第1章 過程控制基本概念

1、過程裝備控制技術過程裝備控制技術李臻峰李臻械工程學院機械工程學院 B21122022-5-21講課講課: 28學時（第學時（第9-15）(18學時過程控制，學時過程控制，10學時學時PLC)實驗實驗: 4學時學時 (第第16周周 時間？）時間？）安排安排:上課上課,課堂討論課堂討論,習題習題,實驗實驗,課程設計課程設計立即復習立即復習: 拉普拉斯變換拉普拉斯變換 (提問、考試提問、考試)32022-5-21n本課程的考核本課程的考核:n平時平時 (出勤、回答問題、作業(yè)等）出勤、回答問題、作業(yè)等） 15%n實驗實驗 15% n期末考試期末考試 70%42022-5-21

2、n主要參考文獻：主要參考文獻：n1.張早校主編，過程控制裝置及系統(tǒng)設計張早校主編，過程控制裝置及系統(tǒng)設計.北京：北京：北京大學出版社，北京大學出版社，2010.8 n（第第1、2、3、4章章）n2.鄧則民，鄧則民， 程良倫，程良倫， 謝光漢謝光漢 編，電器與可編程編，電器與可編程控制器應用技術控制器應用技術. 機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，2008年年10月月 n（第四、九、十一章第四、九、十一章）第第1章章 基本概念基本概念The Basic Concept of Control Systems過程控制：連續(xù)量的控制過程控制：連續(xù)量的控制過程自動化過程自動化自動控制自動控制反導系統(tǒng) Mis

3、sile Defense Systemn彈道導彈防御系統(tǒng)(ballistic missile defense system )，攔截敵方來襲的戰(zhàn)略彈道導彈的武器系統(tǒng)。它包括彈道導彈預警系統(tǒng)、 目標識別系統(tǒng)、 反彈道導彈導彈、引導系統(tǒng)和指揮控制通信系統(tǒng)。反彈道導彈導彈是防御系統(tǒng)的攔截器，按攔截空域分為高空（大氣層外）和低空（大氣層內）攔截導彈。它是在地空導彈的基礎上發(fā)展起來的，通常是兩級或三級有翼導彈，由發(fā)射井垂直發(fā)射，以對付全方位來襲的戰(zhàn)略導彈。62022-5-2172022-5-2182022-5-2192022-5-21102022-5-21教學目標教學目標 通過本章的學習，了解通過本章的

4、學習，了解過程自動化過程自動化的主要內容并復的主要內容并復習掌握一些基本概念。了解過程習掌握一些基本概念。了解過程自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的的組成、方組成、方框圖、分類、過渡過程及其品質指標以及過程控制系統(tǒng)設框圖、分類、過渡過程及其品質指標以及過程控制系統(tǒng)設計研究計研究的基本內容。通過具體實例能夠將理論與實際問題的基本內容。通過具體實例能夠將理論與實際問題相對應，有助于更好的理解本章的內容。相對應，有助于更好的理解本章的內容。PLC 、Process control、 Microprocessor、Embedded system （食品工業(yè)、汽車、鋼鐵、化工）（食品工業(yè)、汽車、鋼鐵、化工）11

5、2022-5-21n問題的提出問題的提出n自動控制在實際過程中是如何進行的？自動控制在實際過程中是如何進行的？n如何設計一個性能良好的自動控制系統(tǒng)？如何設計一個性能良好的自動控制系統(tǒng)？n除了自動控制原理，還需要了解哪些知識？除了自動控制原理，還需要了解哪些知識？n對于復雜的過程對象，如何實施有效控制？對于復雜的過程對象，如何實施有效控制？n現(xiàn)代化的工廠是如何自動控制的？現(xiàn)代化的工廠是如何自動控制的？n。122022-5-21132022-5-21142022-5-21152022-5-21162022-5-21引例引例 （鋼廠掄大鐵鍬鋼廠掄大鐵鍬-西門子自動化西門子自動化 漫灌漫灌-滴灌滴灌

