1過程控制系統(tǒng)基本概念課件

1、4/25/20222前前 言言課程簡介及課程內(nèi)容課程簡介及課程內(nèi)容課程的重要性課程的重要性教學(xué)團(tuán)隊(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)課程安排課程安排參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)考核辦法考核辦法4/25/20223課程簡介及課程內(nèi)容課程簡介及課程內(nèi)容v過程控制儀表過程控制儀表+ +過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)v （Process Control Instrument and SystemProcess Control Instrument and System） v課程簡介：本課程為專業(yè)基礎(chǔ)課，具有較高的理論性與實(shí)踐性。課程簡介：本課程為專業(yè)基礎(chǔ)課，具有較高的理論性與實(shí)踐性。其目的和任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握單回路和常見復(fù)其目的

2、和任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握單回路和常見復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的組成、工作過程、特點(diǎn)以及應(yīng)用等知識，為畢雜過程控制系統(tǒng)的組成、工作過程、特點(diǎn)以及應(yīng)用等知識，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及將來學(xué)習(xí)和工作打下過程控制的專業(yè)基礎(chǔ)。業(yè)設(shè)計(jì)及將來學(xué)習(xí)和工作打下過程控制的專業(yè)基礎(chǔ)。 v主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：v 過程控制儀表與裝置：包括過程控制儀表的組成與分類、過程控制儀表與裝置：包括過程控制儀表的組成與分類、控制器（可編程調(diào)節(jié)器）與控制規(guī)律、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)控制器（可編程調(diào)節(jié)器）與控制規(guī)律、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)閥等；閥等；v 過程控制系統(tǒng)：包括過程控制系統(tǒng)的組成、單回路過程過程控制系統(tǒng)：包括過程控制系統(tǒng)的組成、單回

3、路過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、要求和參數(shù)整定；常用復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的原控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、要求和參數(shù)整定；常用復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)和應(yīng)用。此外，還要了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理和特點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)和應(yīng)用。此外，還要了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（PLC)PLC)、先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，以及各類過程控、先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，以及各類過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用。制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用。4/25/20224相關(guān)課程相關(guān)課程熱工過程熱工過程控制工程控制工程前期課程前期課程計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)流體力學(xué)流體力學(xué)傳熱學(xué)傳熱學(xué)工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)

4、自動控制原理自動控制原理熱工測試技術(shù)熱工測試技術(shù)后續(xù)課程后續(xù)課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)內(nèi)燃機(jī)電控技術(shù)內(nèi)燃機(jī)電控技術(shù)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)工程數(shù)據(jù)分析方法工程數(shù)據(jù)分析方法課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)Text4/25/20225課程的重要性課程的重要性v本課程是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程本課程是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的專業(yè)課，具有很強(qiáng)實(shí)踐性?？刂葡到y(tǒng)的專業(yè)課，具有很強(qiáng)實(shí)踐性。v涉及的學(xué)科面廣，是一門與材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信涉及的學(xué)科面廣，是一門與材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)密切相關(guān)的快速發(fā)展的學(xué)科。息技術(shù)密切相關(guān)的快速發(fā)展的學(xué)科。

5、v與專業(yè)方向相關(guān)：熱能工程；電廠動力；內(nèi)燃機(jī)；制冷與專業(yè)方向相關(guān)：熱能工程；電廠動力；內(nèi)燃機(jī)；制冷與低溫工程；環(huán)境與設(shè)備工程；熱工自動化；新能源科與低溫工程；環(huán)境與設(shè)備工程；熱工自動化；新能源科學(xué)與工程。學(xué)與工程。v與學(xué)術(shù)研究相關(guān)：熱工過程與設(shè)備的計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化；與學(xué)術(shù)研究相關(guān)：熱工過程與設(shè)備的計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化；節(jié)能與環(huán)保新技術(shù)；熱工過程檢測；診斷與智能決策；節(jié)能與環(huán)保新技術(shù)；熱工過程檢測；診斷與智能決策；現(xiàn)代熱物性測試技術(shù)；新型制冷系統(tǒng)與裝置；空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)代熱物性測試技術(shù)；新型制冷系統(tǒng)與裝置；空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)備節(jié)能新技術(shù)；與設(shè)備節(jié)能新技術(shù)；CFDCFD建筑能耗分析與管理研究；建建筑能耗分析與管理

