過程控制系統(tǒng)與自動化儀表潘永湘第一章緒論

過程控制與自動化儀表

范晶晶TEL：說明：指定教材：

《過程控制與自動化儀表》潘永湘

機械工業(yè)出版社

第2版。參考書：《過程控制與自動化儀表》張井崗

北京大

學(xué)出版社

第1版。考試方式：試卷

p3

本章要點1）掌握過程控制的定義、要求和任務(wù)，了解過程控制的發(fā)展?fàn)顩r；2）掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點、類型及其性能指標(biāo)；3）了解過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟和儀表的類型與發(fā)展；4）掌握儀表的信號制及防爆系統(tǒng)的構(gòu)成。第一章緒論

p4第一章緒論

過程控制概述

過程控制泛指石油、化工、電力、冶金、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動控制，其被控量通常為壓力、液位、流量、溫度、PH值等過程變量，是自動化技術(shù)的重要組成部分。

作用：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，過程控制技術(shù)可實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。

p5一、過程控制概述系統(tǒng)由被控過程和檢測控制儀表組成過程控制采用各種檢測儀表、控制儀表和計算機等自動化工具，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行自動檢測、自動監(jiān)督和自動控制。檢測儀表把工藝參數(shù)電信號或氣信號，反映生產(chǎn)過程狀況；控制儀表接受檢測信號對過程進(jìn)行控制。被控過程的多樣性生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣導(dǎo)致過程的結(jié)構(gòu)形、動態(tài)特性多樣。通常被控過程屬于多變量、大慣性、大時延、多變量特征，還有非線性與時變特性。（鍋爐、熱交換器、精餾塔）控制方案的多樣性被控對象復(fù)雜導(dǎo)致控制方案多樣性。單\多變量控制系統(tǒng)、常規(guī)儀表控制\計算機集散控制系統(tǒng)、提高控制品質(zhì)的和實現(xiàn)特定要求的控制系統(tǒng)。單回路、串級、前饋、比值、均勻、分程、選擇性、大時延、多變量系統(tǒng)，還有先進(jìn)過程控制系統(tǒng)(自適應(yīng)、預(yù)測、補償、智能、非線性控制等)。過程控制的特點p6一、過程控制概述過程控制的控制過程多屬慢過程，而又多半屬參量控制 被控過程具有大慣性、大時延(滯后)等特點。主要對表征其生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、液位、成分、PH等過程參量進(jìn)行自動檢測和自動控制。（石油、化工、冶金、電力、輕工、制藥）定值控制是過程控制的一種主要控制形式 設(shè)定值恒定或在很小的范圍內(nèi)變化。 控制目的：如何減小或消除外界擾動對被控量的影響，使被控量能控制在給定值上，使生產(chǎn)穩(wěn)定。過程控制的特點p7一、過程控制概述安全性

針對易燃易爆特點設(shè)計；參數(shù)越線報警、鏈鎖保護；故障診斷，容錯控制。穩(wěn)定性 抑制外界干擾，保證正常運行。經(jīng)濟性 降低成本提高效率。掌握工藝流程和被控對象靜態(tài)、動態(tài)特性，運用控制理論和一定的技術(shù)手段（計算機、自動化儀表）設(shè)及合理系統(tǒng)。過程控制的要求與任務(wù)p8一、過程控制概述過程控制的功能結(jié)構(gòu)◆

測量變送與執(zhí)行測量變送裝置與執(zhí)行裝置實現(xiàn)◆操作安全與環(huán)保保證生產(chǎn)安全、滿足環(huán)保要求的設(shè)備（獨立運行）◆常規(guī)與高級控制實現(xiàn)對過程參數(shù)的控制，滿足控制要求?！魧崟r優(yōu)化實現(xiàn)最優(yōu)操作工況（時間，成本，設(shè)備損耗）而設(shè)計的方案◆決策與計劃調(diào)度對整個過程進(jìn)行合理計劃調(diào)度和正確決策，使企業(yè)利益最大化。p9過程控制發(fā)展概況●20世紀(jì)40年代前后(手工階段)：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)驗人工控制生產(chǎn)過程，勞動生產(chǎn)率很低?！?0世紀(jì)50年代前后(儀表化與局部自動化階段)：過程控制發(fā)展的第一個階段，實現(xiàn)了儀表化和局部自動化。 主要特點：檢測和控制儀表-----采用基地式儀表和部分單元組合儀表(多數(shù)是氣動儀表)； 過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------單輸入、單輸出系統(tǒng)； 被控參數(shù)------溫度、壓力、流量和液位參數(shù)； 控制目的------保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或者減少對生產(chǎn)過程的主要擾動； 理論-----頻率法和根軌跡法的經(jīng)典控制理論，解決單輸入單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。p10過程控制發(fā)展概況●20世紀(jì)60年代(綜合自動化階段)：檢測和控制儀表-----采用單元組合儀表(氣動、電動)和組裝儀表，計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------多變量系統(tǒng)，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級、比值、均勻控制、前饋、選擇性控制系統(tǒng)?？刂颇康?-----提高控制質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求。理論-----除經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用。前饋控制-----按擾動來控制，在擾動可測的情況下，可以地提高控制質(zhì)量。選擇性控制-----在生產(chǎn)過程遇到不正常工況或被控量達(dá)到安全極限事，自動實現(xiàn)的保護性控制。p11過程控制發(fā)發(fā)展概況●20世紀(jì)70年代以來(全盤自動化化階段)：發(fā)展到現(xiàn)代代過程控制制的新階段段，這是過過程控制發(fā)發(fā)展的第三三個階段。。主要特點點：檢測和控制制儀表-----新型儀表、、智能化儀儀表、微型型計算機；；過程控制系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-------由單→多變量系統(tǒng)統(tǒng)，由PID控制規(guī)律→特殊控制規(guī)規(guī)律，由定定值控制→最優(yōu)控制、、自適應(yīng)控控制，由儀儀表控制系系統(tǒng)→智能化計算算機分布式式控制系統(tǒng)統(tǒng)；理論-----現(xiàn)代控制理理論應(yīng)用到到過程控制制領(lǐng)域，如如狀態(tài)空間間分析，系系統(tǒng)辨識與與狀態(tài)估計計，最優(yōu)濾濾波與預(yù)測測。集中型計算算機控制系系統(tǒng)集散控制系系統(tǒng)DCSFCS現(xiàn)場總線控控制系統(tǒng)｛全盤自動化化階段p12集中型計算算機控制系系統(tǒng)初衷：由于當(dāng)時的的計算機體體積龐大，，價格非常常昂貴，為為了使計算算機控制能能與常規(guī)儀儀表控制相相競爭，企企圖用一臺臺計算機來來控制盡可可能多的控控制回路。。外設(shè)過程控制計算機AIDIAODO

