過(guò)程控制第1章緒論

1、過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制王再英王再英 劉淮霞劉淮霞 陳毅靜陳毅靜 編著編著 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章目錄目錄:第第1章章 緒論緒論第第2章章 檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表第第3章章 控制儀表控制儀表第第4章章 執(zhí)行器及安全柵執(zhí)行器及安全柵第第5章章 被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型第第6章章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定第第7章章

2、 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第第8章章 先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)第第9章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第第10章章 過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章主要參考書(shū)主要參考書(shū)v施仁，施仁， 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 ，2003v侯志林，侯志林， 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 ，2002v歷玉鳴，歷玉鳴， 化工儀表與自動(dòng)化化工儀表與自動(dòng)化 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 ，2003v劉元楊，劉元楊， 自動(dòng)檢測(cè)和過(guò)程控制自動(dòng)檢測(cè)和過(guò)程控制 冶金工業(yè)出版社冶

3、金工業(yè)出版社 ，2003v金以慧，過(guò)程控制金以慧，過(guò)程控制 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 ，1998 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章工業(yè)爐控制的典型情況。工業(yè)爐控制的典型情況。（要求）（要求）1、為了保證燃料在爐膛內(nèi)、為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒正常燃燒，必須保持，必須保持燃料和空氣的比值恒定。它可以防止空氣太多燃料和空氣的比值恒定。它可以防止空氣太多時(shí)，過(guò)?？諝鈳ё叽罅繜崃?；也可防止當(dāng)空氣時(shí)，過(guò)?？諝鈳ё叽罅繜崃?；也可防止當(dāng)空氣太少時(shí)，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧太少時(shí)，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧化碳或碳黑?；蓟蛱己凇?、為了保持所需的、為了保持所需的爐溫爐溫，

4、將測(cè)得的爐溫送入計(jì)，將測(cè)得的爐溫送入計(jì)算機(jī)計(jì)算，進(jìn)而控制燃料和空氣閥門(mén)的開(kāi)度。算機(jī)計(jì)算，進(jìn)而控制燃料和空氣閥門(mén)的開(kāi)度。3、為了保持爐膛、為了保持爐膛壓力恒定壓力恒定，避免在壓力過(guò)低時(shí)，避免在壓力過(guò)低時(shí)從爐墻的縫隙處吸入大量過(guò)?？諝猓蛟趬毫臓t墻的縫隙處吸入大量過(guò)?？諝?，或在壓力過(guò)高時(shí)大量燃料通過(guò)縫隙逸出爐外，必須采用過(guò)高時(shí)大量燃料通過(guò)縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制回路。測(cè)得的爐膛壓力送入計(jì)算機(jī)，壓力控制回路。測(cè)得的爐膛壓力送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)而控制煙道出口擋板的開(kāi)度。進(jìn)而控制煙道出口擋板的開(kāi)度。4、為了提高爐子的、為了提高爐子的熱效率熱效率，還須對(duì)爐子排出的，還須對(duì)爐子排出的廢氣進(jìn)行分析，一般是用

5、氧化鋯傳感器測(cè)量煙廢氣進(jìn)行分析，一般是用氧化鋯傳感器測(cè)量煙氣中的微量氧，通過(guò)計(jì)算而得出其熱效率，并氣中的微量氧，通過(guò)計(jì)算而得出其熱效率，并用以指導(dǎo)燃燒控制。用以指導(dǎo)燃燒控制。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章這是一個(gè)原料混合和加熱這是一個(gè)原料混合和加熱的控制系統(tǒng)，該裝置的任務(wù)的控制系統(tǒng)，該裝置的任務(wù)是：是：（要求）（要求）(1)裝入原料裝入原料A，使液面達(dá)到，使液面達(dá)到貯槽的一半；貯槽的一半；(2)裝入原料裝入原料B，使液面進(jìn)一，使液面進(jìn)一步升到百分之七十五；步升到百分之七十五；(3)開(kāi)始攪拌并加熱到開(kāi)始攪拌并加熱到95，在此恒定溫度上維持在此恒定溫度上維持20min；(4)停止

