第一章過程控制

1、過程控制課程的目的是使學(xué)生掌握工業(yè)過程控過程控制課程的目的是使學(xué)生掌握工業(yè)過程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、一般的分析設(shè)計方制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、一般的分析設(shè)計方法和基本實驗技能。了解和基本掌握過程控制新技法和基本實驗技能。了解和基本掌握過程控制新技術(shù)及先進(jìn)的控制策略等，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決術(shù)及先進(jìn)的控制策略等，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實際問題的能力，為從事與本專業(yè)相關(guān)的科學(xué)研究實際問題的能力，為從事與本專業(yè)相關(guān)的科學(xué)研究和工程技術(shù)等工作打下一定的基礎(chǔ)。和工程技術(shù)等工作打下一定的基礎(chǔ)。? ?工業(yè)生產(chǎn)過程控制是指工業(yè)生產(chǎn)過程控制是指: 石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、石油、化工、電力、

2、冶金、輕工、建材、水利、紡織、水利、紡織、制藥、制藥、核能核能、環(huán)境工程、環(huán)境工程等生產(chǎn)過程的自動控制。等生產(chǎn)過程的自動控制。 工業(yè)生產(chǎn)過程控制是指工業(yè)生產(chǎn)過程控制是指: 石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、水利、紡織、水利、紡織、制藥、制藥、核能核能、環(huán)境工程、環(huán)境工程等生產(chǎn)過程的自動控制。等生產(chǎn)過程的自動控制。 工業(yè)生產(chǎn)過程控制是指工業(yè)生產(chǎn)過程控制是指: 石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、水利、紡織、水利、紡織、制藥、制藥、核能核能、環(huán)境工程、環(huán)境工程等生產(chǎn)過程的自動控制。等生產(chǎn)過程的自動控制。 自動控制是在人工控制

3、的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，是自動控制是在人工控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。的規(guī)律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。指的是指的是在沒人參與的情況下，利用在沒人參與的情況下，利用控制裝置控制裝置使使被控對象被控對象或過程自動或過程自動地地

4、按預(yù)定規(guī)律運行按預(yù)定規(guī)律運行。目標(biāo)：當(dāng)進(jìn)水量目標(biāo)：當(dāng)進(jìn)水量Qi或出水量或出水量Qo改變時，都會使罐內(nèi)的液位改變時，都會使罐內(nèi)的液位發(fā)生變化，從維持生產(chǎn)平穩(wěn)考慮，工藝上希望罐內(nèi)的液位發(fā)生變化，從維持生產(chǎn)平穩(wěn)考慮，工藝上希望罐內(nèi)的液位能夠維持在所希望的位置。通過調(diào)節(jié)出口閥開度，使儲罐能夠維持在所希望的位置。通過調(diào)節(jié)出口閥開度，使儲罐液位保持在其期望值附近。液位保持在其期望值附近。被控變量：液位被控變量：液位h設(shè)定值：設(shè)定值：hsp操縱變量：操縱變量： Qo擾動（造成被控變量產(chǎn)生不期望波動）：擾動（造成被控變量產(chǎn)生不期望波動）： Qi被控變量：液位被控變量：液位h設(shè)定值：設(shè)定值：hsp操縱變量：操縱

5、變量： Qo擾動：擾動： Qi人工控制系統(tǒng)人工控制系統(tǒng) 若由操作工完成這一控制任務(wù)，即若由操作工完成這一控制任務(wù)，即通過眼、腦、手相互配合完成液位的控通過眼、腦、手相互配合完成液位的控制過程，其操作過程包括：制過程，其操作過程包括： (1) 用眼睛觀察液位計實際液位的指示值，即用眼睛觀察液位計實際液位的指示值，即借助玻璃管液位計與借助玻璃管液位計與“人眼人眼”，測量儲罐，測量儲罐的液位，并通過神經(jīng)系統(tǒng)傳輸給大腦；的液位，并通過神經(jīng)系統(tǒng)傳輸給大腦；(2) 在在“人腦人腦”中比較實際液位與期望的液位；中比較實際液位與期望的液位；(3) 基于比較結(jié)果，基于比較結(jié)果， “人腦人腦”決定如何校正兩決定如