6、研究；建筑室內(nèi)外空氣品質(zhì)及其控制。筑室內(nèi)外空氣品質(zhì)及其控制。4/25/20226教學(xué)團(tuán)隊(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)v任課教師：黃學(xué)章；張建智；宋彥坡任課教師：黃學(xué)章；張建智；宋彥坡v聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：v 4/25/20227課程安排課程安排v請參考教學(xué)日歷（請參考教學(xué)日歷（40學(xué)時）學(xué)時）v緒論（緒論（4學(xué)時）學(xué)時）+過程控制儀表（過程控制儀表（8學(xué)時）學(xué)時）+過過程控制系統(tǒng)（程控制系統(tǒng)（14學(xué)時）學(xué)時）+計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（4學(xué)時）學(xué)時）+工程應(yīng)用（工程應(yīng)用（6學(xué)時）學(xué)時）+機(jī)動（機(jī)動（2學(xué)時）學(xué)時）+復(fù)習(xí)（復(fù)習(xí)（2學(xué)時）學(xué)時）4/25/20228參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 劉玉長主編，自動檢測和過程控

7、制，第四版，冶金工業(yè)出版社，劉玉長主編，自動檢測和過程控制，第四版，冶金工業(yè)出版社，20102 周澤魁主編，控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置，化學(xué)工業(yè)出版社，周澤魁主編，控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置，化學(xué)工業(yè)出版社，20023 何衍慶、俞金壽主編，工業(yè)生產(chǎn)過程控制，化學(xué)工業(yè)出版社，何衍慶、俞金壽主編，工業(yè)生產(chǎn)過程控制，化學(xué)工業(yè)出版社，20044 潘永湘主編，過程控制與自動化儀表第潘永湘主編，過程控制與自動化儀表第2版，機(jī)械工業(yè)出版社，版，機(jī)械工業(yè)出版社，2007 5 曹潤生等編，過程控制儀表，浙江大學(xué)出版社，曹潤生等編，過程控制儀表，浙江大學(xué)出版社，19876 徐春山主編，過程控制儀表，冶金工業(yè)出版社，徐

8、春山主編，過程控制儀表，冶金工業(yè)出版社，1995.7 吳勤勤主編，控制儀表及裝置，第二版，化學(xué)工業(yè)出版社，吳勤勤主編，控制儀表及裝置，第二版，化學(xué)工業(yè)出版社，20028 方康玲主編，過程控制系統(tǒng)，武漢理工大學(xué)出版社，方康玲主編，過程控制系統(tǒng)，武漢理工大學(xué)出版社，20029 王驥程、祝和云主編，化工過程控制工程，化工出版社，王驥程、祝和云主編，化工過程控制工程，化工出版社，198110 向婉成主編，過程控制調(diào)節(jié)裝置，機(jī)械工業(yè)出版社，向婉成主編，過程控制調(diào)節(jié)裝置，機(jī)械工業(yè)出版社，198711 涂植英等主編涂植英等主編,過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng), 機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，198812 金以慧

9、主編，過程控制，清華大學(xué)出版社，金以慧主編，過程控制，清華大學(xué)出版社，1993.413 孟華主編，工業(yè)過程檢測與控制，北京航空航天大學(xué)出版社，孟華主編，工業(yè)過程檢測與控制，北京航空航天大學(xué)出版社，200214 俞金壽、蔣慰孫編著，過程控制工程，電子工業(yè)出版社，俞金壽、蔣慰孫編著，過程控制工程，電子工業(yè)出版社，200715 林德杰主編，過程控制儀表及控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，林德杰主編，過程控制儀表及控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，200416 侯志林，過程控制與自動化儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，侯志林，過程控制與自動化儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，20074/25/20229考核辦法考核辦法v平時成績平時成績(3

10、0%)期末筆試期末筆試(70%) v平時成績：考勤（平時成績：考勤（5分分/次）次）v 作業(yè)（作業(yè)（5分分/次）次） v 回答問題（回答問題（5分分/次）次）v 課堂秩序（課堂秩序（5分分/次）次） v考勤有考勤有4次未到者或平時成績不及格者，取消考試資格次未到者或平時成績不及格者，取消考試資格4/25/202210q1.1 1.1 過程控制系統(tǒng)的組成與分類過程控制系統(tǒng)的組成與分類q1.2 1.2 過程控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)q1.3 1.3 被控對象特性被控對象特性q1.4 1.4 被控過程的數(shù)學(xué)模型被控過程的數(shù)學(xué)模型第一章第一章 過程控制系統(tǒng)的基本概念過