6、攪拌和加熱，開(kāi)動(dòng)排停止攪拌和加熱，開(kāi)動(dòng)排料泵抽出混合液，一直到液料泵抽出混合液，一直到液位低于貯槽的位低于貯槽的5為止。為止。上述過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，上述過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，按照一定的順序重復(fù)進(jìn)行，按照一定的順序重復(fù)進(jìn)行，完成原料混合和加熱控制。完成原料混合和加熱控制。 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章工廠冷庫(kù)（采用計(jì)算機(jī)控制的萬(wàn)噸級(jí)冷庫(kù)）工廠冷庫(kù)（采用計(jì)算機(jī)控制的萬(wàn)噸級(jí)冷庫(kù)）凍結(jié)系統(tǒng)、低溫冷藏、高溫冷藏凍結(jié)系統(tǒng)、低溫冷藏、高溫冷藏（要求）（要求）：1、實(shí)現(xiàn)能量匹配的自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)能量匹配的自動(dòng)調(diào)節(jié)2、對(duì)各制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、對(duì)各制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制3、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)巡回

7、檢測(cè)、報(bào)警監(jiān)視、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)巡回檢測(cè)、報(bào)警監(jiān)視（功能）（功能）：1、模擬量巡回監(jiān)測(cè)、模擬量巡回監(jiān)測(cè)2、限值報(bào)警監(jiān)視、限值報(bào)警監(jiān)視3、溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)、溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)4、自動(dòng)啟停和能量匹配、自動(dòng)啟停和能量匹配5、事故處理、事故處理過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章五機(jī)架冷連軋機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（五機(jī)架冷連軋機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（17臺(tái)計(jì)算機(jī)臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的分級(jí)控制系統(tǒng)）組成的分級(jí)控制系統(tǒng)）要求：要求：1、軋制速度、軋制速度1800m/min，2、板厚精度、板厚精度5m功能：功能：1、過(guò)程監(jiān)督控制、過(guò)程監(jiān)督控制2、操作監(jiān)督控制、操作監(jiān)督控制3、設(shè)備監(jiān)督控制、設(shè)備監(jiān)督控制過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制

8、系統(tǒng)與儀表 第第1章章第第1 1章章 緒論緒論 過(guò)程控制過(guò)程控制（Process control）是指）是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程程的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的特征是：生產(chǎn)過(guò)程中的各種流連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的特征是：生產(chǎn)過(guò)程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行著物理化體，在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量

9、的轉(zhuǎn)換或傳遞。 例如室內(nèi)溫度的控制。例如室內(nèi)溫度的控制。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章圖圖1 1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過(guò)熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒是通過(guò)熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時(shí)溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時(shí)觀察溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判斷和決定如何操作觀察溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判斷和決定如何操作閥門(mén)來(lái)保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。閥門(mén)來(lái)保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。 在此人的作在此人的作用可分為三步：用可分為三步： 眼看眼看 腦想腦想 手動(dòng)手動(dòng)送

10、風(fēng)送風(fēng)回風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計(jì)閥門(mén)閥門(mén)圖圖1 室溫人工控制示意圖室溫人工控制示意圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章眼看眼看用傳感器或變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為用傳感器或變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號(hào)?？刂破骺山邮艿男盘?hào)。腦想腦想控制器將輸入的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)和要求控制器將輸入的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差值進(jìn)行比較（相減求偏差) ,并按偏差值計(jì)算出控制并按偏差值計(jì)算出控制量。量。手動(dòng)手動(dòng)人工閥門(mén)換成控制閥，按控制信號(hào)自人工閥門(mén)換成控制閥，按控制信號(hào)自動(dòng)改變開(kāi)度。動(dòng)改變開(kāi)度。人工控制受制于人的經(jīng)驗(yàn)和注意力，控制不精人工控制受制于人的經(jīng)驗(yàn)和注意力，控制不精確。而自動(dòng)控制按

11、設(shè)定好的方案進(jìn)行計(jì)算控制，確。而自動(dòng)控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計(jì)算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤？梢宰龅骄_的、恰當(dāng)?shù)目刂?。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)程控制系統(tǒng)的定義：定義： 為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系、制約的由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工一些儀表、裝置及工藝對(duì)象、設(shè)備構(gòu)成的藝對(duì)象、設(shè)備構(gòu)成的 一個(gè)整體。一個(gè)整體。 圖圖2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人。為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人?；仫L(fēng)恒溫室23送風(fēng)送風(fēng)熱水熱水M回水回水41圖圖2 室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1熱水

12、加熱器；熱水加熱器；3控制器；控制器；2傳感變送器；傳感變送器；4執(zhí)行器執(zhí)行器TCTT過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 在討論控制系統(tǒng)工作原理時(shí)，為清楚地表示自在討論控制系統(tǒng)工作原理時(shí)，為清楚地表示自動(dòng)控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用動(dòng)控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來(lái)表示控制系統(tǒng)。原理框圖來(lái)表示控制系統(tǒng)。 如圖如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥加熱器加熱器及房間及房