6、熬稀飯熬稀飯-化工反應罐化工反應罐）隨著工業(yè)生產(chǎn)過程向大型化、規(guī)?；?、集成隨著工業(yè)生產(chǎn)過程向大型化、規(guī)?；?、集成化方向的發(fā)展，對生產(chǎn)過程的性能要求越來越高?；较虻陌l(fā)展，對生產(chǎn)過程的性能要求越來越高。此外，隨著資源的枯竭，以及日益嚴峻的環(huán)此外，隨著資源的枯竭，以及日益嚴峻的環(huán)保和安全生產(chǎn)形勢，對過程工業(yè)提出了保和安全生產(chǎn)形勢，對過程工業(yè)提出了更高的指更高的指標要求標要求，由此導致一個現(xiàn)代化的過程生產(chǎn)工廠在，由此導致一個現(xiàn)代化的過程生產(chǎn)工廠在運行操作方面變得越來越復雜。運行操作方面變得越來越復雜。為此，采用安全可靠高效的為此，采用安全可靠高效的過程控制裝置過程控制裝置實實現(xiàn)對過程生產(chǎn)的優(yōu)化控制就

7、顯得尤為重要?，F(xiàn)對過程生產(chǎn)的優(yōu)化控制就顯得尤為重要。從理論和實踐方面掌握過程控制知識，了解從理論和實踐方面掌握過程控制知識，了解過程檢測與控制裝置過程檢測與控制裝置的基本工作原理以及過程控的基本工作原理以及過程控制的基本理論，對于從事過程工業(yè)生產(chǎn)及相關產(chǎn)制的基本理論，對于從事過程工業(yè)生產(chǎn)及相關產(chǎn)品設計開發(fā)的人員具有重要意義。品設計開發(fā)的人員具有重要意義。172022-5-211.1 過程自動化的主要內容過程自動化的主要內容n過程工程過程工程：在各種各樣的生產(chǎn)過程中，其具體的：在各種各樣的生產(chǎn)過程中，其具體的操作步驟以及流程等。操作步驟以及流程等。n過程控制工程過程控制工程：工業(yè)中的過程控制是指

8、對工業(yè)的：工業(yè)中的過程控制是指對工業(yè)的生產(chǎn)過程中如生產(chǎn)過程中如溫度、壓力、流量、液位和成分溫度、壓力、流量、液位和成分(與與離散量比較離散量比較)等工藝參數(shù)等工藝參數(shù)加以要求，加以要求，采用一定的方采用一定的方法對上述工藝參數(shù)加以調節(jié)控制，使得各個參數(shù)法對上述工藝參數(shù)加以調節(jié)控制，使得各個參數(shù)在生產(chǎn)過程中在生產(chǎn)過程中保持在所要求的（保持在所要求的（空調溫度控制隨季節(jié)不同；空調溫度控制隨季節(jié)不同；外部溫度隨季節(jié)也不同外部溫度隨季節(jié)也不同）范圍內）范圍內。182022-5-21成本（便宜是首位）、產(chǎn)品標準化n過程自動化過程自動化：是指在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用各種自：是指在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用各種自動控制

9、、自動檢測和自動調節(jié)裝置，對生產(chǎn)過程動控制、自動檢測和自動調節(jié)裝置，對生產(chǎn)過程進行自動測量、檢驗、計算、控制、監(jiān)視等，以進行自動測量、檢驗、計算、控制、監(jiān)視等，以代替代替“人人”來操縱機器設備。來操縱機器設備。 過程自動化一般包括過程自動化一般包括自動檢測自動檢測、自動保護自動保護、自動自動操縱操縱和和自動調節(jié)自動調節(jié)等方面的內容。（等方面的內容。（熬稀飯熬稀飯-化工罐化工罐）n人工人工-機器，哪個便宜用哪個。近機器，哪個便宜用哪個。近10幾年來世界生產(chǎn)力的部分倒退。幾年來世界生產(chǎn)力的部分倒退。n一個新技術應用到工業(yè)中的基本條件：設備成本、產(chǎn)品質量、長期穩(wěn)定性一個新技術應用到工業(yè)中的基本條件：

10、設備成本、產(chǎn)品質量、長期穩(wěn)定性n世界工業(yè)水平的階梯分布世界工業(yè)水平的階梯分布192022-5-211.1 過程自動化的主要內容過程自動化的主要內容工業(yè)生產(chǎn)中對過程控制的要求總體上可以歸工業(yè)生產(chǎn)中對過程控制的要求總體上可以歸納為三項基本要求：即納為三項基本要求：即安全性（爆炸、低溫、粉安全性（爆炸、低溫、粉塵）、經(jīng)濟性（成本）和穩(wěn)定性（不容易損壞）塵）、經(jīng)濟性（成本）和穩(wěn)定性（不容易損壞）。 過程自動化一般多用于產(chǎn)品結構較先進、工過程自動化一般多用于產(chǎn)品結構較先進、工藝穩(wěn)定、批量大、需要節(jié)約大量勞動力的工業(yè)生藝穩(wěn)定、批量大、需要節(jié)約大量勞動力的工業(yè)生產(chǎn)，以及危險性場合的生產(chǎn)活動中。產(chǎn)，以及危險性