6、何校正兩者之間偏差，即如何通過調(diào)節(jié)出口閥開度，者之間偏差，即如何通過調(diào)節(jié)出口閥開度，使儲罐液位保持在其期望值附近；使儲罐液位保持在其期望值附近；(4) “手動手動” 操作輸出閥的開度以減少該偏差；操作輸出閥的開度以減少該偏差；(5) 反復(fù)執(zhí)行上述操作，直到液位控制到其給反復(fù)執(zhí)行上述操作，直到液位控制到其給定值。定值。被控變量：液位被控變量：液位h設(shè)定值：設(shè)定值：hsp操縱變量：操縱變量： Qo擾動：擾動： Qi液位人工控制系統(tǒng)液位人工控制系統(tǒng)r勞動強(qiáng)度大勞動強(qiáng)度大。對于上述例子，需要操作人員頻繁地觀察液位的變化，并及時采用合適的措施以消除偏差。r操作的不一致性操作的不一致性。對于出口閥如何調(diào)節(jié)

7、，不同的操作人員會采用不同的決策。r需要大量操作人員需要大量操作人員。對于大多數(shù)工業(yè)過程，需要控制的變量很多，因此需要大量的操作人員。生產(chǎn)效率難以提高，而生產(chǎn)成本難以下降。 因此，人工控制難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對控制精度的要求。因此，人工控制難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對控制精度的要求。如何解決如何解決 ? 如果能夠用一些儀表或者自動化的裝置來代替操作如果能夠用一些儀表或者自動化的裝置來代替操作工的眼、腦、手來自動地完成控制任務(wù)，不僅能大大減工的眼、腦、手來自動地完成控制任務(wù)，不僅能大大減輕操作工的勞動強(qiáng)度，而且可大大提高控制精度與工作輕操作工的勞動強(qiáng)度，而且可大大提高控制精度與工作效率。效率。解決方案：設(shè)計一

8、個控制系統(tǒng)以自動地實現(xiàn)上述控制任務(wù)，解決方案：設(shè)計一個控制系統(tǒng)以自動地實現(xiàn)上述控制任務(wù)，而不需要操作人員的干預(yù)。而不需要操作人員的干預(yù)。所有控制系統(tǒng)都包含的三個基本部件：所有控制系統(tǒng)都包含的三個基本部件： 傳感變送器：控制系統(tǒng)的傳感變送器：控制系統(tǒng)的“眼睛眼睛” 控制器：控制系統(tǒng)的控制器：控制系統(tǒng)的“大腦大腦” 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：可直接受控制器的指揮，常用的是控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)：可直接受控制器的指揮，常用的是控制閥人工操作人工操作自動控制自動控制加入了自動化儀表：加入了自動化儀表：液位傳感變送器、液位控制器液位傳感變送器、液位控制器在工藝流程圖中，小圓圈表示某些儀表，圓內(nèi)通常由在工藝流程圖中，小圓圈表示某

9、些儀表，圓內(nèi)通常由“兩位以上字母兩位以上字母+ +序號序號”組成。組成。第一位字母表示被控變量的類別，常見的字母包括：第一位字母表示被控變量的類別，常見的字母包括：T T（溫度）、（溫度）、P P（壓力）、（壓力）、dPdP（差壓）、（差壓）、F F（流量）、（流量）、L L（液位）、（液位）、A A（分析量）、（分析量）、W W（重量）、（重量）、D D（密度）等。（密度）等。第二位字母表示儀表的功能，常見的字母包括：第二位字母表示儀表的功能，常見的字母包括：T T（傳感變送器）、（傳感變送器）、C C（控制器）、（控制器）、I I（指示儀表）等。（指示儀表）等。序號通常與被控變量的檢測位號

10、有關(guān)，同一回路的自動化儀表采用同序號通常與被控變量的檢測位號有關(guān)，同一回路的自動化儀表采用同一序號，序號位數(shù)可依據(jù)裝置的復(fù)雜程度而有所不同。一序號，序號位數(shù)可依據(jù)裝置的復(fù)雜程度而有所不同。如如LT 21LT 21表示表示2121回路的液位傳感器，回路的液位傳感器，LC 21LC 21表示表示2121回路的液位控制器。回路的液位控制器。1.借助于傳感器，獲得液位測量信號，借助于傳感器，獲得液位測量信號，再通過變送器將測量信號放大、并轉(zhuǎn)再通過變送器將測量信號放大、并轉(zhuǎn)換成控制器可接受的標(biāo)準(zhǔn)信號；換成控制器可接受的標(biāo)準(zhǔn)信號；2.控制器（有時也稱控制器（有時也稱“調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器”）接受）接受該標(biāo)準(zhǔn)測量信