11、程控制系統(tǒng)的基本概念 4/25/202211進(jìn)進(jìn)料料口口出出料料口口H玻璃管液位計(jì)玻璃管液位計(jì)進(jìn)進(jìn)料料口口執(zhí)執(zhí)行行器器變變送送器器調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器1.1.1 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)4/25/202212水槽液位控制 F1LC工作過程：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； F2F14/25/2022131.1.1 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)（a）手動控制 （b）自動控制蒸汽汽包省煤器給水LTLC蒸汽汽包省煤器給水玻璃管液位計(jì)鍋爐汽包液位控制4/25/2022141.1.1 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)4/25/202215

12、1.1.1 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)熱空氣燃料燃料嘴爐膛汽包過熱器減溫器PMD負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥過熱蒸汽送負(fù)荷設(shè)備爐墻省煤器熱空氣送往爐膛給水空氣預(yù)熱器冷空氣煙氣(經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪)4/25/202216鍋爐設(shè)備的三大控制系統(tǒng)給水量減溫水燃料量送風(fēng)量引風(fēng)量水 位蒸汽溫度蒸汽壓力過?？諝鉅t膛負(fù)壓負(fù)荷鍋爐設(shè)備主要控制系統(tǒng)：（1）鍋爐汽包水位的控制； （2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制； （3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。4/25/2022171.1.1 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)（a）手動控制 （b）自動控制蒸汽汽包省煤器給水LTLC蒸汽汽包省煤器給水玻璃管液位計(jì)鍋爐汽包液位控制4/25/2022181.1.1 過程控制

13、系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)4/25/2022191.1.2 過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)的組成4/25/202220工作原理：燃油量增加 T2增大 T1增大變送器輸出信號增加 偏差（測量值-設(shè)定值）為正、增加 控制器輸出減小 （反作用）閥開度減小 燃油量降低討論：分析原油量減少的控制過程；加熱爐溫度控制4/25/2022211.1.2 控制系統(tǒng)組成簡單控制系統(tǒng)由檢測變送單元、控制器、執(zhí)行器和被控對象組成。簡單控制系統(tǒng)由檢測變送單元、控制器、執(zhí)行器和被控對象組成。 被控對象：是指某些被控制的裝置或設(shè)備。例如加熱爐、高爐、沸被控對象：是指某些被控制的裝置或設(shè)備。例如加熱爐、高爐、沸騰爐、回轉(zhuǎn)窯以及貯藏物料

14、的槽罐或輸送物料的管段等。騰爐、回轉(zhuǎn)窯以及貯藏物料的槽罐或輸送物料的管段等。 檢測元件和變送器：用于檢測被控變量，并將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為檢測元件和變送器：用于檢測被控變量，并將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。 控制器：用于將檢測變送單元的輸出信號與設(shè)定值信號進(jìn)行比較，控制器：用于將檢測變送單元的輸出信號與設(shè)定值信號進(jìn)行比較，按一定的控制規(guī)律對其偏差信號進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出到執(zhí)行器。按一定的控制規(guī)律對其偏差信號進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出到執(zhí)行器。 執(zhí)行器：執(zhí)行器接收控制器的輸出信號，通過改變執(zhí)行器節(jié)流件的執(zhí)行器：執(zhí)行器接收控制器的輸出信號，通過改變執(zhí)行器節(jié)流件的流通面積來改變操縱變量

15、。流通面積來改變操縱變量。4/25/2022221.1.3 控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖4/25/202223控制裝置執(zhí)行器過程檢測元件、變送器r(t)比較機(jī)構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動廣義對象被控變量測量值控制器設(shè)定值1.1.3 控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖4/25/202224控制系統(tǒng)框圖控制裝置執(zhí)行器過 程+r(t) e(t) _檢測元件、變送器比較機(jī)構(gòu)控制器q(t) 被控變量c(t) 擾動f(t) 廣義對象測量值y(t)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成u(t)注意幾個變量的區(qū)別：被控變量c 、給定值（或設(shè)定值）r、測量值y 、操縱變量（或控制變量）q、干擾（或外界擾動）f