11、場合的生產(chǎn)活動中。過程控制裝過程控制裝置置是生產(chǎn)過程自動化的核心內容部分，是實現(xiàn)過是生產(chǎn)過程自動化的核心內容部分，是實現(xiàn)過程自動化的程自動化的硬件條件。硬件條件。過程自動化在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術發(fā)展中起過程自動化在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術發(fā)展中起到了越來越重要的作用。而過程自動化的程度已到了越來越重要的作用。而過程自動化的程度已經(jīng)成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個經(jīng)成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志重要標志。202022-5-211.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成在日常的工業(yè)生產(chǎn)過程中，所有的生產(chǎn)過程在日常的工業(yè)生產(chǎn)過程中，所有的生產(chǎn)過程都是在相應的溫度、壓力、流量、濃度、成分、都是在相

12、應的溫度、壓力、流量、濃度、成分、厚度和液位等厚度和液位等工藝條件工藝條件下進行的。下進行的。因此，為了滿足相對應的工藝要求，就必須因此，為了滿足相對應的工藝要求，就必須對其生產(chǎn)過程加以控制，使其能夠對其生產(chǎn)過程加以控制，使其能夠穩(wěn)定穩(wěn)定在保證生在保證生產(chǎn)要求的范圍之內進行。產(chǎn)要求的范圍之內進行。為了實現(xiàn)控制的要求，可以對其過程采用為了實現(xiàn)控制的要求，可以對其過程采用自自動控制動控制。 212022-5-211.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成n下面以鍋爐燃燒過程為例，來說明其自動控制系下面以鍋爐燃燒過程為例，來說明其自動控制系統(tǒng)的組成。統(tǒng)的組成。圖圖1-1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖鍋爐燃

13、燒控制系統(tǒng)框圖222022-5-211.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成n鍋爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)有三大鍋爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)有三大任務任務 第第一，維持汽壓恒定一，維持汽壓恒定第二，保證燃燒過程的經(jīng)濟性第二，保證燃燒過程的經(jīng)濟性第三，調節(jié)引風量與送風量以保證爐膛壓力不變第三，調節(jié)引風量與送風量以保證爐膛壓力不變n鍋爐燃燒控制系統(tǒng)一般有三個鍋爐燃燒控制系統(tǒng)一般有三個被控變量被控變量蒸汽壓蒸汽壓煙氣含氧量煙氣含氧量爐膛負壓爐膛負壓n一般有三個一般有三個操縱變量操縱變量燃料量燃料量送風量送風量引風量引風量232022-5-211.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成n完整的過程自動控

14、制系統(tǒng)中各部分定義完整的過程自動控制系統(tǒng)中各部分定義（鍋爐、導彈鍋爐、導彈）（過程）自動控制（過程）自動控制（過程）自動控制系統(tǒng)（過程）自動控制系統(tǒng)被控對象被控對象測量元件和變送器測量元件和變送器調節(jié)器調節(jié)器執(zhí)行器執(zhí)行器被控變量被控變量c(t)給定值給定值r(t)測量值測量值b(t)操縱變量操縱變量m(t)干擾干擾d(t)偏差信號偏差信號e(t)242022-5-21給定裝置校正裝置放大元件輸入信號) (tr比較元件偏差信號)(te控制量控制器執(zhí)行機構被控對象受控系統(tǒng)（被控量）) (ty擾動反饋裝置（檢測元件）主反饋信號)(tb輸出信號252022-5-211.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系

15、統(tǒng)的組成n例例1-1 圖圖1-2所示為某廠的自力式儲槽水位控制系所示為某廠的自力式儲槽水位控制系統(tǒng)。其中儲槽為被控對象；儲槽中的水的液位為統(tǒng)。其中儲槽為被控對象；儲槽中的水的液位為被控變量；進水流量為操縱變量。被控變量；進水流量為操縱變量。圖圖1-2 儲槽水位控制系統(tǒng)儲槽水位控制系統(tǒng)262022-5-211.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成在該系統(tǒng)中，當出水量在該系統(tǒng)中，當出水量突然增大突然增大時，出水量時，出水量大于進水量，使水位下降，浮球下移，通過杠桿大于進水量，使水位下降，浮球下移，通過杠桿裝置帶動針形閥下移，增大了進水量，使得出水裝置帶動針形閥下移，增大了進水量，使得出水量與進