11、號，并與其期望值進(jìn)行該標(biāo)準(zhǔn)測量信號，并與其期望值進(jìn)行比較；比較；3.基于比較結(jié)果，控制器決定如何校正基于比較結(jié)果，控制器決定如何校正測量值與其期望值之間的偏差；測量值與其期望值之間的偏差；4.基于決策結(jié)果，控制器給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)基于決策結(jié)果，控制器給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出一個控制信號，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用具出一個控制信號，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用具體的動作。體的動作。r保證安全運行保證安全運行r保證產(chǎn)品質(zhì)量保證產(chǎn)品質(zhì)量r提高產(chǎn)量提高產(chǎn)量r降低能耗降低能耗r改善勞動條件改善勞動條件r提高管理水平提高管理水平r提高勞動生產(chǎn)率提高勞動生產(chǎn)率20世紀(jì)世紀(jì)40-50年代：經(jīng)典控制理論年代：經(jīng)典控制理論 經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)經(jīng)

12、典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),在頻率在頻率域?qū)屋斎雴屋敵觯ㄓ驅(qū)屋斎雴屋敵觯⊿ISO）控制系統(tǒng)分析）控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的理論。與設(shè)計的理論。pNyquist頻率特性分析技術(shù)和穩(wěn)定性判據(jù)頻率特性分析技術(shù)和穩(wěn)定性判據(jù)pBode圖圖p求解閉環(huán)特征方程根的根軌跡分析法求解閉環(huán)特征方程根的根軌跡分析法p最輝煌的成果之一最輝煌的成果之一PID控制控制 經(jīng)典控制理論的特點：線性定常對象，經(jīng)典控制理論的特點：線性定常對象，單輸入單輸出，完成鎮(zhèn)定任務(wù)。單輸入單輸出，完成鎮(zhèn)定任務(wù)。經(jīng)典控制理論面臨的挑戰(zhàn)：經(jīng)典控制理論面臨的挑戰(zhàn)： 多輸入、多輸出（多輸入、多輸出（MIMO） 非線性，時變參數(shù)非線性，時變參數(shù) 在理論

13、工作者看來，經(jīng)典控制理論的綜合方法帶在理論工作者看來，經(jīng)典控制理論的綜合方法帶有半經(jīng)驗的，試湊性質(zhì)，是一些工程方法，而不有半經(jīng)驗的，試湊性質(zhì)，是一些工程方法，而不屬于理論綜合方法屬于理論綜合方法在航空、航天等領(lǐng)域，有一些重要的控制命題，在航空、航天等領(lǐng)域，有一些重要的控制命題，如最少燃料控制、最短時間控制等。如最少燃料控制、最短時間控制等。20世紀(jì)世紀(jì)60年代：年代： 現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，研究現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出（多輸入多輸出（MIMO）控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的）控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的理論理論。 以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃方法等最優(yōu)控制理以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃

14、方法等最優(yōu)控制理論為特征，而以采用卡爾曼濾波器的隨機(jī)干擾下論為特征，而以采用卡爾曼濾波器的隨機(jī)干擾下的線性二次型系統(tǒng)宣告了時域方法的完成。的線性二次型系統(tǒng)宣告了時域方法的完成。 現(xiàn)代控制理論在航天、航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域取現(xiàn)代控制理論在航天、航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域取得了輝煌的成果。得了輝煌的成果。 但現(xiàn)代控制理論對復(fù)雜工業(yè)過程卻顯得但現(xiàn)代控制理論對復(fù)雜工業(yè)過程卻顯得無能為力無能為力,主要原因是它依賴于精確的過程數(shù)主要原因是它依賴于精確的過程數(shù)學(xué)模型。學(xué)模型。 建精確過程數(shù)學(xué)模型難點：建精確過程數(shù)學(xué)模型難點：r機(jī)理復(fù)雜；機(jī)理復(fù)雜； r非線性與分布參數(shù)；非線性與分布參數(shù)； r時變性；時變性；r不確定性；不確定

15、性； r多變量之間耦合；多變量之間耦合； r信息不完全性等等。信息不完全性等等。20世紀(jì)世紀(jì)70年代開始逐步發(fā)展形成了大系統(tǒng)理論年代開始逐步發(fā)展形成了大系統(tǒng)理論r70年代，由于實際工程和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，年代，由于實際工程和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，發(fā)展了大系統(tǒng)理論，研究規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)展了大系統(tǒng)理論，研究規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)、功能綜合、因素眾多的大系統(tǒng)。相互關(guān)聯(lián)、功能綜合、因素眾多的大系統(tǒng)。r大系統(tǒng)理論是現(xiàn)代控制理論和系統(tǒng)理論相結(jié)合，大系統(tǒng)理論是現(xiàn)代控制理論和系統(tǒng)理論相結(jié)合，其核心思想是系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)，多級遞階優(yōu)化其核心思想是系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)，多級遞階優(yōu)化與控制。與控制。r大系統(tǒng)