16、 、偏差信號e 、控制信號u 、閉環(huán)系統(tǒng) 、開環(huán)系統(tǒng)、反饋。 4/25/202225控制器控制器被控對象被控對象測量變送裝置測量變送裝置+SP執(zhí)行器執(zhí)行器4/25/2022264/25/2022274/25/2022284/25/202229鍋爐磁力水位儀鍋爐磁力水位儀 射頻導(dǎo)納物位計(jì)射頻導(dǎo)納物位計(jì) 電動浮筒液位計(jì)電動浮筒液位計(jì)4/25/202230控制器控制器被控對象被控對象測量變送裝置測量變送裝置+SP執(zhí)行器執(zhí)行器壓力變送器壓力變送器 一體式溫度變送器一體式溫度變送器 擴(kuò)散硅液位變送器擴(kuò)散硅液位變送器 4/25/202231控制器控制器被控對象被控對象測量變送裝置測量變送裝置+SP執(zhí)行器執(zhí)

17、行器數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)字調(diào)節(jié)器 模擬調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器 4/25/202232控制器控制器被控對象被控對象測量變送裝置測量變送裝置+SP執(zhí)行器執(zhí)行器直行程電動執(zhí)行器直行程電動執(zhí)行器4/25/202233復(fù)雜過程控制系統(tǒng)復(fù)雜過程控制系統(tǒng)控制器控制器被控對象被控對象測量變送裝置測量變送裝置+SP執(zhí)行器執(zhí)行器過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置1、控制系統(tǒng)的被控量包含了溫度、控制系統(tǒng)的被控量包含了溫度、壓力、流量、液位四大熱工參數(shù)。壓力、流量、液位四大熱工參數(shù)。 2、執(zhí)行器中既有儀表類執(zhí)行器，又、執(zhí)行器中既有儀表類執(zhí)行器，又有交流變頻器、加熱控制器、加熱器有交流變頻器、加熱控制器、加熱器等電力拖動類執(zhí)行

18、器。等電力拖動類執(zhí)行器。3、該裝置是一個微型的鍋爐加熱、該裝置是一個微型的鍋爐加熱、給排水系統(tǒng)，是模擬了工業(yè)現(xiàn)場的小給排水系統(tǒng)，是模擬了工業(yè)現(xiàn)場的小型工廠，具有真實(shí)可靠性和直觀性。型工廠，具有真實(shí)可靠性和直觀性。4、通過工業(yè)總線，上位機(jī)可對裝置、通過工業(yè)總線，上位機(jī)可對裝置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測控制。進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測控制。 5、可提供監(jiān)控圖形畫面。、可提供監(jiān)控圖形畫面。4/25/202234過程控制實(shí)驗(yàn)裝置監(jiān)控畫面過程控制實(shí)驗(yàn)裝置監(jiān)控畫面4/25/2022354/25/2022361.1.4 過程控制系統(tǒng)的分類（一）按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類： 1、反饋控制系統(tǒng) 2、前饋控制系統(tǒng) 3、前饋-反饋控制系統(tǒng)（二）按給

19、定值信號的特點(diǎn)分類 1、定值控制系統(tǒng) 2、隨動控制系統(tǒng) 3、程序控制系統(tǒng)4/25/2022371.1.4 過程控制系統(tǒng)的分類4/25/2022381.1.4 過程控制系統(tǒng)的分類4/25/2022391.1.4 過程控制系統(tǒng)的分類（一）按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類： 1、反饋控制系統(tǒng) 2、前饋控制系統(tǒng) 3、前饋-反饋控制系統(tǒng)（二）按給定值信號的特點(diǎn)分類 1、定值控制系統(tǒng) 2、隨動控制系統(tǒng) 3、程序控制系統(tǒng)4/25/2022401.1.4 過程控制系統(tǒng)的分類4/25/2022411.1.4 過程控制系統(tǒng)的分類t01234T54/25/2022421.1.4 過程控制系統(tǒng)的分類4/25/202243過程控制

20、發(fā)展的歷史：過程控制發(fā)展的歷史：（1）1930-1940年代。微分方程解析方法。主要研究單輸年代。微分方程解析方法。主要研究單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。采用基地式儀表和部分氣動單元組入、單輸出控制系統(tǒng)。采用基地式儀表和部分氣動單元組合儀表。合儀表。（2）1940-1950年代。經(jīng)典控制理論年代。經(jīng)典控制理論頻域法、根軌跡法。頻域法、根軌跡法。主要研究定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。采用基地式儀主要研究定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。采用基地式儀表和大量氣動單元組合儀表。表和大量氣動單元組合儀表。（3）1950-1960年代?，F(xiàn)代控制理論年代?，F(xiàn)代控制理論極小值原理、動態(tài)極小值原理、動態(tài)規(guī)劃、隨機(jī)性系統(tǒng)

