過(guò)程控制儀表及控制系統(tǒng)第01章-緒論課件

1、1.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成及其分類1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況第1章 緒論 1.1過(guò)程控制系統(tǒng)的組成及其分類在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，為保證生產(chǎn)安全順利進(jìn)行，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約能源，改善勞動(dòng)條件和保護(hù)環(huán)境，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)，例如溫度、壓力、流量、物位、粘度、濕度、酸堿度（PH值）以及各種物料的成分等進(jìn)行自動(dòng)控制。因此，自動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、電力、輕工、紡織、建材、原子能以及航空航天等工業(yè)部門。1.1.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成過(guò)程控制系統(tǒng)是從人工控制發(fā)展而來(lái)的，為了便于理解，以圖1-1a的液

2、位人工控制為例作介紹。人工控制反應(yīng)緩慢，液位波動(dòng)較大。因此，用圖1-1b所示的液位控制系統(tǒng)代替人工控制。1.1.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成圖1-1b的液位控制系統(tǒng)可畫(huà)出組成框圖，見(jiàn)圖1-2。從被控參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)至調(diào)節(jié)閥之間的管道或設(shè)備，稱為被控過(guò)程，可簡(jiǎn)稱過(guò)程；作用于過(guò)程且使被控參數(shù)y(t)變化的作用稱為擾動(dòng)?？刂茀?shù)q(t)的作用是使被控參數(shù)穩(wěn)定于給定值附近，稱為內(nèi)部擾動(dòng)；擾動(dòng)作用f(t)企圖使被控參數(shù)y(t)偏離給定值x(t)，稱為外部擾動(dòng)。過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)例1鍋爐是電力、化工、冶金、石油、輕工等工業(yè)部門常用的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐輸出的過(guò)熱蒸汽的溫度是生產(chǎn)工藝的重要參數(shù)，過(guò)熱蒸汽溫度的高低，會(huì)直接影響到生

3、產(chǎn)過(guò)程能否順利進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)損壞生產(chǎn)設(shè)備。因此，必須對(duì)鍋爐的過(guò)熱蒸汽的溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，控制系統(tǒng)組成的原理圖見(jiàn)圖1-3。圖1-3 過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)1-溫度檢測(cè)元件 2-溫度變送器 3-溫度調(diào)節(jié)器 4-調(diào)節(jié)閥 過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)例2在石油、化工、印染和造紙等生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的污水。若不經(jīng)過(guò)處理直接排放到江河湖泊，必將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，破壞生態(tài)平衡，影響生產(chǎn)和人民生活，危及人民身體健康。根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，必須對(duì)污水進(jìn)行處理，使其酸堿度PH=7，才能排入江河湖泊，為此，組成圖1-4 所示的PH控制系統(tǒng)。圖1-4 PH控制系統(tǒng)1-貯液罐 2-PH變送器 3-PHC調(diào)節(jié)器 4-調(diào)節(jié)閥過(guò)程控制系統(tǒng)

4、的組成由上述三個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)例可見(jiàn)，過(guò)程控制系統(tǒng)由檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和電子計(jì)算機(jī)（也可以看作一臺(tái)儀表）及被控過(guò)程組成。若將檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和電子計(jì)算機(jī)看作過(guò)程測(cè)量控制儀表，則一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程控制系統(tǒng)由被控過(guò)程和過(guò)程測(cè)量控制儀表兩部分組成。1.1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類1.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類：反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)2.按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)81.2過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成 如前所述，一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)是由被控過(guò)程和過(guò)程檢測(cè)控制儀表兩部分組成的。設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)過(guò)程的特性和工藝要

