第1章 過程裝備控制綜述課件

主講：王慶過程裝備控制東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院真空與流體工程研究所課程性質(zhì):自動化技術(shù)在過程裝備的應(yīng)用(考試課)對象:過程裝備與控制專業(yè)本科48學(xué)時：授課40學(xué)時，實驗4學(xué)時（2個實驗）考核：期末閉卷考試成績：考試80%+實驗20%

課程特點課程內(nèi)容涵面廣自動控制原理檢測技術(shù)控制儀表及裝置過程計算機控制真空與化工過程控制實例集散控制系統(tǒng)內(nèi)容以敘述性為主，理論推導(dǎo)較少化工儀表及自動化例題習(xí)題集厲玉鳴化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)過程儀表與控制陳詩濤輕工業(yè)出版社自動控制原理 李友善國防工業(yè)出版社 化工測量儀表 盛克仁化學(xué)工業(yè)出版社控制儀表及裝置吳勤勤化學(xué)工業(yè)出版社控制儀表與裝置 向婉成機械工業(yè)出版社化工過程控制工程 王驥程化學(xué)工業(yè)出版社過程控制工程邵裕森機械工業(yè)出版社計算機過程控制系統(tǒng)劉寶坤機械工業(yè)出版社過程計算機控制 王錦標(biāo)清華大學(xué)出版社參考文獻第1章1.1自動控制概述過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點生產(chǎn)過程自動控制

自動控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中起著十分重要的作用，自動控制水平的高低也是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)先進與否的重要標(biāo)志之一。隨著國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的發(fā)展，自動控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，其重要作用也越來越顯著。生產(chǎn)過程自動控制（簡稱過程控制）是自動控制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機械、輕工、紡織等生產(chǎn)過程的具體應(yīng)用，是自動化技術(shù)的重要組成部分。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)40年代手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程。20世紀(jì)40年代末～50年代過程控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)自動化儀表：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動Ⅰ

型和電動Ⅰ型）；控制理論：以反饋為中心的經(jīng)典控制理論過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點20世紀(jì)60年代：過程控制系統(tǒng)：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)。自動化儀表：單元組合儀表（氣動Ⅱ型和電動Ⅱ型）成為主流產(chǎn)品。60年代后期，出現(xiàn)了專門用于過程控制的小型計算機，直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域?？刂评碚摚撼霈F(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為基本特征的現(xiàn)代控制理論,傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域?？刂评碚摚盒纬闪舜笙到y(tǒng)理論和智能控制理論。模糊控制、專家系統(tǒng)控制、模式識別技術(shù)20世紀(jì)70～80年代過程控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、模糊控制自動化儀表：氣動Ⅲ型和電動Ⅲ型，以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器(PLC)、工業(yè)PC機、和數(shù)字控制器等，已成為控制裝置的主流。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點控制理論：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制20世紀(jì)90年代至今：信息技術(shù)飛速發(fā)展過程控制系統(tǒng)：管控一體化現(xiàn)場，綜合自動化是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制的發(fā)展方向。自動化儀表：總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革?，F(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、無紙紀(jì)錄儀過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點過程控制系統(tǒng)特點生產(chǎn)過程的連續(xù)性

在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過程都是以長期的或間歇形式運行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動的影響。被控過程的復(fù)雜性過程控制涉及范圍廣，被控對象較復(fù)雜

控制方案的多樣性

過程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富自動化技術(shù)的應(yīng)用范疇

宇航方面：同步衛(wèi)星（隨動控制系統(tǒng)）衛(wèi)星的發(fā)射與回收（神州5號飛船，航天飛機）自動關(guān)機、點火系統(tǒng)軍事方面： 火炮自動點火、巡航導(dǎo)彈其他方面：農(nóng)業(yè)（病蟲害防治、專家系統(tǒng)） 社會科學(xué)（計劃生育，人口增長模型）現(xiàn)代管理：辦公自動化工業(yè)生產(chǎn)：自動車床、加熱爐、發(fā)酵罐自動操縱及自動開停車系統(tǒng) 自動操縱系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進行某種周期性操作 自動開停車系統(tǒng)：按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過程自動的投入運行或自動停車自動控制系統(tǒng)：利用自動控制裝置對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進行自動控制，使他們在受到外界擾動的影響而偏離正常狀態(tài)時，能自動的回到規(guī)定范圍。過程控制的主要內(nèi)容