21、的最小二乘狀態(tài)估計(jì)等。系統(tǒng)辯識和參規(guī)劃、隨機(jī)性系統(tǒng)的最小二乘狀態(tài)估計(jì)等。系統(tǒng)辯識和參數(shù)估計(jì)、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等控制領(lǐng)域的數(shù)估計(jì)、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等控制領(lǐng)域的理論分支相繼得到開發(fā)和研究。理論分支相繼得到開發(fā)和研究。PID控制和復(fù)雜控制系統(tǒng)?？刂坪蛷?fù)雜控制系統(tǒng)。1.1.5 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況4/25/202244（4）1970-1980年代，為解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化和控制問題，現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合，形成大系統(tǒng)控制理論。出現(xiàn)高維線性系統(tǒng)，同時，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、含有大量不確定性和難于建模的復(fù)雜控制

22、系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這階段的儀表從直接數(shù)字控制進(jìn)化為集散控制系統(tǒng)。（5）1980開始。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、顯示技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程控制也得到了飛速發(fā)展?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和儀表開始得到應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)過程和控制與管理集成在一起，組成了計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)，或綜合自動化系統(tǒng)。4/25/202245 1.2 過程控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)1.2.1 自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài) 在自動控制中，把被控量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)，而把被控量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。 當(dāng)一個自動控制系統(tǒng)的輸入(設(shè)定值和擾動)及輸出均恒定不變時，整個系統(tǒng)

23、就處于一種相對的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，他們的輸出信號都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是上述的靜態(tài)。必須注意，這里所指的靜態(tài)并不是一般所說的靜止?fàn)顟B(tài)。一般所說的靜止是指靜止不動，而在自動控制中，靜態(tài)是指各參數(shù)(或信號)的變化率為零，即參數(shù)保持不變，因?yàn)橄到y(tǒng)處于靜態(tài)時，生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍有進(jìn)出，只是平穩(wěn)的進(jìn)行沒有改變就是了。 4/25/202246 1.2 過程控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)1.2.1 自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài) 在生產(chǎn)過程中，擾動是客觀存在，且是不可避免的，因此了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。例如生產(chǎn)過程中

24、前后工序的互相影響，負(fù)荷的改變，電壓、氣壓的波動，氣候的影響等等，這些擾動是破壞系統(tǒng)平衡狀態(tài)，引起被控量發(fā)生變化的外界因素。在一個自動控制系統(tǒng)投入運(yùn)行時，時時刻刻都有擾動作用于被控對象，以至破壞正常的生產(chǎn)狀態(tài)，因之就需要通過自動控制裝置，不斷的施加調(diào)節(jié)作用去對抗或抵消擾動作用的影響，從而使被控量保持在生產(chǎn)所要控制的技術(shù)指標(biāo)上。 4/25/202247 1.2.2 過程控制系統(tǒng)的過渡過程 當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量隨時間不斷變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)到達(dá)另一個平衡狀態(tài)的過程。在階躍擾動作用下，系統(tǒng)的過渡過程主要有以下幾種形式： (a) 發(fā)散振蕩 (b) 等幅

25、振蕩 (c) 衰減振蕩 (d) 單調(diào)過程過渡過程的幾種基本形式4/25/2022481.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1、穩(wěn)定性：是控制系統(tǒng)性能的首要指標(biāo)。表明組成控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)應(yīng)位于s左半平面。2、準(zhǔn)確性：是控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。表明控制系統(tǒng)的被控變量與參比變量（設(shè)定值）之間的偏差，即靜態(tài)偏差應(yīng)盡可能小。3、快速性：也是控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。當(dāng)控制系統(tǒng)受到擾動影響時，控制系統(tǒng)應(yīng)盡快地做出響應(yīng)，改變操縱變量，使被控變量與參比變量之間有偏差的時間盡可能短。4、偏離度：也是重要的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。表示在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中被控變量偏離參比變量的離散程度。4/25/202249時域控制性能指標(biāo)v用