13、間 +e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 用通用名稱表示為：用通用名稱表示為： 給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值 過(guò)程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的過(guò)程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。 過(guò)程控制系統(tǒng)原理方框圖過(guò)程控制系統(tǒng)原理方框圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.1 過(guò)程控制的特點(diǎn)過(guò)程控制

14、的特點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：過(guò)程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣2控制方案豐富控制方案豐富 3控制對(duì)象大多屬于慢過(guò)程控制對(duì)象大多屬于慢過(guò)程4大多數(shù)工藝要求定值控制大多數(shù)工藝要求定值控制5大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)、控制儀表及裝置大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)、控制儀表及裝置過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2 過(guò)程控制的發(fā)展概況過(guò)程控制的發(fā)展概況 過(guò)程控制的發(fā)展歷程，就是過(guò)程控制裝置（自過(guò)程控制的發(fā)展歷程，就是過(guò)程控制裝置（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過(guò)程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程過(guò)程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)

15、程1局部自動(dòng)化階段局部自動(dòng)化階段 （20世紀(jì)世紀(jì) 5060年代）年代）q自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡(jiǎn)單的測(cè)控功能。備上，只具備簡(jiǎn)單的測(cè)控功能。q適用于小規(guī)模、局部過(guò)程控制。適用于小規(guī)模、局部過(guò)程控制。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章特點(diǎn)：特點(diǎn)：q自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。要可以組合成各種控制系統(tǒng)。q控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往控制室。操作人員數(shù)通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往控制室。操作人員可以在控制

16、室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。q適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2集中控制階段集中控制階段（20世紀(jì)世紀(jì)6070年代）年代）過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3集散控制階段集散控制階段（20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期至今）年代中期至今）計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。最初，人們?cè)O(shè)想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制最初，人們?cè)O(shè)想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（ DDC， Direct Digital Control ） 。但但

17、DDC系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過(guò)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此， DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；诘臄?shù)字控制儀表?；?“集中管集中管理，分散控制理，分散控制” 的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了集中、分散相結(jié)合的機(jī)與網(wǎng)絡(luò)

18、技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（集散型控制系統(tǒng)（ DCS， Distributed Control System） 。 DCS系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章隨著隨著CPU進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（線控制系

19、統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)。 FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、控制?，F(xiàn)場(chǎng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、控制。而用開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)而用開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總現(xiàn)場(chǎng)總線，將分散在現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的通信連接起來(lái)，線，將分散在現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的通信連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。實(shí)現(xiàn)信息集中管理。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2.2過(guò)程控制策略與算法發(fā)展過(guò)程控制策略與算法發(fā)展 伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過(guò)程控制策略與

20、算伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過(guò)程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。法也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。 以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID （Proportional Integral Derivative）控制算法，由單回路控制發(fā)）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。 隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推理控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、自適應(yīng)耦控制、推理控制、預(yù)測(cè)控制、模

21、糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善。控制等控制策略與算法，也日趨完善。 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢(shì)，功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來(lái)越大。其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來(lái)越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來(lái)系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來(lái)越高，控制手段日益豐富。越高，控制手段日益豐富。國(guó)內(nèi)

22、外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川國(guó)內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、儀表公司、上海儀表公司、Foxboro 、 Siemens 、 Yokogawa 、 Rosemount 、 Honeywell 等公司。等公司。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.3.1過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參過(guò)程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來(lái)分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控?cái)?shù)來(lái)分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的

23、信號(hào)方式來(lái)分，有制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號(hào)方式來(lái)分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來(lái)模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來(lái)分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1. 按設(shè)定值的形式分類按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值恒定不變。設(shè)定值恒定不變。2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定值隨時(shí)可能變化。設(shè)定值隨時(shí)可能變化。3）

24、程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2. 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)） 將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如：控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如： 給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值反饋控

25、制系統(tǒng)是過(guò)程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。反饋控制系統(tǒng)是過(guò)程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2）前饋控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)）前饋控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)） 控制系統(tǒng)沒(méi)有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量控制系統(tǒng)沒(méi)有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：引入到控制器輸入端。如：測(cè)量值測(cè)量值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。如：前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。如：給定值給定值被控變量被控變量

26、干擾干擾f 控制器控制器1 變送器變送器1執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值 變送器變送器2控制器控制器2+前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)被控對(duì)象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，控當(dāng)被控對(duì)象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過(guò)程，反映了控制制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過(guò)程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對(duì)控制的要求來(lái)控制系統(tǒng)的性

27、能指標(biāo)是根據(jù)工藝對(duì)控制的要求來(lái)制定的，概括為制定的，概括為穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性和和快速性快速性。t0y y過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài) 1、穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜靜態(tài)態(tài)）。）。 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，系當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài) ，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出