16、理論仍未突破現(xiàn)代控制理論的基本思想與大系統(tǒng)理論仍未突破現(xiàn)代控制理論的基本思想與框架，除了高維線性系統(tǒng)之外，它對其它復(fù)雜系框架，除了高維線性系統(tǒng)之外，它對其它復(fù)雜系統(tǒng)仍然束手無策。統(tǒng)仍然束手無策。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代發(fā)展起來智能控制年代發(fā)展起來智能控制 對于含有大量不確定性和難于建模的復(fù)雜系對于含有大量不確定性和難于建模的復(fù)雜系統(tǒng)，基于精確數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)代控制理論無法解決統(tǒng)，基于精確數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)代控制理論無法解決好他們的控制問題。好他們的控制問題。 隨著空間技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及人工智能技術(shù)隨著空間技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，控制學(xué)界的學(xué)者開始將人工智能技術(shù)與的發(fā)展，控制學(xué)界的學(xué)者開始將人

17、工智能技術(shù)與方法應(yīng)用于控制系統(tǒng)，逐步形成了智能控制理論方法應(yīng)用于控制系統(tǒng)，逐步形成了智能控制理論-基于知識的專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于知識的專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制和基于信息論的智能控制等應(yīng)運控制、學(xué)習(xí)控制和基于信息論的智能控制等應(yīng)運而生，它們在許多領(lǐng)域開始得到了應(yīng)用而生，它們在許多領(lǐng)域開始得到了應(yīng)用,成為自動成為自動控制的前沿學(xué)科之一?？刂频那把貙W(xué)科之一。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，經(jīng)歷了四個階段：從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，經(jīng)歷了四個階段： 50年代是以年代是以基地式控制器基地式控制器等組成的控制系統(tǒng)，等組成的控制系統(tǒng)，像自力式溫度控制器、就地式液位控制器等，它像自力式溫度

18、控制器、就地式液位控制器等，它們的功能往往限于單回路控制。們的功能往往限于單回路控制。 60年代出現(xiàn)了年代出現(xiàn)了單元組合儀表單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)，組成的控制系統(tǒng)，電動和氣動兩大類，該類控制系統(tǒng)的控制策略主電動和氣動兩大類，該類控制系統(tǒng)的控制策略主要是要是PID控制和常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)?？刂坪统Ｓ玫膹?fù)雜控制系統(tǒng)。 70年代出現(xiàn)了年代出現(xiàn)了計算機(jī)控制系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)，在，在DCS的基的基礎(chǔ)上實現(xiàn)先進(jìn)控制和優(yōu)化控制。礎(chǔ)上實現(xiàn)先進(jìn)控制和優(yōu)化控制。80年代出現(xiàn)了年代出現(xiàn)了二級優(yōu)化控制二級優(yōu)化控制，在硬件上采用，在硬件上采用上位機(jī)和上位機(jī)和DCS或電動單元組合儀表相結(jié)合，構(gòu)成或電動單元組合儀表相結(jié)

19、合，構(gòu)成二級計算機(jī)優(yōu)化控制。二級計算機(jī)優(yōu)化控制。r隨著計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，隨著計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，DCS出現(xiàn)了開放出現(xiàn)了開放式系統(tǒng)，實現(xiàn)多層次計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的式系統(tǒng)，實現(xiàn)多層次計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的計算機(jī)集計算機(jī)集成控制成控制（Computer Integrated Process System-CIPS）。）。r將生產(chǎn)調(diào)度計劃與經(jīng)營管理和決策引入計算機(jī)控將生產(chǎn)調(diào)度計劃與經(jīng)營管理和決策引入計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成制系統(tǒng)構(gòu)成綜合自動化系統(tǒng)，綜合自動化系統(tǒng)，由五級組成：基礎(chǔ)由五級組成：基礎(chǔ)控制級、先進(jìn)控制與優(yōu)化控制級、計劃調(diào)度級、控制級、先進(jìn)控制與優(yōu)化控制級、計劃調(diào)度級、生產(chǎn)經(jīng)營管理級、決策級。生產(chǎn)經(jīng)