16、水量之差隨之減小，水位下降變緩，直至量與進水量之差隨之減小，水位下降變緩，直至進水量與出水量又相等，水位停止下降，重新穩(wěn)進水量與出水量又相等，水位停止下降，重新穩(wěn)定在某一位置，從而實現(xiàn)了水位自動控制。定在某一位置，從而實現(xiàn)了水位自動控制。272022-5-211.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖在研究控制系統(tǒng)的過程中，為了能夠更清楚在研究控制系統(tǒng)的過程中，為了能夠更清楚更直觀地表示出控制系統(tǒng)中各個組成部分之間的更直觀地表示出控制系統(tǒng)中各個組成部分之間的相互影響和信息的聯(lián)系，一般采用方框圖來表示相互影響和信息的聯(lián)系，一般采用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成以及每部分的作用?？刂葡到y(tǒng)的組成以

17、及每部分的作用。所謂所謂方框圖方框圖就是表示系統(tǒng)各單元、部件之間就是表示系統(tǒng)各單元、部件之間（電）信號（電）信號傳遞關系的一種傳遞關系的一種數(shù)學圖示模型數(shù)學圖示模型，這是，這是控制理論中描述復雜系統(tǒng)的一種簡便方法?？刂评碚撝忻枋鰪碗s系統(tǒng)的一種簡便方法。方框圖適用于線性和非線性系統(tǒng)。方框圖適用于線性和非線性系統(tǒng)。282022-5-211.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖n方框圖的組成和繪制方框圖的組成和繪制方框圖由方框圖由信號線信號線、分支點分支點、相加點相加點和和方框圖方框圖單元單元組成。組成。圖圖1-3 方框圖的基本組成單元方框圖的基本組成單元292022-5-211.3 自動控

18、制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖圖圖1-3（d）中的方框圖單元表示對信號進行）中的方框圖單元表示對信號進行拉普拉斯變換（拉氏變換），其輸出量等于方框拉普拉斯變換（拉氏變換），其輸出量等于方框圖單元的輸入量與傳遞函數(shù)的乘積，即圖單元的輸入量與傳遞函數(shù)的乘積，即傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)定義為零初始條件下系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）定義為零初始條件下系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出拉普拉斯變換與輸入拉普拉斯變換之比。的輸出拉普拉斯變換與輸入拉普拉斯變換之比。21( )XG s X302022-5-211.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖n環(huán)節(jié)的基本連接形式環(huán)節(jié)的基本連接形式串聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)反饋連接反饋連接圖1-4 串聯(lián)

19、環(huán)節(jié)圖1-5 并聯(lián)環(huán)節(jié)圖1-6 反饋連接312022-5-211.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖n串聯(lián)串聯(lián)根據(jù)圖根據(jù)圖1-4可以得出以下的等式：可以得出以下的等式：由此，可以推得下面的函數(shù)：由此，可以推得下面的函數(shù)：因此，因此，整個整個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：21132211( )( )( )( )( )( ) .( )( )( )( )( )( )nnnnnXsG s X sXsG s XsXsGs XsY sG s Xs121( )( )( )( ).( )( )nY sG sG s G sG sX s12( )( )( ).( )nG sG s G sG s32

20、2022-5-211.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖n并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)環(huán)節(jié)輸入量都相同，輸出量的代數(shù)和作并聯(lián)環(huán)節(jié)輸入量都相同，輸出量的代數(shù)和作為環(huán)節(jié)組的輸出。每個環(huán)節(jié)的輸入量都等于為環(huán)節(jié)組的輸出。每個環(huán)節(jié)的輸入量都等于X(s),環(huán)節(jié)組的總輸出為環(huán)節(jié)組的總輸出為 又因為又因為故故因此并聯(lián)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為因此并聯(lián)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為1( )( )niiY sX s1122( )( )( ),( )( )( ),.,( )( )( )nnX sG s X s XsG s X sXsG s X s1( )( )( )niiY sX sG s1( )( )( )( )niiY sG sG sX s