過程控制系統(tǒng)的組成

過程控制系統(tǒng)檢測元件（裝置）控制器執(zhí)行器（裝置）檢測被控制的物理量將設(shè)定值與測量信號進行比較，求出它們之間的偏差,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進行計算并將計算結(jié)果作為控制信號送給執(zhí)行裝置作用是接受控制器的控制信號，直接推動被控對象，使被控變量發(fā)生變化被控對象要控制的的具體設(shè)備如加熱爐，反應(yīng)器過程控制系統(tǒng)的表示形式方框圖方框、信號線、比較點、引出點組成控制系統(tǒng)或系統(tǒng)中每個環(huán)節(jié)的功能和信號流向的圖解表示

帶有輸入輸出信號的方框比較點分支點

繪制方框圖注意事項過程控制系統(tǒng)的表示形式通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端反饋負(fù)反饋正反饋過程控制系統(tǒng)的主要類型

閉環(huán)控制系統(tǒng)指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點：不管任何擾動引起被控變量偏離設(shè)定值，都會產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點：由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。過程控制系統(tǒng)的主要類型

閉環(huán)控制系統(tǒng)分類根據(jù)設(shè)定值分為定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)特點：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

作用：克服擾動的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上過程控制系統(tǒng)的主要類型隨動控制系統(tǒng)特點：設(shè)定值是一個未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。放大器被測電壓ut可逆電機指示記錄儀滑線電阻Eup

作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化自動平衡電位差計的方框圖過程控制系統(tǒng)的主要類型程序控制系統(tǒng)特點：設(shè)定值是變化的，且按一定時間程序變化的時間函數(shù)程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動控制系統(tǒng)的特殊情況，其分析研究方法與隨動控制系統(tǒng)相同。

作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求常見典型信號階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。階躍信號A

0t≥0

t<0數(shù)學(xué)表達式為：當(dāng)A=1時稱為單位階躍信號。特點易產(chǎn)生對系統(tǒng)輸出影響大便于分析和計算在階躍信號作用下，被控變量隨時間的變化有以下幾種形式y(tǒng)tt①yt②yt③yt④yt⑤1.發(fā)散振蕩過程——曲線①所示5.非振蕩發(fā)散過程——曲線⑤所示3.等幅振蕩過程——曲線③所示4.衰減振蕩過程——曲線④所示2.非振蕩衰減過程——曲線②所示過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求評價方法：1階躍響應(yīng)曲線的性能指標(biāo)2偏差積分性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求階躍響應(yīng)曲線的性能指標(biāo)余差（靜態(tài)偏差）C指系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的唯一指標(biāo)一般要求余差不超過預(yù)定值或為零。衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標(biāo)。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。

衰減比n=B1/B2控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)示意圖根據(jù)實際操作經(jīng)驗，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，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：U=(B1-B2)/B1衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發(fā)散振蕩。n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，最大偏差A(yù)（或超調(diào)量σ）最大偏差A(yù)是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差超調(diào)量：過渡過程時間ts

指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。一般要求ts愈短愈好。振蕩頻率（或振蕩周期）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)稱為振蕩頻率。某換熱器的溫度調(diào)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。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、振蕩周期、過渡時間（設(shè)定值為200℃）。(℃)(1)最大偏差：(3)衰減比：(2)余差：(℃)(℃),(℃)第一個波的峰值第二個波的峰值衰減比(5)過渡時間：(4)振蕩周期：過渡時間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為(℃)那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可。因此，過渡過程為22min.性能指標(biāo)之間的關(guān)系有些是相互矛盾的（如超調(diào)量與過渡過程時間）對于不同的控制系統(tǒng)，這些性能指標(biāo)各有其重