26、階躍輸入信號作用下控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線表示的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)稱為時域控制性能指標(biāo)。4/25/2022501、衰減比 n 穩(wěn)定性指標(biāo) 衰減率 二階系統(tǒng)常用衰減度 m 表示衰減的程度。 21BBn %100121BBB4/25/2022512、超調(diào)量和最大動態(tài)偏差穩(wěn)定性指標(biāo) 超調(diào)量： 最大動態(tài)偏差： %1001CBCBA14/25/2022523、余差準(zhǔn)確性指標(biāo)4、回復(fù)時間和振蕩頻率快速性指標(biāo) 過度過程要絕對達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值需要無限時間，因此，用被控變量從過渡過程開始到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值5%或2%范圍內(nèi)的時間作為過渡過程的回復(fù)時間TS。 過渡過程的振蕩頻率與振蕩周期的關(guān)系： CryreT24/25/20225

27、35、偏離度 控制系統(tǒng)偏離度是被控變量統(tǒng)計(jì)特性的描述。在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，被控變量的分布通常遵循正態(tài)分布。被控變量的正態(tài)分布曲線被控變量的正態(tài)分布曲線4/25/202254例： 某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和回復(fù)時間（給定值200）。 t/min 230 210 205 200 5 20 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線220溫度/4/25/202255解解 最大偏差：最大偏差：A=230-200=30 余差：余差：C=205-200=5 衰減比：由圖上可以看出，第一個波峰值衰減比：由圖上可以看出，第一個波峰值B1=23

28、0- 205=25，第二個波峰值，第二個波峰值B2=230-205=5，故衰減比應(yīng)，故衰減比應(yīng)為為B1 B2 =25 5=5 1。 振蕩周期：為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期振蕩周期：為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T=20-5=15（min） 過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的假定被控變量進(jìn)入額定值的2%，就可以認(rèn)為過渡過，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200（2%）=4，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為）兩側(cè)以寬度為4畫畫一區(qū)域，圖中以畫有陰影線區(qū)

29、域表示，只要被控變量一區(qū)域，圖中以畫有陰影線區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過渡過程就可以認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過渡過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。4/25/202256積分性能指標(biāo)1、誤差平方積分鑒定指標(biāo)ISE 缺點(diǎn)：會產(chǎn)生振蕩的響應(yīng)2、絕對誤差積分鑒定指標(biāo)IAE 缺點(diǎn)：最小系統(tǒng)誤差的確定有困難3、時間乘絕對誤差積分鑒定指標(biāo)ITAE 缺點(diǎn)：積分鑒定指標(biāo)的解析解不易獲得 不同積分性能指標(biāo)對控制系統(tǒng)優(yōu)良程度的側(cè)重點(diǎn)不同。4/25/2022571.3 被控對象特性 在過程控制系統(tǒng)中，鍋爐、熱交換器、反

30、應(yīng)器、加熱爐、窯爐、料倉、貯槽、流體輸送設(shè)備及一些動力設(shè)備等等是最常見的被控對象。 各種對象千差萬別，每個對象都有其自身的固有的特性，而對象特性的差異對整個系統(tǒng)的運(yùn)行控制有著很大的影響。有的對象很容易操作，控制比較平穩(wěn)；有的生產(chǎn)過程很難操作，只要不小心就會超出正常工藝條件，輕則影響生產(chǎn)，重則造成事故。 因此，只有全面了解和掌握被控對象動態(tài)特性，才能合理的設(shè)計(jì)控制方案，選用合適的檢測和控制儀表，進(jìn)行控制器參數(shù)整定。特別是要設(shè)計(jì)高質(zhì)量的、新型復(fù)雜的控制方案時，如前饋控制、自適應(yīng)控制、計(jì)算機(jī)最優(yōu)控制等等，由于涉及到過程的數(shù)學(xué)模型問題，更離不開對被控對象特性的研究。 4/25/2022581.3 被控

31、對象特性 過程特性是指當(dāng)被控量（操縱變量或擾動變量）發(fā)生變化時，其輸出變量（被控變量）隨時間的變化規(guī)律。 多數(shù)工業(yè)過程的特性分為四種類型。 （1）自衡的非振蕩過程； （2）無自衡的非振蕩過程； （3）自衡的振蕩過程； （4）具有反向特性的過程。4/25/202259（1）自衡的非振蕩過程。該類過程在階躍輸入信號作用下的輸出響應(yīng)曲線沒有振蕩地從一個穩(wěn)態(tài)趨向于另一個穩(wěn)態(tài)。例如：液位儲罐在進(jìn)料閥開度增大時，原來的穩(wěn)定液位會上升，由于出料閥開度未變，隨著液位的升高，靜壓增大，出料流量也增大，因此，液位上升逐漸變慢，直到液位達(dá)到一個新的穩(wěn)定位置。傳遞函數(shù)：sSeTKsG1)(4/25/202260 （2

