第一章過程控制系統(tǒng)基本概念選編課件

2022/12/11過程控制系統(tǒng)的基本概念第一章2022/12/11過程控制系統(tǒng)的基本概念第一章2022/12/12§1-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式本章主要內容§1-2過程控制系統(tǒng)主要類型§1-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求2022/12/12§1-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式本章主2022/12/13本章教學內容要求1.了解過程控制系統(tǒng)的分類及特點；2.理解過程控制系統(tǒng)常用的術語概念；能看懂簡單的管道及儀表流程圖；控制系統(tǒng)的基本控制要求及質量指標。3.掌握過程控制系統(tǒng)組成及各部分作用，方框圖的組成及繪制；重點：過程控制系統(tǒng)組成及各部分的功能；方框圖繪制；質量指標。難點：常用術語的理解；方框圖的繪制2022/12/13本章教學內容要求1.了解過程控制系統(tǒng)的2022/12/14一、過程控制系統(tǒng)定義過程控制：工業(yè)生產中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產過程自動控制。過程控制系統(tǒng)：在工業(yè)生產中在沒有人直接參與的條件下，工藝參數能自動按照預定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。實例過程控制的作用：1、實現最優(yōu)技術指標，提高產品質量。2、提高經濟效益3、提高勞動生產率4、改善勞動條件5、保護環(huán)境§1-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式第一章－1－23分鐘.wmv2022/12/14一、過程控制系統(tǒng)定義過程控制的作用：1、2022/12/15圖1-1鍋爐汽包水位控制示意圖2022/12/15圖1-1鍋爐汽包水位控制示意圖2022/12/16①被控過程（對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數需要控制的生產過程設備或機器。②被控變量：被控過程內要求保持設定值的工藝參數。二、過程控制系統(tǒng)組成③給定值：工藝參數所要求保持的數值。④操縱變量：受控制器操縱，用以克服干擾的影響使被控變量保持設定值的物料量或能量（流過控制閥介質的流量）。⑤擾動量：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素（使被控變量偏離給定值）。

1、控制系統(tǒng)常用術語（教材P4）⑥偏差：測量值與設定值之差。2022/12/16①被控過程（對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝2022/12/172、控制系統(tǒng)構成一個簡單的過程控制系統(tǒng)由被控對象、測量變送器、控制器、執(zhí)行器四個基本環(huán)節(jié)所組成。

被控對象是生產過程中被控制的工藝設備或裝置；

測量變送器是把被控變量轉化為測量值；控制器是將設定值與測量信號進行比較獲得偏差，按某種預定的控制規(guī)律計算，將計算結果作為控制信號送執(zhí)行器。比較機構和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器；

執(zhí)行器是接受控制器的控制信號，相應地去改變操縱變量2022/12/172、控制系統(tǒng)構成一個簡單的過程控制系統(tǒng)由2022/12/18三、過程控制系統(tǒng)的表示形式

方框圖組成：方框、信號線、比較點、分支點作用:見教材P51、方框圖設定值 偏差

控制作用

操縱變量被控變量

測量值

控制器

執(zhí)行器

被控對象

檢測元件變送器圖1-2控制系統(tǒng)方框圖擾動量

比較點2022/12/18三、過程控制系統(tǒng)的表示形式方框圖組成：2022/12/19實例：鍋爐汽包就是被控對象繪制方框圖時應注意幾點：（1）方框圖中每一個方框表示一個具體的實物。（2）方框之間帶箭頭的線段表示它們之間的信號聯系，與工藝設備間物料的流向無關。

（3）比較點不是一個獨立的元件，而是控制器的一部分。

圖1.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方框圖2022/12/19實例：鍋爐汽包繪制方框圖時應注意幾點：（2022/12/110

管道及儀表流程圖是自控設計的文字代號、圖形符號在工藝流程圖上描述生產過程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設計、施工中采用的一種圖示形式。是在工藝流程圖的基礎上，按其流程順序，標出相應的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護系統(tǒng)等。2、管道及儀表流程圖

圖1.4鍋爐汽包管道及儀表流程圖圖1.5發(fā)酵罐管道及儀表流程圖

實例：定義：2022/12/110管道及儀表流程圖是自控設計的文字代2022/12/111§1-2過程控制系統(tǒng)主要類型按控制系統(tǒng)基本結構形式-----閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。重點介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)1、閉環(huán)控制系統(tǒng)：（視頻播放：2－01：49~27）