21、332022-5-211.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖n反饋連接反饋連接在圖在圖1-6的反饋連接中，反饋連接環(huán)節(jié)總的傳的反饋連接中，反饋連接環(huán)節(jié)總的傳遞函數(shù)遞函數(shù)G(s)的輸出的輸出Y(s)在經(jīng)過環(huán)節(jié)在經(jīng)過環(huán)節(jié)H(s)后成為反后成為反饋信號饋信號B(s),反饋信號又送到環(huán)節(jié)反饋信號又送到環(huán)節(jié)G(s)的輸入端。的輸入端。在信號的合點上有：在信號的合點上有：即有即有正反饋連接環(huán)節(jié)組成的傳遞函數(shù)，那么其分母是正反饋連接環(huán)節(jié)組成的傳遞函數(shù)，那么其分母是1-G1(s)H(s)。1( )( )( ) ( )( )( )( )E sX sH s Y sY sE s G s11( )( )(

22、)( )1( )( )G sY sG sX sG s H s342022-5-211.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖n閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在控制系統(tǒng)中將被控量反閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在控制系統(tǒng)中將被控量反饋到系統(tǒng)輸入端，對控制作用產(chǎn)生影響的一類控饋到系統(tǒng)輸入端，對控制作用產(chǎn)生影響的一類控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。R(s)表示給定輸入量表示給定輸入量D(s)表示擾動輸入量表示擾動輸入量C(s)表示被控量表示被控量E(s)稱為誤差稱為誤差G1(s)和和G2(s)表示前向通道的傳遞函數(shù)表示前向通道的傳遞函數(shù)B(s)稱為反饋H(s)為反饋通道傳遞函數(shù)圖1-7 閉環(huán)控制

23、系統(tǒng)方框圖352022-5-211.4 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類n按給定值變化規(guī)律分類按給定值變化規(guī)律分類恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)n按控制作用的形式分類按控制作用的形式分類連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)以及繼電作用控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)以及繼電作用控制系統(tǒng)n按系統(tǒng)的特性分類按系統(tǒng)的特性分類線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)n按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)和時變系統(tǒng)n按控制系統(tǒng)的結構分類按控制系統(tǒng)的結構分類閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)和復

24、合控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)n按控制系統(tǒng)閉環(huán)回路的數(shù)目分類按控制系統(tǒng)閉環(huán)回路的數(shù)目分類單回路控制系統(tǒng)和多回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)和多回路控制系統(tǒng)n自適應控制系統(tǒng)自適應控制系統(tǒng)n預測控制系統(tǒng)預測控制系統(tǒng)n魯棒控制系統(tǒng)魯棒控制系統(tǒng)n專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)n模糊控制模糊控制n人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡n學習控制學習控制362022-5-21372022-5-211.5 自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標（自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標（微波微波）n在自動控制系統(tǒng)中，被控變量不隨時間變化的平在自動控制系統(tǒng)中，被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)(也稱也稱靜態(tài)靜態(tài))；n被

25、控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動動態(tài)態(tài)。n當一個自動控制系統(tǒng)的輸入當一個自動控制系統(tǒng)的輸入(設定值與干擾設定值與干擾)和輸和輸出均恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對平衡出均恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對平衡狀態(tài)，即上面所講的穩(wěn)態(tài)。狀態(tài)，即上面所講的穩(wěn)態(tài)。n當系統(tǒng)受到干擾作用，平衡被破壞，使被控變量當系統(tǒng)受到干擾作用，平衡被破壞，使被控變量發(fā)生改變，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和輸出信號都處于變發(fā)生改變，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和輸出信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)就稱為系統(tǒng)的動態(tài)。動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)就稱為系統(tǒng)的動態(tài)。 干擾作用控制作用（平衡破壞）（克服干擾）穩(wěn)態(tài)I

26、(平衡)動態(tài)過程穩(wěn)態(tài)（平衡）382022-5-211.5 自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標n自動控制系統(tǒng)的過渡過程自動控制系統(tǒng)的過渡過程自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控變量隨時自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控變量隨時間變化的過程稱為自動控制系統(tǒng)的過渡過程或控間變化的過程稱為自動控制系統(tǒng)的過渡過程或控制過程，也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一制過程，也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一平衡狀態(tài)的過程。平衡狀態(tài)的過程。穩(wěn)定的過渡過程穩(wěn)定的過渡過程不穩(wěn)定的過渡過程不穩(wěn)定的過渡過程圖圖1-15 控制系統(tǒng)過渡過程幾種基本形式曲線控制系統(tǒng)過渡過程幾種基本形式曲線392022-5-