20、營管理級、決策級。綜合自動化系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)是在計算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)和分布式是在計算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫的支持下，實現(xiàn)信息與功能的集成，進(jìn)而充數(shù)據(jù)庫的支持下，實現(xiàn)信息與功能的集成，進(jìn)而充分調(diào)動人的因素的經(jīng)營系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)及組織系統(tǒng)分調(diào)動人的因素的經(jīng)營系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)及組織系統(tǒng)的集成，的集成，最終形成一個能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和最終形成一個能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變性的全局優(yōu)化的高質(zhì)量、高效益、高市場需求多變性的全局優(yōu)化的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，是發(fā)展方向。柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，是發(fā)展方向。小結(jié)小結(jié)1、工業(yè)生產(chǎn)過程控制的概念、工業(yè)生產(chǎn)過程控制的概念2、自動控制系統(tǒng)的由來、自動

21、控制系統(tǒng)的由來3、控制理論與控制工程的發(fā)展、控制理論與控制工程的發(fā)展 （發(fā)展的歷程、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）（發(fā)展的歷程、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）謝謝 謝！謝！第二講 工業(yè)生產(chǎn)過程的特點 過程控制主要針對溫度、壓力、流量、液位、成分和物性等過程參數(shù)的控制問題。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是用一些儀表或是用一些儀表或者自動化的裝置來代替操作工者自動化的裝置來代替操作工的眼、腦、手來自動地完成控的眼、腦、手來自動地完成控制任務(wù)，應(yīng)該都包含的三個制任務(wù)，應(yīng)該都包含的三個基基本部件本部件：測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控過程被控過程液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 被控對象（也稱為被控過程）被控對象（也稱為被控過程）：被控

22、對象是指被控制的：被控對象是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，而被控過程既包括運行中的設(shè)備與生產(chǎn)生產(chǎn)設(shè)備或裝置，而被控過程既包括運行中的設(shè)備與生產(chǎn)關(guān)系，也反映其輸入輸出動態(tài)關(guān)系。關(guān)系，也反映其輸入輸出動態(tài)關(guān)系。液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)被控對象：儲罐被控對象：儲罐液位液位h h是需要控制工藝變量，是需要控制工藝變量，被稱為被稱為被控變量被控變量。測量變送器測量變送器：控制系統(tǒng)的：控制系統(tǒng)的“眼睛眼睛”，用于測量被控變量，用于測量被控變量，并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號作為輸出并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號作為輸出. . 根據(jù)根據(jù)電氣標(biāo)準(zhǔn)電氣標(biāo)準(zhǔn)的不同，常用的標(biāo)準(zhǔn)信號包括：的不同，常用的標(biāo)準(zhǔn)信號包括：

23、0-10mA 0-10mA DCDC信號、信號、4-20mA DC4-20mA DC信號、信號、0.02-0.10MPa0.02-0.10MPa氣動信號等。氣動信號等。液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器：控制器：控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的“大腦大腦”，也稱調(diào)節(jié)器，它將被控變量，也稱調(diào)節(jié)器，它將被控變量的測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差信號，并按一定的規(guī)的測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差信號，并按一定的規(guī)律給出控制信號。律給出控制信號。 對于工業(yè)中常用的各類控制器，其輸入輸出信號大都為對于工業(yè)中常用的各類控制器，其輸入輸出信號大都為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，如標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，如DDZ-IIIDDZ-III型儀表的型

24、儀表的4-20mA DC4-20mA DC信號。信號。液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 執(zhí)行器執(zhí)行器：可直接受控制器的：可直接受控制器的指揮指揮，常用的是控制閥，它接受，常用的是控制閥，它接受來自控制器的命令信號，用于自動改變控制閥的開度。來自控制器的命令信號，用于自動改變控制閥的開度。 如圖中控制器通過改變出水閥的開度以調(diào)節(jié)出水量如圖中控制器通過改變出水閥的開度以調(diào)節(jié)出水量QoQo，最終達(dá)到克服外部擾動對被控變量最終達(dá)到克服外部擾動對被控變量h h的影響。的影響。液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的三個基本操作r測量（Measurement） 借助于傳感器與變送器，獲取需要控制的變量的當(dāng)前值。r決策（