28、，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒(méi)有改變就是了。仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒(méi)有改變就是了。 靜態(tài)特性靜態(tài)特性靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。 靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡即控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)渡過(guò)程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時(shí)，被控。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時(shí)，被控變量就會(huì)發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置變量就會(huì)發(fā)生

29、變化，而控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置就要產(chǎn)生控制作用來(lái)使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。就要產(chǎn)生控制作用來(lái)使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸在動(dòng)態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。出變化關(guān)系。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.2控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來(lái)的平衡狀控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來(lái)的平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱態(tài)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。 系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)受系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)受內(nèi)部?jī)?nèi)部和和外部外部?jī)煞N因素的影響。兩種因素的影響。給定值給

30、定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象 +e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性 系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。結(jié)構(gòu)所決定的。 2、外部因素：輸入信號(hào)、外部因素：輸入信號(hào) 在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時(shí)間的在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號(hào)。變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號(hào)。 生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號(hào)是隨機(jī)的。但在分析生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號(hào)是

31、隨機(jī)的。但在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號(hào)，其中常用的析方便，常選擇一些特定的輸入信號(hào)，其中常用的是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章v 階躍信號(hào)的輸入突然，對(duì)被控變量的影響也最階躍信號(hào)的輸入突然，對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。v 階躍信號(hào)的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、階躍信號(hào)的形式簡(jiǎn)單，

32、容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號(hào)。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號(hào)。如圖，輸入信號(hào)在如圖，輸入信號(hào)在 t = 0時(shí)，階躍上升幅度為時(shí)，階躍上升幅度為 A ，其，其后保持。表達(dá)為后保持。表達(dá)為 f (t) = A ( t )Atf（t）過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過(guò)渡在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程有過(guò)程有四種四種形式：形式： 單調(diào)衰減過(guò)程單調(diào)衰減過(guò)程 被控變量在給定值的被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。定在某一數(shù)值上。 振蕩衰減過(guò)程振蕩衰減過(guò)程 被控變量上下波動(dòng)，被

33、控變量上下波動(dòng)，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。定在某一數(shù)值上。t0a0a過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章等幅振蕩過(guò)程等幅振蕩過(guò)程 被控變量在給定值附被控變量在給定值附近來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度近來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。保持不變。 振蕩發(fā)散過(guò)程振蕩發(fā)散過(guò)程 被控變量來(lái)回波動(dòng)，被控變量來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸變大，離且波動(dòng)幅度逐漸變大，離給定值越來(lái)越遠(yuǎn)。給定值越來(lái)越遠(yuǎn)。t0aa0t過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)渡過(guò)程的分類過(guò)渡過(guò)程的分類 （1）穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程 單調(diào)過(guò)程和衰減振蕩過(guò)程是穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程。被單調(diào)過(guò)程和衰減振

34、蕩過(guò)程是穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程。被控變量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，逐漸趨向原來(lái)的或新的平衡控變量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，逐漸趨向原來(lái)的或新的平衡狀態(tài)。狀態(tài)。 衰減振蕩過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較短，經(jīng)常采用。衰減振蕩過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較短，經(jīng)常采用。 單調(diào)過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較慢單調(diào)過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較慢 ，被控變量長(zhǎng)時(shí)間地偏，被控變量長(zhǎng)時(shí)間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動(dòng)的情況下才采用。量有波動(dòng)的情況下才采用。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章（2）不穩(wěn)定過(guò)渡過(guò)程不穩(wěn)定過(guò)渡過(guò)程 發(fā)散振蕩過(guò)程中，被控變量不但不能達(dá)到平衡發(fā)散振蕩過(guò)程中，被控變量不但不能達(dá)到平衡

35、狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過(guò)渡過(guò)程臨界過(guò)渡過(guò)程 處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)為是不穩(wěn)定處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)為是不穩(wěn)定過(guò)程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高過(guò)程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場(chǎng)合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到這種效果。的場(chǎng)合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到這種效果。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 對(duì)控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，是根據(jù)工藝對(duì)控制對(duì)控制系統(tǒng)的性能

36、評(píng)價(jià)，是根據(jù)工藝對(duì)控制過(guò)程和結(jié)果的要求來(lái)衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過(guò)渡過(guò)過(guò)程和結(jié)果的要求來(lái)衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲線是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。程曲線是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。 最典型的控制性能測(cè)試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階最典型的控制性能測(cè)試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。 階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：干擾