定義：閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的控制系統(tǒng)；凡是系統(tǒng)的輸入端和輸出端之間存在反饋支路，使得輸出變量對控制作用有直接影響的系統(tǒng)。特點：有較高的控制精度和較好的適應能力，有很強的抗干擾能力；當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質量大大降低。

2022/12/111§1-2過程控制系統(tǒng)主要類型按控制系統(tǒng)2022/12/112定值控制系統(tǒng)：

設定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數，即根據需要按一定時間程序變化。隨動控制系統(tǒng)：設定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。閉環(huán)控制系統(tǒng)分類注意它們的區(qū)別和聯系分三類:定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。2022/12/112定值控制系統(tǒng)：設定值保持不變（為一恒2022/12/113反饋——通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端，這種把系統(tǒng)的輸出信號直接或經過一些環(huán)節(jié)引回到輸入端的做法叫做反饋。負反饋——引回到輸入端的信號是減弱輸入端作用的稱為負反饋，用“－”號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減。（重點理解）正反饋——引回到輸入端的信號是增強輸入端作用的稱為正反饋，用“＋”號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入變量相加。2．反饋概念2022/12/113反饋——通過測量變送裝置將被控變量的測2022/12/1143、開環(huán)控制系統(tǒng)定義：控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯系的控制系統(tǒng)。操縱變量可以通過控制對象去影響被控變量，但被控變量不會通過控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關系上看，未構成閉合回路。

按設定值進行控制：圖1.6按設定值控制的開環(huán)控制系統(tǒng)分類：2022/12/1143、開環(huán)控制系統(tǒng)定義：控制器與被控對象2022/12/115按擾動進行控制：（a）原理圖

（b）方框圖

圖1.7按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)

2022/12/115按擾動進行控制：（a）原理圖（b）方2022/12/116§1-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求

動態(tài)：被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)，由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。

靜態(tài)（定態(tài)）：被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸入（設定值和擾動量）及輸出（被控變量）都保持不變，系統(tǒng)內各組成環(huán)節(jié)都不改變其原來的狀態(tài)，其輸入、輸出信號的變化率為零。一、過程控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)2022/12/116§1-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求2022/12/117二過程控制系統(tǒng)的過渡過程

當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而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)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴重的情況。2022/12/117二過程控制系統(tǒng)的過渡過程2022/12/118發(fā)散振蕩非振蕩衰減

等幅振蕩衰減振蕩

非振蕩發(fā)散圖1.8過渡過程的基本形式階躍擾動下，被控變量隨時間變化的幾種過渡過程形式：過渡過程形式：2022/12/118發(fā)散振蕩圖1.8過渡過程的基本形式階2022/12/119三過程控制系統(tǒng)的質量指標單項控制指標（控制的目標）：穩(wěn)定性、準確性和快速性綜合控制指標（質量指標）2022/12/119三過程控制系統(tǒng)的質量指標單項控制指標2022/12/1202、峰值時間tp—過渡過程曲線達到第一個峰值所需要的時間。

tp=5min3、過渡時間ts—控制系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量從過渡狀態(tài)恢復到新的平衡狀態(tài)所經歷的最短時間。ts

=22min（±2%）1、衰減比（n）同方向兩個相鄰波峰值之比。即

n=B/B′=（230-205）/（210-205）=5：1習慣上表示為n：1,一般n取4～10之間。4、最大偏差A—被控變量偏離給定值的最大數值

A=230-200=30（℃）2022/12/1202、峰值時間tp—過渡過程曲線達到第2022/12/1215、超調量B——第一個波峰值與新穩(wěn)定值之差

B=230-205=25（℃）6、余差C——過渡過程終了時被控變量的新穩(wěn)定值與給定值之偏差

C=205-200=5（℃）

C=0為無差調節(jié)系統(tǒng)

C≠0為有差調節(jié)系統(tǒng)思考：單項控制指標與綜合控制指標的關系？7、振蕩周期T或頻率f——過渡過程同向兩個波峰間間隔時間為周期，周期的倒數為頻率。

