過程控制緒論

1、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 自動化儀表與過程控制自動化儀表與過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 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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)行器被控對象被控對象+e實測值實測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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 檢測儀表檢測儀表第第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 被控過程的數(shù)學模型被控過程的數(shù)學模型第第6章章 簡單控制系統(tǒng)的設計與參數(shù)整定簡單控制系統(tǒng)的設計與參數(shù)整定第第7章章

2、 復雜控制系統(tǒng)復雜控制系統(tǒng)第第8章章 先進過程控制技術先進過程控制技術第第9章章 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)第第10章章 過程控制系統(tǒng)應用實例過程控制系統(tǒng)應用實例過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章主要參考書主要參考書v施仁，施仁， 自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 ，2003v侯志林，侯志林， 過程控制與自動化儀表過程控制與自動化儀表 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 ，2002v歷玉鳴，歷玉鳴， 化工儀表與自動化化工儀表與自動化 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 ，2003v劉元楊，劉元楊， 自動檢測和過程控制自動檢測和過程控制 冶金工業(yè)出版社冶

3、金工業(yè)出版社 ，2003v金以慧，過程控制金以慧，過程控制 清華大學出版社清華大學出版社 ，1998 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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，過?？諝鈳ё叽罅繜崃?；也可防止當空氣時，過?？諝鈳ё叽罅繜崃浚灰部煞乐巩斂諝馓贂r，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧太少時，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?。2、為了保持所需的、為了保持所需的爐溫爐溫，

4、將測得的爐溫送入計，將測得的爐溫送入計算機計算，進而控制燃料和空氣閥門的開度。算機計算，進而控制燃料和空氣閥門的開度。3、為了保持爐膛、為了保持爐膛壓力恒定壓力恒定，避免在壓力過低時，避免在壓力過低時從爐墻的縫隙處吸入大量過?？諝?，或在壓力從爐墻的縫隙處吸入大量過?？諝?，或在壓力過高時大量燃料通過縫隙逸出爐外，必須采用過高時大量燃料通過縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計算機，壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計算機，進而控制煙道出口擋板的開度。進而控制煙道出口擋板的開度。4、為了提高爐子的、為了提高爐子的熱效率熱效率，還須對爐子排出的，還須對爐子排出的廢氣進行分析，一般是用

5、氧化鋯傳感器測量煙廢氣進行分析，一般是用氧化鋯傳感器測量煙氣中的微量氧，通過計算而得出其熱效率，并氣中的微量氧，通過計算而得出其熱效率，并用以指導燃燒控制。用以指導燃燒控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章這是一個原料混合和加熱這是一個原料混合和加熱的控制系統(tǒng)，該裝置的任務的控制系統(tǒng)，該裝置的任務是：是：（要求）（要求）(1)裝入原料裝入原料A，使液面達到，使液面達到貯槽的一半；貯槽的一半；(2)裝入原料裝入原料B，使液面進一，使液面進一步升到百分之七十五；步升到百分之七十五；(3)開始攪拌并加熱到開始攪拌并加熱到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，開動排停止攪拌和加熱，開動排料泵抽出混合液，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。上述過程由計算機自動控制，上述過程由計算機自動控制，按照一定的順序重復進行，按照一定的順序重復進行，完成原料混合和加熱控制。完成原料混合和加熱控制。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章工廠冷庫（采用計算機控制的萬噸級冷庫）工廠冷庫（采用計算機控制的萬噸級冷庫）凍結系統(tǒng)、低溫冷藏、高溫冷藏凍結系統(tǒng)、低溫冷藏、高溫冷藏（要求）（要求）：1、實現(xiàn)能量匹配的自動調節(jié)、實現(xiàn)能量匹配的自動調節(jié)2、對各制冷系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制、對各制冷系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制3、對現(xiàn)場參數(shù)實現(xiàn)巡回

7、檢測、報警監(jiān)視、對現(xiàn)場參數(shù)實現(xiàn)巡回檢測、報警監(jiān)視（功能）（功能）：1、模擬量巡回監(jiān)測、模擬量巡回監(jiān)測2、限值報警監(jiān)視、限值報警監(jiān)視3、溫度閉環(huán)調節(jié)、溫度閉環(huán)調節(jié)4、自動啟停和能量匹配、自動啟停和能量匹配5、事故處理、事故處理過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章五機架冷連軋機計算機控制系統(tǒng)（五機架冷連軋機計算機控制系統(tǒng)（17臺計算機臺計算機組成的分級控制系統(tǒng)）組成的分級控制系統(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、過程監(jiān)督控制、過程監(jiān)督控制2、操作監(jiān)督控制、操作監(jiān)督控制3、設備監(jiān)督控制、設備監(jiān)督控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制