37、階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值干擾階躍響應(yīng)干擾階躍響應(yīng)t0y y過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值給定階躍響應(yīng)給定階躍響應(yīng)0ty y過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo) 單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對(duì)控制系統(tǒng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準(zhǔn)準(zhǔn)確性確性和和快速性快速性三方面的評(píng)價(jià)。三方面的評(píng)

38、價(jià)。 控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類 單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過(guò)渡過(guò)程的單單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過(guò)渡過(guò)程的單項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，而偏差積分性能指標(biāo)則是一項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，而偏差積分性能指標(biāo)則是一種綜合性指標(biāo)。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減種綜合性指標(biāo)。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過(guò)程，所以以衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程形式為例，討振蕩過(guò)程，所以以衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1）衰減比）衰減比n和衰減率和衰減率設(shè)第一個(gè)波振幅為設(shè)第一個(gè)波振幅為

39、 y1、第三個(gè)波振幅為、第三個(gè)波振幅為 y3圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt13yny131yy11yn 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章衰減比衰減比 n 和衰減率和衰減率 是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。標(biāo)。n大于大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過(guò)渡的增大，過(guò)渡過(guò)程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過(guò)程。過(guò)程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過(guò)程。試驗(yàn)證明：試驗(yàn)證明：衰減比在衰減比在 4: 1到到10:1之間時(shí)，之間時(shí)，過(guò)渡過(guò)過(guò)渡過(guò)程的程的衰減程度合適，衰減程度

40、合適，過(guò)渡過(guò)程較短。過(guò)渡過(guò)程較短。衰減比衰減比n與衰減率與衰減率之間有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：之間有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：n = 4:110:1 就相當(dāng)于就相當(dāng)于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。 2）最大動(dòng)態(tài)偏差）最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量和超調(diào)量 最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即程度。即: A = ymax - r 圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yr

41、y1y3Cy()TpTSTtA過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 有時(shí)也采用超調(diào)量有時(shí)也采用超調(diào)量來(lái)表示被控參數(shù)偏離設(shè)定來(lái)表示被控參數(shù)偏離設(shè)定值的程度，值的程度， 的定義是第一個(gè)波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值的定義是第一個(gè)波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即之比。即圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt1y100%y()過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）余差）余差C 過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量定值之

42、間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。C= y() - r圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章4）調(diào)節(jié)時(shí)間）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率和振蕩頻率 Ts是指從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到過(guò)渡過(guò)程結(jié)束所需的是指從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到過(guò)渡過(guò)程結(jié)束所需的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的5% （或（或2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)

43、對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3y()TpTSTt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。指標(biāo)。過(guò)渡過(guò)程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的過(guò)渡過(guò)程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期時(shí)間間隔叫振蕩周期T ，其倒數(shù)稱為振蕩頻率，其倒數(shù)稱為振蕩頻率 f = 1/ T圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3y()TpTSTt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 另外還有峰值

44、時(shí)間另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過(guò)（又稱上升時(shí)間），是指過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的渡過(guò)程開(kāi)始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 例例 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200 。 在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖所示。試求在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩

45、周期和過(guò)渡時(shí)間。最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間。 解：解：最大偏差最大偏差 A = 230-200 = 30余差余差 C= 205-200 = 5衰減比衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章振蕩周期振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程結(jié)束，則誤差區(qū)域程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205 （ 2） 4.1在新穩(wěn)態(tài)值（在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為）兩側(cè)以寬度為4.1畫(huà)一畫(huà)一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn) Ts

46、 = 22min過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)q穩(wěn)定性穩(wěn)定性 衰減比衰減比n = 4:110:1最佳最佳 q準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 余差余差C小好小好 最大偏差最大偏差 A 小好小好q快速性快速性 過(guò)渡時(shí)間過(guò)渡時(shí)間 Ts 短好短好 振蕩周期振蕩周期 T 短好短好各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過(guò)分減小最大偏差，會(huì)使過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)。因此，過(guò)分減小最大偏差，會(huì)使過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先

47、予以保證。定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)偏差積分偏差積分 單項(xiàng)指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比單項(xiàng)指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時(shí)間都與偏差較困難。而偏差幅度和偏差存在的時(shí)間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)指標(biāo)，就可以全積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)指標(biāo)，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy()TpTSTt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章tyrCy()yrCy()t偏差積分的原始定義：偏差積分的原始定義：IE= e (t) dt0偏差的定義存在分歧：偏差的定義存在分歧： e (t) = y(t) - y() 不能表達(dá)余差不能表達(dá)余差 e (t) = y(t) - y(r) 如有余差則積分無(wú)窮大如有余差則積