T=20-5=15（min）

f=1/T=1/（60×15）≈0.0011(Hz)2022/12/1215、超調量B——第一個波峰值與新穩(wěn)定值2022/12/122

因此，綜合以上指標，對控制過程的調節(jié)效果進行評價時，一般可從穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面考慮。這三方面往往相互矛盾。穩(wěn)定性是首要考慮的因素，一般要求被控變量波動具有一定的衰減比（4：1～10：1），即經過一到兩個周期后就看不出明顯的波動了，在穩(wěn)定的前提下盡量滿足準確性和快速性的要求。各種過渡過程的性能指標，其重要程度各不相同，且相互之間既有矛盾又相互聯系。在對系統(tǒng)進行分析設計時要注意綜合考慮過程的快速性、穩(wěn)定性和準確性。在實際生產中，優(yōu)先保證對生產過程起決定作用的主要指標，不能片面追求全面的高性能。小結：2022/12/122因此，綜合以上指標，對控制過程2022/12/123作業(yè)教材P17:（1）1、3、7、（2）4、92022/12/123作業(yè)教材P17:（1）1、3、7人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋?！蓖ㄟ^閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過閱讀文學作品，我們能提高文學鑒賞水平，培養(yǎng)文學情趣；通過閱讀報刊，我們能增長見識，擴大自己的知識面。有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進。人有了知識，就會具備各種分析能力，第一章過程控制系統(tǒng)基本概念選編課件2022/12/126過程控制系統(tǒng)的基本概念第一章2022/12/11過程控制系統(tǒng)的基本概念第一章2022/12/127§1-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式本章主要內容§1-2過程控制系統(tǒng)主要類型§1-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求2022/12/12§1-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式本章主2022/12/128本章教學內容要求1.了解過程控制系統(tǒng)的分類及特點；2.理解過程控制系統(tǒng)常用的術語概念；能看懂簡單的管道及儀表流程圖；控制系統(tǒng)的基本控制要求及質量指標。3.掌握過程控制系統(tǒng)組成及各部分作用，方框圖的組成及繪制；重點：過程控制系統(tǒng)組成及各部分的功能；方框圖繪制；質量指標。難點：常用術語的理解；方框圖的繪制2022/12/13本章教學內容要求1.了解過程控制系統(tǒng)的2022/12/129一、過程控制系統(tǒng)定義過程控制：工業(yè)生產中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產過程自動控制。過程控制系統(tǒng)：在工業(yè)生產中在沒有人直接參與的條件下，工藝參數能自動按照預定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。實例過程控制的作用：1、實現最優(yōu)技術指標，提高產品質量。2、提高經濟效益3、提高勞動生產率4、改善勞動條件5、保護環(huán)境§1-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式第一章－1－23分鐘.wmv2022/12/14一、過程控制系統(tǒng)定義過程控制的作用：1、2022/12/130圖1-1鍋爐汽包水位控制示意圖2022/12/15圖1-1鍋爐汽包水位控制示意圖2022/12/131①被控過程（對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數需要控制的生產過程設備或機器。②被控變量：被控過程內要求保持設定值的工藝參數。二、過程控制系統(tǒng)組成③給定值：工藝參數所要求保持的數值。④操縱變量：受控制器操縱，用以克服干擾的影響使被控變量保持設定值的物料量或能量（流過控制閥介質的流量）。⑤擾動量：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素（使被控變量偏離給定值）。

1、控制系統(tǒng)常用術語（教材P4）⑥偏差：測量值與設定值之差。2022/12/16①被控過程（對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝2022/12/1322、控制系統(tǒng)構成一個簡單的過程控制系統(tǒng)由被控對象、測量變送器、控制器、執(zhí)行器四個基本環(huán)節(jié)所組成。

被控對象是生產過程中被控制的工藝設備或裝置；

測量變送器是把被控變量轉化為測量值；控制器是將設定值與測量信號進行比較獲得偏差，按某種預定的控制規(guī)律計算，將計算結果作為控制信號送執(zhí)行器。比較機構和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器；

執(zhí)行器是接受控制器的控制信號，相應地去改變操縱變量2022/12/172、控制系統(tǒng)構成一個簡單的過程控制系統(tǒng)由2022/12/133三、過程控制系統(tǒng)的表示形式

方框圖組成：方框、信號線、比較點、分支點作用:見教材P51、方框圖設定值 偏差

控制作用

操縱變量被控變量

測量值

控制器

執(zhí)行器

被控對象

檢測元件變送器圖1-2控制系統(tǒng)方框圖擾動量

比較點2022/12/18三、過程控制系統(tǒng)的表示形式方框圖組成：2022/12/134實例：鍋爐汽包就是被控對象繪制方框圖時應注意幾點：（1）方框圖中每一個方框表示一個具體的實物。（2）方框之間帶箭頭的線段表示它們之間的信號聯系，與工藝設備間物料的流向無關。

（3）比較點不是一個獨立的元件，而是控制器的一部分。

圖1.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方框圖2022/12/19實例：鍋爐汽包繪制方框圖時應注意幾點：（2022/12/135