8、系統(tǒng)與儀表 第第1章章第第1 1章章 緒論緒論 過程控制過程控制（Process control）是指）是指連續(xù)生產(chǎn)過連續(xù)生產(chǎn)過程程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、的自動控制。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)境工程等許多領域的自動控制系統(tǒng)，都屬于領域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制過程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質能量的轉換或傳遞。學反應、物質能量

9、的轉換或傳遞。 例如室內(nèi)溫度的控制。例如室內(nèi)溫度的控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章圖圖1 1為人工控制室溫。假設在冬季，室內(nèi)加溫為人工控制室溫。假設在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。 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 手動手動送

10、風送風回風回風恒溫室溫度計閥門閥門圖圖1 室溫人工控制示意圖室溫人工控制示意圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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轉換為用傳感器或變送器將溫度信號轉換為控制器可接受的信號。控制器可接受的信號。腦想腦想控制器將輸入的實測溫度信號和要求控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差值進行比較（相減求偏差) ,并按偏差值計算出控制并按偏差值計算出控制量。量。手動手動人工閥門換成控制閥，按控制信號自人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。動改變開度。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按

11、設定好的方案進行計算控制，確。而自動控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當?shù)目刂啤？梢宰龅骄_的、恰當?shù)目刂啤＿^程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 過程控制系統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)的定義：定義： 為實現(xiàn)對某個工為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，藝參數(shù)的自動控制，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、裝置及工藝對象、設備構成的藝對象、設備構成的 一個整體。一個整體。 圖圖2為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人。為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人?；仫L恒溫室23送風送風熱水熱水M回水回水41圖圖2 室溫自動控制系統(tǒng)示意圖室溫自動控制系統(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過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關系，一般用動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。原理框圖來表示控制系統(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、電動調節(jié)閥和加熱器及房間組成。器、電動調節(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 變送器變送器調節(jié)閥調節(jié)閥加熱器加熱器及房間及房

13、間 +e實測值實測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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)行器被控對象被控對象+e實測值實測值 過程控制系統(tǒng)的主要任務是：對生產(chǎn)過程中的過程控制系統(tǒng)的主要任務是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(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）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。 過程控制系統(tǒng)原理方框圖過程控制系統(tǒng)原理方框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.1 過程控制的特點過程控制

14、的特點過程控制系統(tǒng)具有以下特點：過程控制系統(tǒng)具有以下特點：1控制對象復雜、控制要求多樣控制對象復雜、控制要求多樣2控制方案豐富控制方案豐富 3控制對象大多屬于慢過程控制對象大多屬于慢過程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大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2 過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展概況 過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過

15、程1局部自動化階段局部自動化階段 （20世紀世紀 5060年代）年代）q自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設備上，只具備簡單的測控功能。備上，只具備簡單的測控功能。q適用于小規(guī)模、局部過程控制。適用于小規(guī)模、局部過程控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章特點：特點：q自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需自動化儀表劃分成各種標準功能單元，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)場各處的參控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，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?？梢栽诳刂剖冶O(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世紀世紀6070年代）年代）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3集散控制階段集散控制階段（20世紀世紀70年代中期至今）年代中期至今）計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（ DDC， Direct Digital Control ） 。但但

17、DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風險加大。因此，程風險加大。因此， DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應用。系統(tǒng)并未得到廣泛應用。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，年代初，隨著計算機性能提高、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。基于 “集中管集中管理，分散控制理，分散控制” 的理念，在數(shù)字控制儀表和計算的理念，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的機與網(wǎng)絡

18、技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結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)實行分層結構，將控制故障風險分系統(tǒng)實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。散、管理功能集中。得到廣泛應用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章隨著隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構成的現(xiàn)場總控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構成的現(xiàn)場總線控制系統(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，依靠系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制?，F(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網(wǎng)絡而用開放的、標準化的通信網(wǎng)絡現(xiàn)場總現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。實現(xiàn)信息集中管理。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展過程控制策略與算法發(fā)展 伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與

