第一章 過(guò)程控制系統(tǒng)基本概念ppt

1、 課程特點(diǎn)課程特點(diǎn) 課程內(nèi)容涵面廣課程內(nèi)容涵面廣 自動(dòng)控制原理 檢測(cè)技術(shù) 控制儀表及裝置 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制 化工過(guò)程控制工程 集散控制系統(tǒng) 內(nèi)容以敘述性為主，理論推導(dǎo)較少內(nèi)容以敘述性為主，理論推導(dǎo)較少 化工儀表及自動(dòng)化例題習(xí)題集化工儀表及自動(dòng)化例題習(xí)題集 厲玉鳴厲玉鳴 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 工業(yè)過(guò)程儀表與控制工業(yè)過(guò)程儀表與控制 陳詩(shī)濤陳詩(shī)濤 輕工業(yè)出版社輕工業(yè)出版社 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 李友善李友善 國(guó)防工業(yè)出版社國(guó)防工業(yè)出版社 化工測(cè)量?jī)x表化工測(cè)量?jī)x表 盛克仁盛克仁 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 控制儀表及裝置控制儀表及裝置 吳勤勤吳勤勤 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 化工過(guò)程控

2、制工程化工過(guò)程控制工程 王驥程王驥程 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 過(guò)程控制工程過(guò)程控制工程 邵裕森邵裕森 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng) 劉寶坤劉寶坤 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制過(guò)程計(jì)算機(jī)控制 王錦標(biāo)王錦標(biāo) 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 第一章 過(guò)程控制系統(tǒng) 基本概念 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn) 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制（簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程控制）是自動(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(guò)程的具體應(yīng)用， 是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn) 20世紀(jì)40年代 手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測(cè)儀表用

3、于生產(chǎn)過(guò)程。 20世紀(jì)40年代末50年代 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) 自動(dòng)化儀表自動(dòng)化儀表：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動(dòng) 型和電動(dòng)型）； 控制理論控制理論：以反饋為中心的經(jīng)典控制理論 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn) 20世紀(jì)60年代： 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)：串級(jí)、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜 控制系統(tǒng)。 自動(dòng)化儀表自動(dòng)化儀表：?jiǎn)卧M合儀表（氣動(dòng)型和電動(dòng)型）成為主流 產(chǎn)品。60年代后期，出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)用于過(guò)程控制的小型計(jì)算機(jī)，直 接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng) 域。 控制理論控制理論：出現(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以極小值原理

4、和動(dòng) 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。 控制理論控制理論：形成了大系統(tǒng)理論和智能控制理論。模糊控制、專(zhuān)家 系統(tǒng)控制、模式識(shí)別技術(shù) 20世紀(jì)7080年代 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、非線(xiàn)性分布式參數(shù)控制、解耦控制、 模糊控制 自動(dòng)化儀表自動(dòng)化儀表：氣動(dòng)型和電動(dòng)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(jī)、和數(shù)字控制器等，已成為控制 裝置的主流。 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn) 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn) 控制理論控制理論：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 20世紀(jì)

5、90年代至今：信息技術(shù)飛速發(fā)展 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)：管控一體化現(xiàn)場(chǎng)，綜合自動(dòng)化是當(dāng)今生產(chǎn)過(guò)程 控制的發(fā)展方向。 自動(dòng)化儀表自動(dòng)化儀表：總線(xiàn)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過(guò)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(chǎng)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(guò)程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、 無(wú)紙紀(jì)錄儀 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn) 過(guò)程控制系統(tǒng)特點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)特點(diǎn) 生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過(guò)程都是 以長(zhǎng)期的或間歇形式運(yùn)行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各 種擾動(dòng)的影響。 被控過(guò)程的復(fù)雜性 過(guò)程控制涉及范圍廣，被控對(duì)象較復(fù)雜 控制方案的多樣性 過(guò)程控制系統(tǒng)的控制方

6、案非常豐富 自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范疇自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范疇 宇航方面宇航方面： 同步衛(wèi)星（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）衛(wèi)星的發(fā)射與回收（神州5號(hào)飛船， 航天飛機(jī)）自動(dòng)關(guān)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng) 軍事方面軍事方面： 火炮自動(dòng)點(diǎn)火、巡航導(dǎo)彈 其他方面其他方面：農(nóng)業(yè)（病蟲(chóng)害防治、專(zhuān)家系統(tǒng)） 社會(huì)科學(xué)（計(jì)劃生育，人口增長(zhǎng)模型） 現(xiàn)代管理現(xiàn)代管理：辦公自動(dòng)化 工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)：自動(dòng)車(chē)床、加熱爐、發(fā)酵罐 過(guò)程控制的主要內(nèi)容過(guò)程控制的主要內(nèi)容 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 利用各種檢測(cè)儀表對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng) 自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)：當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍，自動(dòng)發(fā)出聲光信號(hào) 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)：達(dá)到危險(xiǎn)