27、211.5 自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標（自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標（股票、房產(chǎn)股票、房產(chǎn)）n過渡過程的品質指標過渡過程的品質指標衰減比：衰減比：過渡過程曲線同方向的前后相鄰兩個波的幅值之比過渡過程曲線同方向的前后相鄰兩個波的幅值之比余差：余差：過渡過程結束后，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設定值之差過渡過程結束后，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設定值之差最大偏差：最大偏差：整個過渡過程中，被控變量偏離設定值的最大值整個過渡過程中，被控變量偏離設定值的最大值過渡過程時間過渡過程時間：從干擾使被控變量開始變化起，到控制系統(tǒng)又建：從干擾使被控變量開始變化起，到控制系統(tǒng)又建立新的平衡狀態(tài)，被控變量又重新穩(wěn)定為

28、止所經(jīng)歷的這段時間立新的平衡狀態(tài)，被控變量又重新穩(wěn)定為止所經(jīng)歷的這段時間振蕩周期與振蕩頻率振蕩周期與振蕩頻率：過渡過程曲線從第一個波峰到第二個波峰：過渡過程曲線從第一個波峰到第二個波峰之間的時間稱為振蕩周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率之間的時間稱為振蕩周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率圖圖1-16 過渡過程品質指標示意圖過渡過程品質指標示意圖402022-5-211.5 自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標（自動控制系統(tǒng)過渡過程及其品質指標（文章文章9）n對自動控制系統(tǒng)的性能基本要求對自動控制系統(tǒng)的性能基本要求自動控制系統(tǒng)的基本任務是：根據(jù)被控對象自動控制系統(tǒng)的基本任務是：根據(jù)被控對象和環(huán)境的特性，在各種擾動因素作

29、用下，使系統(tǒng)和環(huán)境的特性，在各種擾動因素作用下，使系統(tǒng)的被控量能夠按照預定的規(guī)律變化。的被控量能夠按照預定的規(guī)律變化。對于恒值系統(tǒng)來說，要求系統(tǒng)的被控量維持對于恒值系統(tǒng)來說，要求系統(tǒng)的被控量維持在期望值附近；對于隨動控制系統(tǒng)而言，要求系在期望值附近；對于隨動控制系統(tǒng)而言，要求系統(tǒng)的被控量緊緊跟隨輸入量的變化。統(tǒng)的被控量緊緊跟隨輸入量的變化。穩(wěn)定性：決定一個控制系統(tǒng)能否實際應用的首要條件穩(wěn)定性：決定一個控制系統(tǒng)能否實際應用的首要條件準確性：衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標準確性：衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標快速性：抗擾動時間快速性：抗擾動時間412022-5-211.6 過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容過

30、程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容首先要滿足安全性的要求；首先要滿足安全性的要求； 其次，為了獲得效益，工廠必須使產(chǎn)品滿足產(chǎn)其次，為了獲得效益，工廠必須使產(chǎn)品滿足產(chǎn)品質量和生產(chǎn)率的要求；品質量和生產(chǎn)率的要求； 此外，控制系統(tǒng)應該促進裝置平滑、穩(wěn)定的運此外，控制系統(tǒng)應該促進裝置平滑、穩(wěn)定的運行，避免關鍵過程變量的過多振蕩；行，避免關鍵過程變量的過多振蕩； 最后，控制系統(tǒng)還應該考慮環(huán)境保護問題。最后，控制系統(tǒng)還應該考慮環(huán)境保護問題。422022-5-21n過程控制系統(tǒng)設計步驟過程控制系統(tǒng)設計步驟選擇被控變量與輸入變量選擇被控變量與輸入變量確定控制方案確定控制方案選擇硬件設備選擇硬件設備給出控制器的設定給

31、出控制器的設定432022-5-211.6 過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容n被控變量與輸入變量的選擇被控變量與輸入變量的選擇被控變量被控變量對控制目標起重要影響對控制目標起重要影響可直接控制目標質量可直接控制目標質量傳遞函數(shù)比較簡單、動態(tài)和靜態(tài)特性較好傳遞函數(shù)比較簡單、動態(tài)和靜態(tài)特性較好可測量其他能夠可靠測量的被控變量可測量其他能夠可靠測量的被控變量輸入變量輸入變量對所選定的被控變量影響較大對所選定的被控變量影響較大變化范圍較大變化范圍較大對被控變量作用效應較快對被控變量作用效應較快在復雜系統(tǒng)中，對相應的被控變量有直接影響，而對在復雜系統(tǒng)中，對相應的被控變量有直接