20、算伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復雜的發(fā)展歷程。法也經(jīng)歷了由簡單到復雜的發(fā)展歷程。 以經(jīng)典控制理論為基礎的以經(jīng)典控制理論為基礎的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)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預估控制及選擇性控制等控制策略。預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的發(fā)展，解隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術的發(fā)展，解耦控制、推理控制、預測控制、模糊控制、自適應耦控制、推理控制、預測控制、模

21、糊控制、自適應控制等控制策略與算法，也日趨完善?？刂频瓤刂撇呗耘c算法，也日趨完善。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章現(xiàn)代自動控制技術的主要特點：現(xiàn)代自動控制技術的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應用領域和規(guī)模越來越大。其應用領域和規(guī)模越來越大。2、技術密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術、通技術密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術、通訊技術、計算機技術相結合的產(chǎn)物。訊技術、計算機技術相結合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)

22、外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川國內(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。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控數(shù)來分，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、信號方式來分，有制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)等。分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設定值的形式或系統(tǒng)的結構特點分類。定值的形式或系統(tǒng)的結構特點分類。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1. 按設定值的形式分類按設定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 設定值恒定不變。設定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)設定值隨時可能變化。設定值隨時可能變化。3）

24、程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)設定值按預定的時間程序變化。設定值按預定的時間程序變化。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)行器被控對象被控對象+e實測值實測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2. 按系統(tǒng)的結構特點分類按系統(tǒng)的結構特點分類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)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：控變量負反饋的控制系統(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)行器被控對象被控對象+e實測值實測值反饋控

25、制系統(tǒng)是過程控制最基本的結構形式。反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結構形式。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)） 控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，不將被控變量控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，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：測量值測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)行器被控對象被控對象 開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng) 前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。如：前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。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)行器被控對象被控對象+e實測值實測值 變送器變送器2控制器控制器2+前饋前饋-反饋復合控制系統(tǒng)原理框圖反饋復合控制系統(tǒng)原理框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標過程控制系統(tǒng)的性能指標當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標。系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標?？刂葡到y(tǒng)的性能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來控制系統(tǒng)的性

27、能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為制定的，概括為穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準確性準確性和和快速性快速性。t0y y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動態(tài)穩(wěn)態(tài)與動態(tài) 1、穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(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)）。）。 當自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系當自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài) ，系統(tǒng)的各個環(huán)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進行，物料和能量節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進行，物料和能量仍然有進有出

28、，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。 靜態(tài)特性靜態(tài)特性靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系。靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系。 靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)動態(tài)ty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)、動態(tài)把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的狀態(tài)的過渡過程過渡過程。當干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控。當干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置變量就會發(fā)生

29、變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復平衡。就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復平衡。動態(tài)特性動態(tài)特性在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關系。出變化關系。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的過渡過程 控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。為系統(tǒng)的過渡過程。 系統(tǒng)的過渡響應受系統(tǒng)的過渡響應受內(nèi)部內(nèi)部和和外部外部兩種因素的影響。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)行器被控對象被控對象 +e實測值實測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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)的結構所決定的。結構所決定的。 2、外部因素：輸入信號、外部因素：輸入信號 在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。 生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是

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

32、容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在如圖，輸入信號在 t = 0時，階躍上升幅度為時，階躍上升幅度為 A ，其，其后保持。表達為后保持。表達為 f (t) = A ( t )Atf（t）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有過程有四種四種形式：形式： 單調衰減過程單調衰減過程 被控變量在給定值的被控變量在給定值的一側作單調變化，最后穩(wěn)一側作單調變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。定在某一數(shù)值上。 振蕩衰減過程振蕩衰減過程 被控變量上下波動，被

33、控變量上下波動，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過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章等幅振蕩過程等幅振蕩過程 被控變量在給定值附被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度近來回波動，且波動幅度保持不變。保持不變。 振蕩發(fā)散過程振蕩發(fā)散過程 被控變量來回波動，被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。給定值越來越遠。t0aa0t過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過渡過程的分類過渡過程的分類 （1）穩(wěn)定的過渡過程穩(wěn)定的過渡過程 單調過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被單調過程和衰減振

