過程控制6.選擇執(zhí)行器氣動(dòng)與電動(dòng)7.設(shè)計(jì)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)高、低限值；加熱爐停車程序：停燃油泵→關(guān)燃油閥→停引風(fēng)機(jī)→切斷熱油閥8.工程化設(shè)計(jì)9.系統(tǒng)投運(yùn)、調(diào)試和整定參數(shù)1.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1.5自動(dòng)化儀表概述1.5.1自動(dòng)化儀表的分類及發(fā)展1.按安裝場地分：一次儀表，二次儀表（現(xiàn)場就地安裝的儀表簡稱一次儀表，將盤裝的顯示儀表簡稱二次儀表）

2.按能源分：液動(dòng)，氣動(dòng)和電動(dòng)3.按信號類型分：模擬式和數(shù)字式4.按結(jié)構(gòu)形式分：基地式和單元組合式（圖1－8）、組裝式、集中/分散式)電動(dòng)單元組合式儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)1.5自動(dòng)化儀表概述1.按安裝場地分：一次儀表，二次儀表（2）電動(dòng)儀表（4~20mA，1~5V;直流電壓與電流的優(yōu)點(diǎn)：無感應(yīng)、無相

移、易轉(zhuǎn)換、易獲基準(zhǔn)）2）安全火花型防爆等級：30VDC;最小引爆電流（表1－1）1.5.2自動(dòng)化儀表的信號制與能源供給1.模擬儀表的信號制

1）氣動(dòng)儀表：0.02~0.1MPa的模擬氣壓信號2.數(shù)字式儀表的通信標(biāo)準(zhǔn)（不統(tǒng)一；內(nèi)容：信息格式、編碼方式、信號發(fā)送與接收、接口標(biāo)準(zhǔn)等）3.能源供給：交流和直流直流集中供電的優(yōu)點(diǎn)：1）體積↓、重量↓、溫升↓

2）防停電能力↑3）無交流，易于防爆1.5.3防爆儀表與防爆系統(tǒng)1.安全防爆的基本概念

1）防爆性能：本質(zhì)安全與非本質(zhì)安全；2）電動(dòng)儀表（4~20mA，1~5V;直流電壓與電流的優(yōu)點(diǎn)：2.安全火花型防爆系統(tǒng)（圖1－9）條件:現(xiàn)場儀表為安全火花型；安全防爆柵隔離。表1-1爆炸性混合物最小引爆電流的等級如DDZ-Ⅲ型儀表防爆等級為“HⅢe”：“H”-安全火花型；“Ⅲ”－最小引爆電流為Ⅲ級，即低于70mA；e-周圍氣體自燃溫度為100℃，低于此溫度，即可保證在e組氣體中不自燃起爆。2.安全火花型防爆系統(tǒng)（圖1－9）表1-1爆炸性混合物本章小結(jié)1、過程控制的特點(diǎn)2、過程控制系統(tǒng)的組成3、過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)4、過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程5、自動(dòng)化儀表分類6、自動(dòng)化儀表的信號制7、安全防暴儀表及系統(tǒng)本章小結(jié)1、過程控制的特點(diǎn)思考題1.過程控制系統(tǒng)的組成及每一部分的作用。4.過程控制系統(tǒng)的分類及各系統(tǒng)的特點(diǎn)。2.試分析電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制工作原理。3.過程控制系統(tǒng)的常用術(shù)語（被控制量、控制量和給定值等，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)分析）。5.過程控制系統(tǒng)常用的性能指標(biāo)（靜態(tài)偏差、超調(diào)量、衰減率、過程時(shí)間等）。思考題1.過程控制系統(tǒng)的組成及每一部分的作用。4.過程控制系本章結(jié)束謝謝！本章結(jié)束《過程控制與自動(dòng)化儀表》西安理工大學(xué)楊延西2017制作《過程控制與自動(dòng)化儀表》西安理工大學(xué)楊延西2017制目錄:第1章緒論第2章過程參數(shù)的檢測與變送第3章過程控制儀表第4章被控過程的數(shù)學(xué)模型第5章簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第6章常用高性能過程控制系統(tǒng)第7章實(shí)現(xiàn)特殊工藝要求的過程控制系統(tǒng)第8章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)第9章基于網(wǎng)絡(luò)的過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第10章典型生產(chǎn)過程控制與工程設(shè)計(jì)目錄:第1章緒論主要參考書施仁，《自動(dòng)化儀表與過程控制》電子工業(yè)出版社，2003潘永湘，《過程控制與自動(dòng)化儀表》機(jī)械工業(yè)出版社，2007歷玉鳴，《化工儀表與自動(dòng)化》化學(xué)工業(yè)出版社，2003馬昕，《深入淺出過程控制—小鍋帶你學(xué)過控》高等教育出版社，2013戴連奎等，《過程控制工程》化學(xué)工業(yè)出版社，2012