5、求，選用過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成控制系統(tǒng)，然后通過(guò)整定調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行于最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的最佳控制。2被控過(guò)程的多樣性 在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，被控過(guò)程的形式是多種多樣的。有些生產(chǎn)過(guò)程具有大慣性、大延時(shí)（大滯后）的動(dòng)態(tài)特性和嚴(yán)重的非線性的特點(diǎn)；有些生產(chǎn)過(guò)程的工作機(jī)理復(fù)雜（如發(fā)酵、生化過(guò)程等），至今尚未被人們所認(rèn)識(shí)，因此很難用目前的解析方法或過(guò)程辨識(shí)方法求得其精確的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，要設(shè)計(jì)出能適應(yīng)各種過(guò)程的最佳控制系統(tǒng)是比較困難的。1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3控制方案的多樣性 由于被控過(guò)程的多樣性，且多數(shù)屬于多變量、分布參數(shù)、非線性、大慣性和大時(shí)延。為了滿足生產(chǎn)要求，過(guò)程控制中的控制方案十

6、分豐富，常有單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)、常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等。4控制過(guò)程多屬慢過(guò)程和參量控制 如前所述，被控過(guò)程多屬大慣性、大時(shí)延的過(guò)程，因此決定了控制過(guò)程是一個(gè)緩慢的過(guò)程。另外，在石油、化工、冶金、電力、輕工、建材、制藥等生產(chǎn)過(guò)程中，常用溫度、壓力、流量、液位（物位）、成分、PH值等參量來(lái)表征其生產(chǎn)過(guò)程是否正常，必須對(duì)這些參量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制，因此過(guò)程控制多半屬參量控制。1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)5定值控制是過(guò)程控制的一種主要形式 目前，在生產(chǎn)過(guò)程中，多數(shù)生產(chǎn)工藝要求被控參數(shù)保持恒定或在很小范圍內(nèi)變化。因此，過(guò)程控制的主要目的是如何減小或消除外界擾

7、動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響，使其穩(wěn)定在給定值上，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、低消耗的目的，所以定值控制是過(guò)程控制的一種主要形式。1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 一個(gè)性能良好的過(guò)程控制系統(tǒng)在給定值發(fā)生變化或受到外界擾動(dòng)作用時(shí)，被控量應(yīng)能平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到給定值上。在衡量和比較不同控制方案時(shí)，必須定出評(píng)價(jià)控制性能優(yōu)劣的質(zhì)量指標(biāo)。常用的控制性能優(yōu)劣的質(zhì)量指標(biāo)有下列兩種。1.3.1系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程質(zhì)量指標(biāo) 通常以階躍信號(hào)作用下控制系統(tǒng)輸出的過(guò)渡過(guò)程曲線來(lái)描述系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，見(jiàn)圖1-5。圖1-5a為擾動(dòng)值階躍作用下的響應(yīng)曲線；圖1-5b為給定值階躍作用下的響應(yīng)曲線。圖1-5 階躍作用下控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)曲線a）定

8、值控制系統(tǒng) b）隨動(dòng)控制系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程質(zhì)量指標(biāo)1余差（靜態(tài)偏差）e 余差是指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控參數(shù)新的穩(wěn)定值y（）與給定值c之差，其值可正可負(fù)。它是一個(gè)靜態(tài)質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)定值控制系統(tǒng)，給定值是生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)，希望余差愈小愈好。2衰減比和衰減率衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)，它等于振蕩過(guò)程的第一個(gè)波的振幅與第二個(gè)波的振幅之比。衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性也可用衰減率來(lái)表示，衰減率 為為了保證系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定度，通常取 0.750.9之間。1.3.1系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程質(zhì)量指標(biāo)3最大偏差和超調(diào)量 對(duì)于定值控制系統(tǒng)，最大偏差是指被控參數(shù)第一個(gè)波峰值與給定值c之差，它衡量被控參數(shù)偏離給定值的