34、蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡控變量經(jīng)過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。狀態(tài)。 衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。 單調過程的過渡過程較慢單調過程的過渡過程較慢 ，被控變量長時間地偏，被控變量長時間地偏離給定值，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的情況下才采用。量有波動的情況下才采用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章（2）不穩(wěn)定過渡過程不穩(wěn)定過渡過程 發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡

35、狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導致被控變量超狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導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）臨界過渡過程臨界過渡過程 處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的性能指標 對控制系統(tǒng)的性能評價，是根據(jù)工藝對控制對控制系統(tǒng)的性能

36、評價，是根據(jù)工藝對控制過程和結果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過過程和結果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程曲線是評價控制系統(tǒng)品質的樣本。程曲線是評價控制系統(tǒng)品質的樣本。 最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個階最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應的品質。躍信號，觀察其階躍響應的品質。 階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應兩階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標是一致的。統(tǒng)的性能指標是一致的。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章干擾階躍響應和給定階躍響應的區(qū)別：干擾

37、階躍響應和給定階躍響應的區(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)行器被控對象被控對象+e實測值實測值(a) 干擾階躍響應干擾階躍響應t0y y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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)行器被控對象被控對象+e實測值實測值(b) 給定階躍響應給定階躍響應0ty y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1. 系統(tǒng)階躍響應的單項性能指標系統(tǒng)階躍響應的單項性能指標 單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準準確性確性和和快速性快速性三方面的

38、評價。三方面的評價。 控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類 單項性能指標以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單單項性能指標以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減種綜合性指標。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質指標。論控制系統(tǒng)的品質指標。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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第一個波振幅為

39、設第一個波振幅為 y1、第三個波振幅為、第三個波振幅為 y3圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy()TpTSTt13yny131yy11yn 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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。標。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，過渡的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：試驗證明：衰減比在衰減比在 4: 1到到10:1之間時，之間時，過渡過過渡過程的程的衰減程

40、度合適，衰減程度合適，過渡過程較短。過渡過程較短。衰減比衰減比n與衰減率與衰減率之間有簡單的對應關系：之間有簡單的對應關系：n = 4:110:1 就相當于就相當于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。 2）最大動態(tài)偏差）最大動態(tài)偏差A和超調量和超調量 最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大最大動態(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)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾

41、動的響應曲線yry1y3Cy()TpTSTtA過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 有時也采用超調量有時也采用超調量來表示被控參數(shù)偏離設定來表示被控參數(shù)偏離設定值的程度，值的程度， 的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即之比。即圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy()TpTSTt1y100%y()過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）余差）余差C 過渡過程結束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值過渡過程結束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜

42、差。是衡量定值之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)準確性的指標?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的指標。C= y() - r圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy()TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章4）調節(jié)時間）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率和振蕩頻率 Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的時間。當被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的5% （或（或2%）范圍內(nèi)，就認為過渡過程結束。）范圍內(nèi)，就認為過渡過程結束。圖圖1.

43、3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y()TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。指標。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期時間間隔叫振蕩周期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)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y()TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章

44、章 另外還有峰值時間另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的渡過程開始，至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy()TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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渡過程曲線如圖所示。試求在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余

45、差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。 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過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章振蕩周期振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min）設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認為過渡過，就認為過渡過程結束，則誤差區(qū)域程結束，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）兩側以寬度為）兩側以寬度為4.1畫一畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點區(qū)域（陰影線）。曲線

46、進入時間點 Ts = 22min過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 控制系統(tǒng)的單項品質指標小結控制系統(tǒng)的單項品質指標小結q穩(wěn)定性穩(wěn)定性 衰減比衰減比n = 4:110:1最佳最佳 q準確性準確性 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 過渡時間過渡時間 Ts 短好短好 振蕩周期振蕩周期 T 短好短好各品質指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，各品質指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決應根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主

47、要品質指標應優(yōu)先予以保證。定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2. 系統(tǒng)階躍響應的綜合性能指標系統(tǒng)階躍響應的綜合性能指標偏差積分偏差積分 單項指標雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比單項指標雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關，因此用偏差積分一個指標，就可以全積分有關，因此用偏差積分一個指標，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質。面反映控制系統(tǒng)的品質。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy()TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(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() 不能表達余差不能表達余差 e (t) = y(t) - y(r) 如有余差則積分無窮大如有余差則