主要參考書

本章要點(diǎn)1）掌握過程控制的概念、要求和任務(wù)，了解過程控制的發(fā)展?fàn)顩r；2）掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、類型及其性能指標(biāo)；3）了解過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和儀表的類型與發(fā)展；4）掌握儀表的信號制及防爆系統(tǒng)的構(gòu)成。本章要點(diǎn)1）掌握過程控制的概念、要求和任務(wù)，電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)

電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖

①─煤斗；②─給煤機(jī)；③─磨煤機(jī)；④─空氣預(yù)熱器；⑤─排粉風(fēng)機(jī)；⑥─燃燒器；⑦─爐膛；⑧─水冷壁；⑨─屏式過熱器；⑩─高溫過熱器；⑾─低溫過熱器；⑿─省煤器；⒀─除塵器；⒁─吸風(fēng)機(jī)；⒂─煙囪；⒃─送風(fēng)機(jī)；⒄─汽包；⒅─下降管；⒆─頂棚過熱器；⒇─排渣室

電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖①─煤斗；②─給煤機(jī)；③─磨煤電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖

電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡圖過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件直拉單晶爐工藝

直拉單晶爐工藝直拉單晶模擬演示直拉單晶模擬演示太陽能光熱發(fā)電過程太陽能光熱發(fā)電過程第1章緒論過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。

連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。例如室內(nèi)溫度的控制。第1章緒論過程控制（Processco圖1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時(shí)觀察溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

動(dòng)手送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計(jì)閥門圖1室溫人工控制示意圖圖1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實(shí)測溫度信號和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差),并按偏差值計(jì)算出控制量。動(dòng)手——人工調(diào)整閥門開口，執(zhí)行器完成控制器命令。人工控制受制于人的經(jīng)驗(yàn)和注意力，控制不精確。而自動(dòng)控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計(jì)算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤Ｑ劭础脗鞲衅骰蜃兯推鲗囟刃盘栟D(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。過程控制系統(tǒng)的定義：

為實(shí)現(xiàn)對某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)整體。圖2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人?；仫L(fēng)恒溫室23送風(fēng)熱水M回水41圖2室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT過程控制系統(tǒng)的定義：圖2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)原理。如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。溫度給定值房間溫度干擾f

控制器溫度變送器調(diào)節(jié)閥加熱器及房間

+e實(shí)測值－一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)原理。溫度給定用通用名稱表示為：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統(tǒng)原理方框圖用通用名稱表示為：給定值被控變量（1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；（2）控制參數(shù)（亦稱操作變量、控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；（3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；（4）設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對應(yīng)的設(shè)定值；（5）反饋值z(t)：被控參數(shù)經(jīng)測量變送后的實(shí)際測量值；（6）偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。過程控制系統(tǒng)的組成（1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：1.1過程控制的特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1．控制對象復(fù)雜、控制要求多樣；2．控制方案豐富；3．控制對象大多屬于慢過程；4．大多數(shù)工藝要求定值控制；5．大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測、控制儀表及裝置。1.1過程控制的特點(diǎn)1.2過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1．局部自動(dòng)化階段（20世紀(jì)50～60年代）自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。1.2過程控制的發(fā)展概況自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只特點(diǎn)：自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2．模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代）特點(diǎn)：2．模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代）渭河電廠渭河電廠巴基斯坦賈姆肖羅電廠

巴基斯坦賈姆肖羅電廠哈爾濱伊蘭煤氣哈爾濱伊蘭煤氣3．集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。最初，人們設(shè)想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。