32、影響，而對其他輸出變量的影響應該盡可能的小其他輸出變量的影響應該盡可能的小442022-5-211.6 過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容（過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容（文章文章9）n控制方案的確定控制方案的確定控制結構控制結構1) 反饋控制反饋控制：利用被控變量的直接測量值調節(jié)控制變：利用被控變量的直接測量值調節(jié)控制變量，使被控變量保持在預期值。這類系統(tǒng)的特點是結量，使被控變量保持在預期值。這類系統(tǒng)的特點是結構簡單，具有廣泛的適應性，被控對象一般可以得到構簡單，具有廣泛的適應性，被控對象一般可以得到較好的控制。較好的控制。2) 前饋控制前饋控制：利用擾動量的直接測量值，調節(jié)控制變：利用擾動量的

33、直接測量值，調節(jié)控制變量，使被控變量保持在預期值。與反饋控制不同，前量，使被控變量保持在預期值。與反饋控制不同，前饋控制本質上是在系統(tǒng)存在比較顯著、出現(xiàn)頻繁擾動饋控制本質上是在系統(tǒng)存在比較顯著、出現(xiàn)頻繁擾動時對系統(tǒng)干擾的一種補償控制，以有效抑制擾動對被時對系統(tǒng)干擾的一種補償控制，以有效抑制擾動對被控量的影響?？亓康挠绊?。452022-5-21控制算法控制算法在控制方案確定以后，需要選擇合適的控制算法，根在控制方案確定以后，需要選擇合適的控制算法，根據(jù)控制算法進行控制器設計。據(jù)控制算法進行控制器設計。 462022-5-211.6 過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容n硬

34、件設備的選擇硬件設備的選擇包含傳感器、測量儀表、控制裝置、執(zhí)行機構和報警、包含傳感器、測量儀表、控制裝置、執(zhí)行機構和報警、保護、連鎖等部件。過程控制系統(tǒng)硬件選擇的原則是保證保護、連鎖等部件。過程控制系統(tǒng)硬件選擇的原則是保證控制目標和控制方案的實施。控制目標和控制方案的實施?？刂蒲b置控制裝置簡單的過程控制系統(tǒng)可以選擇單回路控制器，對于比簡單的過程控制系統(tǒng)可以選擇單回路控制器，對于比較復雜的系統(tǒng)需要用計算機控制。較復雜的系統(tǒng)需要用計算機控制。傳感器和測量儀器傳感器和測量儀器1) 可靠性原則：能長期而穩(wěn)定地完成規(guī)定功能的能力可靠性原則：能長期而穩(wěn)定地完成規(guī)定功能的能力2) 實用性原則：執(zhí)行具體功能要

35、求的能力和水平實用性原則：執(zhí)行具體功能要求的能力和水平3) 先進性原則先進性原則472022-5-211.6 過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容n控制器的設定控制器的設定控制系統(tǒng)設計最后一個階段就是給出控制器的設置?？刂葡到y(tǒng)設計最后一個階段就是給出控制器的設置。例如，如果考慮適用例如，如果考慮適用PI控制，控制器的增益控制，控制器的增益Kc和積分和積分時間時間將設定為額定值。通常會在控制系統(tǒng)安裝后，使用將設定為額定值。通常會在控制系統(tǒng)安裝后，使用PID控制器整定策略對額定設定值進行調整?？刂破髡ú呗詫︻~定設定值進行調整。482022-5-21492022-5-211

36、.6 過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容過程控制系統(tǒng)設計研究的基本內容n過程安全問題過程安全問題在現(xiàn)代化的過程在現(xiàn)代化的過程加工工廠中，過程的加工工廠中，過程的安全依賴于安全依賴于多保護層多保護層原理。原理。一般分為一般分為四層四層：最內層，過程設計自最內層，過程設計自身提供了一層保護。身提供了一層保護。緊接著的兩層是由基緊接著的兩層是由基本過程控制系統(tǒng)以及本過程控制系統(tǒng)以及報警操作或干預兩層報警操作或干預兩層組成。最后一層是安組成。最后一層是安全互鎖系統(tǒng)，又稱為全互鎖系統(tǒng)，又稱為安全儀表系統(tǒng)或緊急安全儀表系統(tǒng)或緊急停車系統(tǒng)。停車系統(tǒng)。圖圖1-17 過程安全的多保護層過程安全的多保護層502022