32、）無自衡的非振蕩過程。該過程沒有自衡能力，它在階躍輸入信號作用下輸出響應(yīng)曲線無振蕩地從一個穩(wěn)態(tài)一直上升或下降，不能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。例如：某些液位儲罐的出料閥采用定量泵排出，當(dāng)進(jìn)料閥開度階躍變化時，液位會一直上升到溢出或下降到排空。傳遞函數(shù)：sesKsG)(ssesTKsG1)(4/25/202261 （3）自衡的振蕩過程。該過程具有自衡能力，它在階躍輸入信號作用下輸出呈現(xiàn)衰減振蕩特性，最終過程會趨于新的穩(wěn)態(tài)值。sessKsG222)(4/25/202262 （4）具有反向特性的過程。該類過程在階躍輸入信號作用下開始與終止時出現(xiàn)反向的變化。 該類過程的典型例子就是鍋爐水位。4/25/202263（

33、a）手動控制 （b）自動控制鍋爐汽包液位控制蒸汽汽包省煤器給水LTLC蒸汽汽包省煤器給水玻管液位計(jì) 當(dāng)蒸汽用量階躍增加時，引起蒸汽壓力突然下降，汽包水位由于水的閃急汽化，造成虛假水位上升，但因用汽量的增加，最終，水位反而下降。這類過程由于控制器根據(jù)水位的上升會做出減少給水量的誤操作，因此，控制這類過程最為困難。4/25/202264 描述對象特性的參數(shù)：（放大系數(shù)、時間常數(shù)、滯后時間） 12L 儲液槽F1F2以儲液槽對象為例： 水經(jīng)過閥門不斷地流入水槽，水槽內(nèi)的水又通過閥門不斷流出，工藝上要求水槽液位保持一定數(shù)值。此處，水槽就是被控對象，液位就是被控量。如果閥門的開度不變，而閥門的開度變化，則

34、此閥門的開度變化就是引起液位變化的擾動因數(shù)。這里所指的對象特性是指當(dāng)閥門的開度發(fā)生變化，也就是輸入水量F1發(fā)生變化時，液位是如何變化的。 4/25/202265 當(dāng)通過閥流入水槽的流量F1等于流出水槽的流量F2時，槽內(nèi)液位就保持在L0不變。如果假定在某時刻突然開大閥門1，并設(shè)輸入水槽流量變化，則由于閥2開度未變，液位上升，上升，液體靜壓加大，使得輸出流量F2也隨之增加，經(jīng)過一段時間，F(xiàn)1等于F2，即輸入與輸出平衡，故穩(wěn)定在一新的數(shù)值L2。的變化開始快以后逐漸變慢，最后穩(wěn)定在L2不變，其原因乃是開始時F1與F2差別大，以后由于的增加，F(xiàn)1與F2的差別逐漸減小直到完全消除。由此可得水流量變化與液位

35、變化的變化曲線如圖所示。此曲線可以描述對象特性。盡管不同對象可以作出不同的變化曲線，但基本上都可以用幾個主要物理量來說明對象的特性。 液位和流量變化曲線FF1F10L2L0LF1F212L 儲液槽F1F24/25/2022661、放大系數(shù)K 由上例可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，一定的F對應(yīng)著一定的L，且令K為L與F之比，用數(shù)學(xué)表示，即KL/F或 LKF。 放大系數(shù)K是一個靜態(tài)特性參數(shù)，只與被控量的變化過程起點(diǎn)與終點(diǎn)有關(guān)，而與被控量的變化過程沒有關(guān)系。利用放大系數(shù)K，可以獲得任何幅值階躍擾動（輸入變化值）對被控量（輸出變化值）的靜態(tài)影響；K愈大（或愈小），則輸入對輸出穩(wěn)定值的影響愈大（或愈小）。顯然，不同