9、程度。由圖1-5a可見(jiàn)，最大偏差A(yù)=B+e。 隨動(dòng)控制系統(tǒng)常用超調(diào)量來(lái)衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。超調(diào)量 可定義為 最大偏差A(yù)和超調(diào)量 是衡量控制系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標(biāo)。有些生產(chǎn)工藝規(guī)定了最大偏差的限制條件，不允許超出某一數(shù)值。1.3.1系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程質(zhì)量指標(biāo)4過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 從擾動(dòng)開(kāi)始到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值的5%或2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間 ，稱 為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。它是反映系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程快慢的質(zhì)量指標(biāo)，愈小，過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得愈快。5峰值時(shí)間 從擾動(dòng)開(kāi)始到過(guò)渡過(guò)程曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間 ，稱 為峰值時(shí)間 。 值的大小反映了系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度。1.3.1系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程質(zhì)量指標(biāo)必須指出，上述各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)是相互

10、聯(lián)系又相互制約的，例如，一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，可能會(huì)引起動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定；解決了穩(wěn)定問(wèn)題后，又可能因反應(yīng)遲鈍而失去快速性。要高標(biāo)準(zhǔn)地同時(shí)滿足各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)是很困難的，因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿足主要的質(zhì)量指標(biāo)。1.3.2 誤差（偏差）性能指標(biāo)除了用上述各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量控制系統(tǒng)質(zhì)量外，也常用誤差積分指標(biāo)判斷系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣。因?yàn)樵谙嗤斎肓孔饔孟?，如果誤差愈小，且持續(xù)作用時(shí)間愈短，則系統(tǒng)的質(zhì)量愈高；反之，誤差愈大，且持續(xù)作用時(shí)間愈長(zhǎng)，則質(zhì)量愈差。常用的誤差性能指標(biāo)有下列幾種。誤差平方值積分(ISE) ISE= 時(shí)間乘誤差平方積分(ITSE) ITSE= 誤差絕對(duì)值

11、積分(IAE) IAE= 時(shí)間乘誤差絕對(duì)值積分(ITAE) ITAE= 1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，作為自動(dòng)控制技術(shù)重要部分的過(guò)程控制技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，并達(dá)到新的水平?；仡櫣I(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了下述幾個(gè)階段。1.4.1 儀表化與局部自動(dòng)化階段1.4.2 綜合自動(dòng)化階段1.4.3 全盤自動(dòng)化階段1.4.1 儀表化與局部自動(dòng)化階段20世紀(jì)5060年代，一些工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表化與局部自動(dòng)化，這是過(guò)程控制發(fā)展的第一個(gè)階段。這個(gè)階段的主要特點(diǎn)是：檢測(cè)和控制儀表主要采用基地式儀表和部分單元組合儀表（多數(shù)是氣動(dòng)儀表），組成單輸入-單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)，對(duì)

12、生產(chǎn)過(guò)程的熱工參數(shù)，如溫度、壓力、流量和液位進(jìn)行自動(dòng)控制。控制目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定。過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析的理論基礎(chǔ)是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論。1.4.2 綜合自動(dòng)化階段20世紀(jì)6070年代中期，由于工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)過(guò)程控制提出了新的要求。電子技術(shù)的發(fā)展也為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展提供了完善的條件，過(guò)程控制的發(fā)展進(jìn)入第二個(gè)階段。在這個(gè)階段，出現(xiàn)了一個(gè)車間乃至一個(gè)工廠的綜合自動(dòng)化。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，為提高控制質(zhì)量與實(shí)現(xiàn)一些特殊的控制要求，相繼出現(xiàn)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，例如，串級(jí)、比值、均勻和前饋-反饋控制等。在過(guò)程控制理論方面，除了采用經(jīng)典控制理論外，開(kāi)始應(yīng)用現(xiàn)代控制理論以解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的更為復(fù)雜的控制問(wèn)題。1.4.3 全盤自動(dòng)化階段20世紀(jì)70年代以來(lái)，過(guò)程控制技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)了全盤自動(dòng)化。微型計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱微機(jī)）廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域，對(duì)整個(gè)工藝流程，全工廠，乃至整個(gè)企業(yè)集團(tuán)公司進(jìn)行集中控制