第1章單回路反饋控制系統(tǒng)1

過程控制工程緒論北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系宿翀suchong@第1課ProcessControlEngineering課程性質(zhì)

控制理論與控制工程學(xué)科主干課程生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域最重要專業(yè)課

我校控制科學(xué)與工程碩士研究生復(fù)試（筆試、面試）主要內(nèi)容教學(xué)進(jìn)程課程安排學(xué)時(shí)：授課48學(xué)時(shí)，

周二（1~16周）14：45-17：15教402實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)（8個(gè)實(shí)驗(yàn)）考核：期末閉卷考試

成績：考試70%+實(shí)驗(yàn)20%+作業(yè)和考勤10%

作業(yè)：要求同學(xué)全部完成

每次抽查部分同學(xué)（按學(xué)號）每周一交作業(yè)教學(xué)進(jìn)程自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展概況早期一千多年前：銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南車（中國西漢時(shí)期-開環(huán)前饋）、各種天文儀器。十八世紀(jì)：風(fēng)車定向裝置（1750年），蒸汽機(jī)調(diào)速裝置（1784年）

30年代~黑箱子時(shí)期：憑經(jīng)驗(yàn)，配儀表(經(jīng)典控制理論1代+2代)1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》50年代~儀表化階段：發(fā)展儀表硬件，基地式儀表（控制系統(tǒng)）主要是單回路控制系統(tǒng)W.R.Evans提出根軌跡法，錢學(xué)森發(fā)表《工程控制論》60年代~發(fā)展階段（現(xiàn)代控制理論，第3代）單元組合儀表，電動(dòng)、氣動(dòng)①化工動(dòng)態(tài)學(xué)（建立數(shù)學(xué)模型）②計(jì)算機(jī)發(fā)展③PID控制和復(fù)雜控制：(串級、比值、前饋、均勻、選擇等）④全局設(shè)計(jì)觀念教學(xué)進(jìn)程70年代~微電子技術(shù)的發(fā)展--〉計(jì)算機(jī)控制DDC（DirectDigitalControl)DCS(DistributedControlSystem)PID控制及高級算法：推斷，預(yù)測，自適應(yīng)，最優(yōu)大系統(tǒng)理論（第4代）80年代~多級優(yōu)化控制CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)CIPS(ComputerIntegratedProcessSystem)FCS(Field-busControlSystem)智能控制理論（第4代）：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、遺傳算法、灰色理論教學(xué)進(jìn)程自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展概況生產(chǎn)過程自動(dòng)控制（簡稱過程控制）-------自動(dòng)控制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、輕工、紡織等生產(chǎn)過程的具體應(yīng)用，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。過程控制教學(xué)進(jìn)程過程控制發(fā)展的特點(diǎn)●任務(wù)的需要、理論的開拓、技術(shù)手段的進(jìn)展●一門綜合性的技術(shù)

教學(xué)進(jìn)程本課程的研究對象與任務(wù)控制理論儀表與計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)化學(xué)工程與工藝綜合與分析任務(wù)：生產(chǎn)過程自控方案的設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)程●過程（Process）--生產(chǎn)過程基本概念歷經(jīng)一段時(shí)間一般工業(yè)生產(chǎn)伴隨物質(zhì)能量變化●過程（Process）的特點(diǎn)連續(xù)過程(ContinuousProcess)批量（間歇）過程(BatchProcess)離散過程(DiscreteProcess)流程工業(yè)(FlowManufacturingIndustry)離散制造業(yè)(DiscreteIndustry)混合型工業(yè)過程/混雜系統(tǒng)(HybridSystem)教學(xué)進(jìn)程●過程控制(ProcessControl）針對連續(xù)或半連續(xù)（間歇）過程中的溫度、壓力、流量、液（物）位、化學(xué)成分（如含氧量）、物性參數(shù)（如粘度、融溶指數(shù)）等變量而實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱為過程控制。●被控參數(shù)種類基本概念溫度壓力流量液位成分（氧含量，產(chǎn)品組份等）物性（粘度，干點(diǎn)，冰點(diǎn)等）教學(xué)進(jìn)程●過程控制領(lǐng)域基本概念石油化工：輸油，煉油，乙烯，合成橡膠，合成氨電力：火電廠冶金：冶金加熱爐，熱處理爐生化：啤酒，制藥輕工：食品，漂染環(huán)境：水處理，大氣監(jiān)測其它：農(nóng)業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)我國的控制工程相對落后

教學(xué)進(jìn)程單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn)：單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn)：單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章教學(xué)進(jìn)程1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成●單回路反饋控制系統(tǒng)

四個(gè)基本環(huán)節(jié)：被控對象、測量變送、控制器和控制閥反饋控制中的最基本系統(tǒng)特點(diǎn)：簡單、有效、應(yīng)用最成熟、最普遍---占70%以上教學(xué)進(jìn)程例1：恒溫箱的人工控制1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成人工控制的恒溫箱

加熱電阻絲~220V調(diào)壓器溫度計(jì)教學(xué)進(jìn)程●觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）●與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度偏差的大小和方向●根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值●人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程

1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成人工控制過程的實(shí)質(zhì)：檢測偏差，調(diào)節(jié)操縱變量，縮小偏差期望溫度大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實(shí)際溫度溫度計(jì)教學(xué)進(jìn)程教學(xué)進(jìn)程●恒溫箱自動(dòng)控制調(diào)節(jié)過程

●恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u2●恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號u＝u1u2●溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u＝0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成教學(xué)進(jìn)程例2：水槽液位控制系統(tǒng)LCF1F2F1F21.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成F1增加→L增加→變送器輸出信號增加→偏差（測量值-設(shè)定值）為正、增加→控制器輸出增加→閥開度增加→F2增加→L降低；教學(xué)進(jìn)程工作過程：1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成控制器控制閥被控對象測量變送偏差給定測量液位●給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號）?！癖豢刂屏课挥谙到y(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量?！?/p>

輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。教學(xué)進(jìn)程1.1單回路