37、-5-211.7 過程控制系統(tǒng)應用實例過程控制系統(tǒng)應用實例 （略）略）例：例：合成氨過程是一個典型化工生產(chǎn)過程。生產(chǎn)合成氨過程是一個典型化工生產(chǎn)過程。生產(chǎn)技術和工藝過程日趨復雜，對過程的控制亦提出技術和工藝過程日趨復雜，對過程的控制亦提出了更高要求。在此就合成氨生產(chǎn)過程中的變換爐了更高要求。在此就合成氨生產(chǎn)過程中的變換爐的控制系統(tǒng)作簡單介紹。的控制系統(tǒng)作簡單介紹。合成氨生產(chǎn)過程中變換工序是一重要環(huán)節(jié)，合成氨生產(chǎn)過程中變換工序是一重要環(huán)節(jié)，它將一氧化碳和水蒸氣反應，變換為氫氣和二氧它將一氧化碳和水蒸氣反應，變換為氫氣和二氧化碳。主要反應為化碳。主要反應為222CO+H OCO +HQ512022

38、-5-211.7 過程控制系統(tǒng)應用實例過程控制系統(tǒng)應用實例1. 變換爐的變比值控制變換爐的變比值控制有時，可直接用變換氣出口氣體中有時，可直接用變換氣出口氣體中CO濃度，濃度，采用采用變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)。根據(jù)變換反應機理，將反。根據(jù)變換反應機理，將反應物流量按一定比值控制，再根據(jù)應物流量按一定比值控制，再根據(jù)CO濃度及時調濃度及時調整比值設定值。整比值設定值。根據(jù)工藝測試分析，變換爐出口根據(jù)工藝測試分析，變換爐出口CO含量一定含量一定時，不同負荷時，不同負荷(半水煤氣半水煤氣)下，水蒸氣和半水煤氣下，水蒸氣和半水煤氣的比值并非定值，而滿足近似的平方關系的比值并非定值，而滿足近似的平方

39、關系為此，在設計比值控制系統(tǒng)時，工藝比值系為此，在設計比值控制系統(tǒng)時，工藝比值系數(shù)數(shù)k成為成為 ；22H OCOQkQ22H OCOQkQ522022-5-211.7 過程控制系統(tǒng)應用實例過程控制系統(tǒng)應用實例在儀表系統(tǒng)的設計中，水蒸氣流量測量采用在儀表系統(tǒng)的設計中，水蒸氣流量測量采用差壓變送器加開方器差壓變送器加開方器，半水煤氣流量測量采用，半水煤氣流量測量采用差差壓變送器壓變送器但不加開方器，儀表比值數(shù)但不加開方器，儀表比值數(shù) 該控制系統(tǒng)投運后，對半水煤氣成分變化、該控制系統(tǒng)投運后，對半水煤氣成分變化、觸媒活性變化等擾動影響都有較好的克服能力。觸媒活性變化等擾動影響都有較好的克服能力。變換爐

40、出口氣體應進行凈化處理，并對分析變換爐出口氣體應進行凈化處理，并對分析儀表進行定期維護是控制系統(tǒng)正常運行的前提。儀表進行定期維護是控制系統(tǒng)正常運行的前提。因控制通道時間常數(shù)比采用入口溫度或一段因控制通道時間常數(shù)比采用入口溫度或一段溫度控制的控制通道時間常數(shù)小，因此控制質量溫度控制的控制通道時間常數(shù)小，因此控制質量較好。較好。22maxmaxCOH OQKkQ532022-5-211.7 過程控制系統(tǒng)應用實例過程控制系統(tǒng)應用實例2.變換爐的優(yōu)化控制變換爐的優(yōu)化控制圖1-19 變換爐的最優(yōu)控制系統(tǒng)542022-5-211.7 過程控制系統(tǒng)應用實例過程控制系統(tǒng)應用實例變換爐的變換爐的控制目標控制目標是變換爐出口氣體中是變換爐出口氣體中CO濃濃度度 ，影響的，影響的擾動變量擾動變量有：變換爐入口氣體溫有：變換爐入口氣體溫度度 ,入口氣體組成入口氣體組成 ，空速，空速 ，觸媒活性，觸媒活性AF等。選擇等。選擇操縱變量操縱變量為入口氣體溫度為入口氣體溫度 (通過調節(jié)通過調節(jié)廢熱鍋爐旁路流量來控制廢熱鍋爐旁路流量來控制)?？刂颇繕??？刂颇繕?與擾動與擾動變量、操縱變量間的函數(shù)關系表示為變量、操縱變量間的函數(shù)關系表示為優(yōu)化目標函數(shù)優(yōu)化目標函數(shù)為：為：求得的最優(yōu)化入口溫度設定值為求得的最優(yōu)化入口溫度設定值為進行線性化，得到近似的增量式線性控制模型為進行線性化，得到近似的增量式線