3．集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件隨著CPU進(jìn)入檢測儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。隨著CPU進(jìn)入檢測儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件過程控制與自動(dòng)化儀表(第3版)第1章課件巢湖電廠目前運(yùn)行室巢湖電廠目前運(yùn)行室蘭州石化蘭州石化過程控制實(shí)驗(yàn)室過程控制實(shí)驗(yàn)室1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID

（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善。1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Rosemount、Honeywell等公司。現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1.3過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分:溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分:模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按控制器類型來分:常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。1.3過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設(shè)定值恒定不變。2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)——設(shè)定值隨時(shí)可能變化。3）程序控制系統(tǒng)——設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－1.按設(shè)定值的形式分類給定值被控變量干擾f控制器變送2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類給定值被控變量干擾f控制器變2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象變送器2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖被控量3）復(fù)合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖3）復(fù)合控制系統(tǒng)給定值被控變量干擾f控制器1變送器1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。t0y1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)t0y1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，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(gè)環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒有改變。靜態(tài)特性—靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。

靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)態(tài)—把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過渡過程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時(shí)，被控變量就會(huì)發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動(dòng)態(tài)特性—在動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)態(tài)—把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動(dòng)態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實(shí)測值－1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機(jī)的。但在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。?1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時(shí)，階躍上升幅度為A，其后保持。表達(dá)為

f(t)=

Au(t)Atf（t）階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動(dòng)，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0θa②0θa在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸變大，離給定值越來越遠(yuǎn)。④t0θa③θa0t③等幅振蕩過程④t0θa③θa0t過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時(shí)間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)過程的過渡過程較慢，被控變量長時(shí)間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動(dòng)的情況下才采用。過渡過程的分類（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達(dá)到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到這種效果。（2）不穩(wěn)定過渡過程

1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)對控制系統(tǒng)的性能評價(jià)，是根據(jù)工藝對控制過程結(jié)果的要求來衡量的。控制系統(tǒng)的過渡過程曲線是評價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－干擾階躍響應(yīng)t0y干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值被控變量干擾f控制給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測值－給定階躍響應(yīng)0ty給定值被控變量干擾f控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實(shí)測1.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評價(jià)。

控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，而偏差積分性能指標(biāo)則是一種綜合性指標(biāo)。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。1.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)1）衰減比n和衰減率ψ設(shè)第一個(gè)波峰值為y1、第二個(gè)波峰值為y2圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt1）衰減比n和衰減率ψ設(shè)第一個(gè)波峰值為y1、第二個(gè)波峰值為衰減比n和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。試驗(yàn)證明：衰減比在4:1到10:1之間時(shí)，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系：n=4:1~10:1就相當(dāng)于ψ

=75%～90%yry1y2Cy(∞)TpTSTt衰減比n和衰減率ψ是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。n大于1，最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。2）最大動(dòng)態(tài)偏差y1和超調(diào)量σ最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離穩(wěn)態(tài)值的最大程度。即:y1

=ymax

-y(∞)

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。2）最大動(dòng)態(tài)偏差y1有時(shí)也采用超調(diào)量σ來表示被控參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)值的程度，σ的定義是第一個(gè)波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt有時(shí)也采用超調(diào)量σ來表示被控參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)值3）余差C過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。C=r-y(∞)圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt3）余差CC=r-y(∞)圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值4）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2y(∞)TpTSTt4）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期T，其倒數(shù)稱為振蕩頻率f=1/T圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2y(∞)TpTSTt調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖1.3閉另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞)TpTSTt另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過渡過程

[例]

某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間。

解：最大偏差Y1=230-205=25℃余差C=200-205=-5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=5:1[例]某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃振蕩周期T

=20–5=15（min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)Ts=22min振蕩周期T=20–5=15（min）

控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)穩(wěn)定性衰減比n=4:1~10:1最佳

準(zhǔn)確性余差C小好最大偏差Y1小好快速性

過渡時(shí)間Ts短好

振蕩周期T短好各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會(huì)使過渡時(shí)間變長。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證?？刂葡到y(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)2.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分單項(xiàng)指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時(shí)間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)指標(biāo)就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2Cy(∞