25、Decision） 基于需要控制的變量的測量值，控制器決定如何使該變量保持在其期望值。r動作/執(zhí)行（Action） 作為控制器的決策結(jié)果，控制系統(tǒng)必須采用具體有效的動作，通常由執(zhí)行單元（如控制閥）來完成。已實施的動作或行動應(yīng)反過來影響測量信號。用文字?jǐn)⑹龅姆椒▉砻枋隹刂葡到y(tǒng)的組成和工作原理較為復(fù)雜，在過程控制中常常采用直觀的方框圖來表示。方框圖中的每一條線代表系統(tǒng)中的一個信號，線上的箭頭表示信號傳遞的方向，每個方塊代表系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。方框圖把一個控制系統(tǒng)變量間的關(guān)系完整地表述出來。液位控制系統(tǒng)的方框圖液位控制系統(tǒng)的方框圖液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)每一條線：系統(tǒng)中的一個信號每一條線：系統(tǒng)中的一個

26、信號線上的箭頭：信號傳遞的方向線上的箭頭：信號傳遞的方向方塊：系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)方塊：系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)一般單回路控制系統(tǒng)的方框圖一般單回路控制系統(tǒng)的方框圖過程控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是：過程控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是： 對于任意的外部干擾對于任意的外部干擾（DVDV），通過調(diào)節(jié)操作變量，通過調(diào)節(jié)操作變量（MVMV）以使被控變量以使被控變量（CVCV）維持在其設(shè)定值維持在其設(shè)定值（SPSP）。）。r被控變量/受控變量 (Controlled Variable，CV)是指：必須保持在某一期望值的變量或工藝參數(shù).也稱受控變量或者過程變量。是指被控對象需要維持在其理想值的工藝變量，如液罐液位、換熱器工藝介質(zhì)出口溫度等。液位

27、控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)在過程控制中常用的被控變量包括：溫度、壓力（差壓）、液位（料位）、流量、成分含量等實際物理量。有時，也可以用過程變量的檢測電信號來表示被控變量，該測量信號稱為過程變量的測量值。r設(shè)定值/給定值 (Setpoint，SP)是指：被控變量的期望值也稱給定值。它是指被控變量要求達(dá)到的期望值。作為控制器的參考輸入信號，設(shè)定值在實際應(yīng)用中通常用其對應(yīng)的電量或相對百分比來表示，以便于與被控變量的測量值進(jìn)行比較。操縱變量/操作變量 (Manipulated Variable，MV)是指：控制系統(tǒng)直接可操作、并用于使被控變量保持在其設(shè)定值的其它工藝變量.通常是指由執(zhí)行器控制的某一工藝變量，

28、操作變量對被控變量的影響要求直接、靈敏、快速。以圖所示的蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)為例，操縱變量為蒸汽流量，它對被控變量（流體出口溫度）的影響方向為“正作用”，即蒸汽量的增加。 注意：在過程控制領(lǐng)域，控制變量通常是指控制器的輸出電信號，即執(zhí)行器的輸入信號；而操縱變量指某一執(zhí)行器可控制、對被控變量有直接影響的物理量，最常見的是一些工藝介質(zhì)流量。r擾動/擾動變量 (Disturbance，DV)任意可能導(dǎo)致被控變量偏離其設(shè)定值的、而控制系統(tǒng)本身又無法干預(yù)的各種因素。指任何導(dǎo)致被控變量偏離其設(shè)定值的輸入變量。圖中的蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)，其擾動變量包括：工藝介質(zhì)的進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度與組成等。對于控制系統(tǒng)

29、，擾動主要來自于擾動變量的動態(tài)變化，當(dāng)某一擾動輸入變量本身變化很小，對被控變量的影響可以忽略時，該輸入不再成為一種擾動，在工程控制中，擾動大量存在，顯示出自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用價值。例：蒸汽加熱器的溫度控制系統(tǒng)例：蒸汽加熱器的溫度控制系統(tǒng)問題：問題：指出該系統(tǒng)的指出該系統(tǒng)的 被控變量被控變量CV、設(shè)定值、設(shè)定值SP、操作變量、操作變量MV、擾動變量、擾動變量DVs，并描述其，并描述其 方塊圖方塊圖? 由蒸汽加熱器、溫度變送器由蒸汽加熱器、溫度變送器TT 22、溫度控制器、溫度控制器TC 22、蒸汽流量控、蒸汽流量控制閥組成。控制的目標(biāo)是保持流體制閥組成。控制的目標(biāo)是保持流體出口溫度出口溫度T恒定。

