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信息科學與技術(shù)學院自動化系宿翀suchong@第1課ProcessControlEngineering課程性質(zhì)

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

我?？刂瓶茖W與工程碩士研究生復試（筆試、面試）主要內(nèi)容教學進程課程安排學時：授課48學時，

周二（1~16周）14：45-17：15教402實驗16學時（8個實驗）考核：期末閉卷考試

成績：考試70%+實驗20%+作業(yè)和考勤10%

作業(yè)：要求同學全部完成

每次抽查部分同學（按學號）每周一交作業(yè)教學進程自動化技術(shù)發(fā)展概況早期一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南車（中國西漢時期-開環(huán)前饋）、各種天文儀器。十八世紀：風車定向裝置（1750年），蒸汽機調(diào)速裝置（1784年）

30年代~黑箱子時期：憑經(jīng)驗，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、氣動①化工動態(tài)學（建立數(shù)學模型）②計算機發(fā)展③PID控制和復雜控制：(串級、比值、前饋、均勻、選擇等）④全局設(shè)計觀念教學進程70年代~微電子技術(shù)的發(fā)展--〉計算機控制DDC（DirectDigitalControl)DCS(DistributedControlSystem)PID控制及高級算法：推斷，預測，自適應，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)絡控制、專家控制、遺傳算法、灰色理論教學進程自動化技術(shù)發(fā)展概況生產(chǎn)過程自動控制（簡稱過程控制）-------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)過程的具體應用，是自動化技術(shù)的重要組成部分。過程控制教學進程過程控制發(fā)展的特點●任務的需要、理論的開拓、技術(shù)手段的進展●一門綜合性的技術(shù)

教學進程本課程的研究對象與任務控制理論儀表與計算機過程控制系統(tǒng)化學工程與工藝綜合與分析任務：生產(chǎn)過程自控方案的設(shè)計兩個環(huán)節(jié)：實驗、工程設(shè)計教學進程●過程（Process）--生產(chǎn)過程基本概念歷經(jīng)一段時間一般工業(yè)生產(chǎn)伴隨物質(zhì)能量變化●過程（Process）的特點連續(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)教學進程●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、化學成分（如含氧量）、物性參數(shù)（如粘度、融溶指數(shù)）等變量而實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，稱為過程控制?！癖豢貐?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，冰點等）教學進程●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

教學進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)的投運和整定 實驗：單回路控制系統(tǒng)連接、投運和整定、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)的投運和整定 實驗：單回路控制系統(tǒng)連接、投運和整定、質(zhì)量研究第1章教學進程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：簡單、有效、應用最成熟、最普遍---占70%以上教學進程例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)壓器溫度計教學進程●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)壓器恒溫箱眼睛實際溫度溫度計教學進程教學進程●恒溫箱自動控制調(diào)節(jié)過程

●恒溫箱實際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應的電壓u2●恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度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)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u＝0，電機停止轉(zhuǎn)動。恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理：1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成教學進程例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；教學進程工作過程：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。教學進程1.1單回路