管道及儀表流程圖是自控設計的文字代號、圖形符號在工藝流程圖上描述生產過程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設計、施工中采用的一種圖示形式。是在工藝流程圖的基礎上，按其流程順序，標出相應的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護系統(tǒng)等。2、管道及儀表流程圖

圖1.4鍋爐汽包管道及儀表流程圖圖1.5發(fā)酵罐管道及儀表流程圖

實例：定義：2022/12/110管道及儀表流程圖是自控設計的文字代2022/12/136§1-2過程控制系統(tǒng)主要類型按控制系統(tǒng)基本結構形式-----閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。重點介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)1、閉環(huán)控制系統(tǒng)：（視頻播放：2－01：49~27）

定義：閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的控制系統(tǒng)；凡是系統(tǒng)的輸入端和輸出端之間存在反饋支路，使得輸出變量對控制作用有直接影響的系統(tǒng)。特點：有較高的控制精度和較好的適應能力，有很強的抗干擾能力；當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質量大大降低。

2022/12/111§1-2過程控制系統(tǒng)主要類型按控制系統(tǒng)2022/12/137定值控制系統(tǒng)：

設定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數，即根據需要按一定時間程序變化。隨動控制系統(tǒng)：設定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。閉環(huán)控制系統(tǒng)分類注意它們的區(qū)別和聯系分三類:定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。2022/12/112定值控制系統(tǒng)：設定值保持不變（為一恒2022/12/138反饋——通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端，這種把系統(tǒng)的輸出信號直接或經過一些環(huán)節(jié)引回到輸入端的做法叫做反饋。負反饋——引回到輸入端的信號是減弱輸入端作用的稱為負反饋，用“－”號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減。（重點理解）正反饋——引回到輸入端的信號是增強輸入端作用的稱為正反饋，用“＋”號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入變量相加。2．反饋概念2022/12/113反饋——通過測量變送裝置將被控變量的測2022/12/1393、開環(huán)控制系統(tǒng)定義：控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯系的控制系統(tǒng)。操縱變量可以通過控制對象去影響被控變量，但被控變量不會通過控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關系上看，未構成閉合回路。

按設定值進行控制：圖1.6按設定值控制的開環(huán)控制系統(tǒng)分類：2022/12/1143、開環(huán)控制系統(tǒng)定義：控制器與被控對象2022/12/140按擾動進行控制：（a）原理圖

（b）方框圖

圖1.7按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)

2022/12/115按擾動進行控制：（a）原理圖（b）方2022/12/141§1-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求

動態(tài)：被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)，由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。

靜態(tài)（定態(tài)）：被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸入（設定值和擾動量）及輸出（被控變量）都保持不變，系統(tǒng)內各組成環(huán)節(jié)都不改變其原來的狀態(tài)，其輸入、輸出信號的變化率為零。一、過程控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)2022/12/116§1-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求2022/12/142二過程控制系統(tǒng)的過渡過程

當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而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)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴重的情況。2022/12/117二過程控制系統(tǒng)的過渡過程2022/12/143發(fā)散振蕩非振蕩衰減

等幅振蕩衰減振蕩

非振蕩發(fā)散圖1.8過渡過程的基本形式階躍擾動下，被控變量隨時間變化的幾種過渡過程形式：過渡過程形式：2022/12/118發(fā)散振蕩圖1.8過渡過程的基本形式階2022/12/144三過程控制系統(tǒng)的質量指標單項控制指標（控制的目標）：穩(wěn)定性、準確性和快速性綜合控制指標（質量指標）2022/12/119三過程控制系統(tǒng)的質量指標單項控制指標2022/12/1452、峰值時間tp—過渡過程曲線達到第一個峰值所需要的時間。

tp=5min3、過渡時間ts—控制系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量從過渡狀態(tài)恢復到新的平衡狀態(tài)所經歷的最短時間。ts

=22min（±2%）1、衰減比（n）同方向兩個相鄰波峰值之比。即

n=B/B′=（230-205）/（210-205）=5：1習慣上表示為n：1,一般n取4～10之間。4、最大偏差A—被控變量偏離給定值的最大數值

A=230-200=30（℃）2022/12/1202、峰值時間tp—過渡過程曲線達到第2022/12/1465、超調量B——第一個波峰值與新穩(wěn)定值之差

B=230-205=25（℃）6、余差C——過渡過程終了時被控變量的新穩(wěn)定值與給定值