30、當(dāng)進(jìn)料流量恒定。當(dāng)進(jìn)料流量RF或或者溫度者溫度Ti變化，會引起物料出口溫度變化，會引起物料出口溫度變化，通過溫度變送器變化，通過溫度變送器TT 22 測得溫測得溫度的變化，并將信號度的變化，并將信號Tm送至溫度控送至溫度控制器制器TC 22，與給定值，與給定值Tsp比較，溫比較，溫度控制器度控制器TC 22根據(jù)偏差將控制命令根據(jù)偏差將控制命令u送至控制閥，改變蒸汽量送至控制閥，改變蒸汽量RV來維來維持溫度的恒定。持溫度的恒定。換熱器溫度控制系統(tǒng)方塊圖1) 安全性. 對流程工業(yè)，確保生產(chǎn)過程的安全最重對流程工業(yè)，確保生產(chǎn)過程的安全最重要。通過設(shè)計合適的控制系統(tǒng)，防止各種可能對操作要。通過設(shè)計合適

31、的控制系統(tǒng)，防止各種可能對操作人員或生產(chǎn)裝置造成的傷害或損壞，并盡可能減少廢人員或生產(chǎn)裝置造成的傷害或損壞，并盡可能減少廢水廢氣的排放以保護(hù)環(huán)境。水廢氣的排放以保護(hù)環(huán)境。2) 產(chǎn)品質(zhì)量. 通過設(shè)計控制系統(tǒng)，確保產(chǎn)品質(zhì)量符通過設(shè)計控制系統(tǒng)，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并減少產(chǎn)品質(zhì)量的波動。也就是，合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并減少產(chǎn)品質(zhì)量的波動。也就是，借助控制系統(tǒng)，確保生產(chǎn)要素，工藝操作條件與原料借助控制系統(tǒng)，確保生產(chǎn)要素，工藝操作條件與原料組成的基本恒定。組成的基本恒定。3) 生產(chǎn)成本的最小化.在確保生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)在確保生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，如何降低生產(chǎn)成本、提高收益是各個生量的前提下，如

32、何降低生產(chǎn)成本、提高收益是各個生產(chǎn)企業(yè)永恒的主題。借助于控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)工藝產(chǎn)企業(yè)永恒的主題。借助于控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)工藝操作條件的穩(wěn)定與優(yōu)化，最大限度地提高核心產(chǎn)品的操作條件的穩(wěn)定與優(yōu)化，最大限度地提高核心產(chǎn)品的產(chǎn)量、實現(xiàn)生產(chǎn)成本的最小化，減少對操作人員的需產(chǎn)量、實現(xiàn)生產(chǎn)成本的最小化，減少對操作人員的需求。求。小結(jié)小結(jié)一、控制工程的研究對象一、控制工程的研究對象二、二、控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的組成組成三、三、過程控制的術(shù)語過程控制的術(shù)語四、四、過程控制的過程控制的基本要求基本要求謝謝 謝！謝！第三講 過程控制策略從控制策略的角度來看，控制系統(tǒng)可分為反饋控制與前饋控制兩大類。從控制策略的角度來看

33、，控制系統(tǒng)可分為反饋控制與前饋控制兩大類。r反饋控制反饋控制是指將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進(jìn)行比較，并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過程。反饋控制其實是用過去的情況來指導(dǎo)現(xiàn)在和將來。在控制系統(tǒng)中，如果返回的信息的作用是抵消輸入信息，稱為負(fù)反饋，負(fù)反饋可以使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；若其作用是增強(qiáng)輸入信息，則稱為正反饋，正反饋可以使信號得到加強(qiáng)。一般的反饋控制系統(tǒng)“反饋控制反饋控制”是信號沿前向通道（或稱前向通路）和是信號沿前向通道（或稱前向通路）和反饋通道進(jìn)行閉路傳遞，從而形成一個反饋通道進(jìn)行閉路傳遞，從而形成一個閉合回路的控制方閉合回路的控制方法法。為了和給定信號比較，必須把反饋信號轉(zhuǎn)換成與給定

34、信號具有相同量剛和相同量級的信號?？刂破鞲鶕?jù)反饋信號和給定信號相比較后得到的偏差信號，經(jīng)運算后輸出控制作用去消除偏差，使被控量（系統(tǒng)的輸出）等于給定值。蒸汽加熱器溫度反饋控制方案蒸汽加熱器溫度反饋控制方案若工藝介質(zhì)入口溫度若工藝介質(zhì)入口溫度TiTi下降，被控變量工藝介質(zhì)出口溫度下降，被控變量工藝介質(zhì)出口溫度T T開始開始下降，溫度控制器的測量信號發(fā)生變化，控制器發(fā)出控制命令去增加下降，溫度控制器的測量信號發(fā)生變化，控制器發(fā)出控制命令去增加蒸汽閥的開度，蒸汽量隨之增大。蒸汽閥的開度，蒸汽量隨之增大。圖圖1-11可以看到，反饋控制的優(yōu)勢在于它能夠補(bǔ)償任意的可以看到，反饋控制的優(yōu)勢在于它能夠補(bǔ)償任意