36、擾動通過不同通道進(jìn)入對象時，對輸出的影響各不相同，也即對象的放大系數(shù)是不同的。4/25/2022671、放大系數(shù)K 因此：在考慮控制方案時，應(yīng)分析各種擾動對被控量的影響，比較它們的放大系數(shù)，分析它們的可控性能，選擇放大系數(shù)較大，可控性能較好的作為操縱量，以利于迅速克服擾動對被控量的影響。 4/25/2022682、時間常數(shù)Tc 時間常數(shù)Tc是說明被控量變化快慢的參數(shù)。從大量的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有的對象受到擾動作用后，被控量變化很快，能較迅速地達(dá)到了穩(wěn)定值；有的對象，被控量要經(jīng)過很長時間才能達(dá)到新的穩(wěn)定值，由圖可以看出，不同對象，其時間常數(shù)不同，當(dāng)受到階躍擾動時，其響應(yīng)曲線是不一樣的。 水槽液位單

37、容對象 時間常數(shù)Tc的求解方法：上圖所示的水槽對象是沒有滯后的單容對象，其響應(yīng)曲線是一條指數(shù)曲線，被控量液位經(jīng)過一段時間之后，穩(wěn)定在一新的數(shù)值L；由o點(diǎn)作響應(yīng)曲線的切線交L于B，則ob即為時間常數(shù)Tc。 一般說來，時間常數(shù)Tc小，則對象慣性小，被控量變化速度大，不易控制。 4/25/2022693、滯后時間 有的對象在受到擾動作用后，被控量不是立即變化，而是經(jīng)過一段時間后才開始變化。 0 測點(diǎn)在管道上的蒸汽直接加熱器及其特性FF1F10T2T1FTF1F2lTF蒸汽水溶液 4/25/2022703、滯后時間 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，純滯后的現(xiàn)象是普遍存在的，因?yàn)榭刂崎y門等的安裝位置與對象本身之間總有

38、一段距離，輸入量（或輸出量）的改變和信息的傳遞均需要時間；另外在被控量雖已發(fā)生變化，但要在顯示儀表上反映出來，也有一個信息傳遞的問題，因此我們把純滯后也叫做傳遞滯后。傳遞滯后隨調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與檢測元件之間安裝距離的增加而增大。傳遞滯后給自動控制帶來很大的困難，因?yàn)樵谶@段時間內(nèi)，控制裝置無能為力，控制器不可能在感受到偏差以前就發(fā)出控制信號，所以在自動控制系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)盡可能地避免或減小過程的傳遞滯后。 4/25/202271 注意： 放大系數(shù)K是用來表征對象靜態(tài)特性的參數(shù)，而時間常數(shù)Tc和滯后時間都是用來表征對象受到擾動作用后被控量是如何變化的，因此它們是反映對象動態(tài)特性的參數(shù)。 4/25/202272

39、 注意： 最后還應(yīng)指出，對象的特性還與其負(fù)荷變化有關(guān)。所謂對象的負(fù)荷，是指對象的生產(chǎn)能力或運(yùn)行能力。 負(fù)荷的改變，是由生產(chǎn)需要決定的。當(dāng)負(fù)荷在生產(chǎn)允許的極限范圍內(nèi)變化時，設(shè)備就正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是負(fù)荷變化后，對象的各種阻力就會改變，以致使對象的容量、放大系數(shù)和時間常數(shù)等對象特性亦會改變；另外負(fù)荷變化，物料輸送量或輸送速度也會隨之而變，因而也會影響傳遞滯后。總之，被控對象在不同負(fù)荷下，它的特性參數(shù)是不同的。在設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)時，就應(yīng)當(dāng)考慮到負(fù)荷變化的影響，使系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)適應(yīng)對象負(fù)荷的變化，保證控制的質(zhì)量要求。4/25/2022731.4 過程動態(tài)模型的建立 一個過程控制系統(tǒng)由被控過程和檢測控制儀表兩部分組成。因此，系統(tǒng)的控制品質(zhì)取決于被控過程和檢測控制儀表的特性。由于過程控制儀表的特性是可以人為改變的，以適應(yīng)不同被控過程的需要。因此，系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣，主要取決于對生產(chǎn)過程的了解和建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。 建立過程動態(tài)模型的方法： （1）系統(tǒng)辨識法 （2）機(jī)理建模法 （3）混合方法 4/25/202274系統(tǒng)辨識方法 根據(jù)過程輸入輸出數(shù)據(jù)確定過程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的建模方法稱為系統(tǒng)辨識方法，建立的模型稱為黑箱模型。 根據(jù)所建立模型的參數(shù)不同，系統(tǒng)辨識法可分為非參數(shù)模型辨識和參數(shù)模型辨識兩類方法。 上面介紹的四