7、狀態(tài)，打開(kāi)安全閥或切斷某些通路， 必要時(shí)緊急停車(chē) 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車(chē)系統(tǒng)自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車(chē)系統(tǒng) 自動(dòng)操縱系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某 種周期性操作 自動(dòng)開(kāi)停車(chē)系統(tǒng)：按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)的投入 運(yùn)行或自動(dòng)停車(chē) 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)： 利用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制， 使他們?cè)谑艿酵饨鐢_動(dòng)的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)的回 到規(guī)定范圍。 過(guò)程控制的主要內(nèi)容過(guò)程控制的主要內(nèi)容 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 檢測(cè)元件檢測(cè)元件（裝置） 控制器控制器 執(zhí)行器執(zhí)行器（裝置） 檢測(cè)被控制的物理量 將設(shè)定值與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，求出它們之間 的偏差,然后按照預(yù)先選定

8、的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì) 算并將計(jì)算結(jié)果作為控制信號(hào)送給執(zhí)行裝置 作用是接受控制器的控制信號(hào)，直 接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控變量發(fā)生 變化 過(guò)程控制系統(tǒng)的兩種表示形式 方框圖方框圖 帶有輸入輸出信號(hào)的方框 比較點(diǎn) 分支點(diǎn) 繪制方框圖注意事項(xiàng)繪制方框圖注意事項(xiàng) 過(guò)程控制系統(tǒng)的兩種表示形式 通過(guò)測(cè)量變送裝置將被控變量的測(cè)量值送回到系統(tǒng)的輸入端 過(guò)程控制系統(tǒng)的兩種表示形式 連接線(xiàn)連接線(xiàn) 通用的儀表信號(hào)線(xiàn)和能源線(xiàn)的符號(hào)是細(xì)實(shí)線(xiàn)。連接線(xiàn)表示相 連及交叉時(shí)，可采用圖（a）（b）形式。在復(fù)雜系統(tǒng)中，當(dāng) 有必要表明信息流動(dòng)方向時(shí)，應(yīng)在信號(hào)線(xiàn)符號(hào)上加箭頭,如 圖(c)所示。 (a) (b) (c) 過(guò)程控制系統(tǒng)的主要類(lèi)型

9、閉環(huán)控制系統(tǒng) 指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)指控制器與被控對(duì)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(diǎn)： 不管任何擾動(dòng)引起被控變量偏離設(shè)定值，都會(huì) 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(diǎn)： 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(shí)，控制作用對(duì) 擾動(dòng)的克服不及時(shí)，從而使其控制質(zhì)量大大降低。 過(guò)程控制系統(tǒng)的主要類(lèi)型 閉環(huán)控制系統(tǒng)分類(lèi) 根據(jù)設(shè)定值分為定值控制系統(tǒng)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。 定值控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱(chēng)為定值控制系統(tǒng)。 作用：克服擾動(dòng)的影響，使被控

10、變量保持在工藝要求的數(shù)值上 過(guò)程控制系統(tǒng)的主要類(lèi)型 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：設(shè)定值是一個(gè)未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱(chēng)為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 放大器 被測(cè)電壓 ut 可逆電機(jī) 指示記錄儀 滑線(xiàn)電阻 E up 作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化 自動(dòng)平衡電位差計(jì)的方框圖 過(guò)程控制系統(tǒng)的主要類(lèi)型 程序控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：設(shè)定值是變化的，且按一定時(shí)間程序變化的時(shí)間函數(shù) 程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特殊情 況，其分析研究方法與隨動(dòng)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(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求 常見(jiàn)典型信號(hào) 階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、加速度信號(hào)和正弦信號(hào)等。 階躍信號(hào) A 0

11、t0 t0 )(tr 數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 當(dāng)A=1時(shí)稱(chēng)為單位階躍信號(hào)。 特 點(diǎn) 易產(chǎn)生 對(duì)系統(tǒng)輸出影響大 便于分析和計(jì)算 在階躍信號(hào)作用下，被控變量隨時(shí)間的變化有以下幾種形式 y t t y t y t y t y t 1.發(fā)散振蕩過(guò)程曲線(xiàn)所示 5.非振蕩發(fā)散過(guò)程曲線(xiàn)所示 3.等幅振蕩過(guò)程曲線(xiàn)所示 4.衰減振蕩過(guò)程曲線(xiàn)所示 2.非振蕩衰減過(guò)程曲線(xiàn)所示 過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求 過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求 p在比較不同控制方案時(shí)，應(yīng)首先規(guī)定評(píng)價(jià)控制系 統(tǒng)的優(yōu)劣程度的性能指標(biāo)，一般情況下，主要采 用以階躍響應(yīng)曲線(xiàn)形式表示的質(zhì)量指標(biāo)。 p控制系統(tǒng)最理想的過(guò)渡過(guò)程應(yīng)具有什么形狀，沒(méi) 有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，主要依據(jù)工藝要求而定，除少數(shù) 情況不希望過(guò)渡過(guò)程有振蕩外，大多數(shù)情況則希 望過(guò)渡過(guò)程是略帶振蕩的衰減過(guò)程。 在階躍信號(hào)作用下常以下面幾個(gè)特征參數(shù)作為質(zhì)量指標(biāo)。 衰減比 這是表示衰減過(guò)程響應(yīng)曲線(xiàn)衰減程度的指標(biāo)。數(shù)值上 等于同方向兩個(gè)相鄰波峰值之比，即：B:B 顯然:n=1為等幅振蕩； n1為衰減振蕩。 為保持系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定程度，工程上常取衰減比為4