35、的擾動。但是，只有當(dāng)擾動引起被控變量偏離設(shè)定值后，控擾動。但是，只有當(dāng)擾動引起被控變量偏離設(shè)定值后，控制器才能開始實施對擾動的補(bǔ)償，因此這種控制作用是有制器才能開始實施對擾動的補(bǔ)償，因此這種控制作用是有滯后的。滯后的。？是否能夠設(shè)計一種有預(yù)知功能的控制器是否能夠設(shè)計一種有預(yù)知功能的控制器前饋控制的設(shè)計思想是通過檢測擾動，并在擾動影前饋控制的設(shè)計思想是通過檢測擾動，并在擾動影響被控變量之前就將其補(bǔ)償?shù)?。響被控變量之前就將其補(bǔ)償?shù)?。r前饋控制前饋控制是一種預(yù)測控制，通過對系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的了解，預(yù)測出下一階段系統(tǒng)的運行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給出控制信號，使干擾獲得補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出，消除

36、誤差，是一種開環(huán)控制。蒸汽加熱器溫度前饋控制方案蒸汽加熱器溫度前饋控制方案系統(tǒng)的擾動主要來自于進(jìn)料溫度系統(tǒng)的擾動主要來自于進(jìn)料溫度TiTi與進(jìn)料與進(jìn)料RFRF的變化。系統(tǒng)首先的變化。系統(tǒng)首先檢測擾動，決策如何操作蒸汽閥來補(bǔ)償擾動對被控變量工藝介質(zhì)出口檢測擾動，決策如何操作蒸汽閥來補(bǔ)償擾動對被控變量工藝介質(zhì)出口溫度的影響。前饋控制器的輸出完全取決于擾動信號和被控變量的設(shè)溫度的影響。前饋控制器的輸出完全取決于擾動信號和被控變量的設(shè)定值。定值。前饋的缺點是在使用時需要對系統(tǒng)有精確的了解，只有了解了系統(tǒng)模型才能有針對性的給出預(yù)測補(bǔ)償。但在實際工程中，并不是所有的干擾都是可測的，并不是所有的對象都是可得

37、到精確模型的，而且大多數(shù)控制對象在運行的同時自身的結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化，所以僅用前饋并不能達(dá)到良好的控制品質(zhì)。前饋反饋控制在前饋控制中加入在前饋控制中加入反饋，反饋的特點是根反饋，反饋的特點是根據(jù)偏差來決定控制輸入，據(jù)偏差來決定控制輸入，不管對象的模型如何，不管對象的模型如何，也不管外界的干擾如何，也不管外界的干擾如何，只要有偏差，就根據(jù)偏只要有偏差，就根據(jù)偏差進(jìn)行糾正，可以有效差進(jìn)行糾正，可以有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。解決的消除穩(wěn)態(tài)誤差。解決前饋不能控制的不可測前饋不能控制的不可測干擾。干擾。1、定值控制與跟蹤控制依據(jù)設(shè)定值是否頻繁變化，反饋控制系統(tǒng)可以分為定值控制和跟蹤控制兩大類。定值控制系統(tǒng)，設(shè)定

38、值變化不頻繁，主要擾動來自于外部干擾，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計的目的是要補(bǔ)償擾動的影響。跟蹤控制系統(tǒng)，主要擾動來自于設(shè)定值本身的頻繁變化，設(shè)定值為時間函數(shù)。如間歇反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，反應(yīng)器溫度必須跟蹤預(yù)先給定的溫度變化軌跡，從而確保產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)率。 定值控制 跟蹤控制2、連續(xù)時間控制與離散時間控制依據(jù)控制器是否連續(xù)工作，反饋控制系統(tǒng)可以分為連續(xù)時間控制與離散時間控制兩大類。連續(xù)時間控制系統(tǒng)的描述方法有：微分方程、拉普拉斯變化、連續(xù)時間狀態(tài)方程。離散時間控制系統(tǒng)的描述方法有：差分方程、Z變換、離散時域狀態(tài)方程。在過程工業(yè)領(lǐng)域，除控制器外所有的控制對象都屬于連續(xù)時間系統(tǒng)（操作變量、外部擾動、被控變量都是連續(xù)時間信號），控制器可以分為模擬控制器和數(shù)字控制器。對于由數(shù)字控制器與連續(xù)被控過程組成的控制系統(tǒng)，可以將被控過程