被控過程（對象）被控變量操作變量…………}{輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)優(yōu)越性：從表面上看看——信息集中，，集中型計計算機控制制可以實現(xiàn)現(xiàn)各種更復(fù)復(fù)雜控制功功能；便于于實現(xiàn)優(yōu)化化控制和優(yōu)優(yōu)化生產(chǎn)。。問題：：由于當(dāng)時計計算機總體體性能低，，容量小，，容易出現(xiàn)負(fù)負(fù)荷過載，控制集中中直接導(dǎo)致致危險集中，高度集中中使系統(tǒng)變變得十分“脆弱”。p13集散控制系系統(tǒng)DCS●80年代---集散控制系系統(tǒng)(DCS)集散控制系系統(tǒng)是集計算機機技術(shù)、控控制技術(shù)、、通信技術(shù)術(shù)和圖形顯顯示技術(shù)為為一體的裝裝置。系統(tǒng)統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上上是分散的的(生產(chǎn)過程是是分散系統(tǒng)統(tǒng))，但過程控控制的監(jiān)視視、管理是是集中的。。優(yōu)點：將計算機分分布到車間間或裝置。。使系統(tǒng)的的危險分散散，提高系系統(tǒng)的可靠靠性，方便便靈活地實實現(xiàn)各種新新型的控制制規(guī)律與算算法，實現(xiàn)現(xiàn)最佳管理理?？刂品稚⒐芾砑衟14過程控制發(fā)發(fā)展概況集散控制系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)組成：過程輸入-輸出接口：又叫數(shù)據(jù)據(jù)采集站，，數(shù)據(jù)采集集與預(yù)處理理，對實時時數(shù)據(jù)進(jìn)一一步的加工工，操作站站的顯示與與打印。過程控制單單元：又稱基本本控制器，，是集散控控制系統(tǒng)的的核心。不不同的集散散控制系統(tǒng)統(tǒng)其差別較較大。高速數(shù)據(jù)通通路：實現(xiàn)集散散控制系統(tǒng)統(tǒng)各處理機機之間數(shù)據(jù)據(jù)傳送。管理(上位)計算機：進(jìn)進(jìn)行集中管管理與最佳佳控制，實實現(xiàn)信息-控制-管理一體化化。CRT操作站：是集散控制制系統(tǒng)的人人-機接口裝置置。執(zhí)行監(jiān)監(jiān)控操作、、系統(tǒng)組態(tài)態(tài)、編程、、動態(tài)流程程圖顯示以以及部分生生產(chǎn)管理。?！餻15控制層網(wǎng)絡(luò)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點Web服務(wù)器現(xiàn)場設(shè)備層

操作站

工程師站DCS的物理層次示示意p16過程控制發(fā)展展概況●90年代以來現(xiàn)場總線控制制系統(tǒng)FCS(fieldbuscontrolsystem)是計算機網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)、通信信技術(shù)、控制制技術(shù)和現(xiàn)代代儀器儀表技技術(shù)的最新發(fā)發(fā)展成果。它它將具有數(shù)字字通信能力的的現(xiàn)場智能儀儀表連成網(wǎng)絡(luò)絡(luò)系統(tǒng)，并同同上一層監(jiān)控控級、管理級級聯(lián)系起來成成為全分布式式的新型控制制網(wǎng)絡(luò)。計算機集成過過程控制CIPS(compututerintergratedprocesssystem)以企業(yè)整體優(yōu)優(yōu)化為目標(biāo)（（市場營銷、、生產(chǎn)計劃調(diào)調(diào)度、原材料料選擇、產(chǎn)品品分配、成本本管理、工藝藝過程控制與與優(yōu)化），以以計算機和網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為主要技技術(shù)實現(xiàn)管理理與控制一體體化。p6p17定義是連接智能現(xiàn)現(xiàn)場裝置和自自動化系統(tǒng)的的數(shù)字式、雙雙向傳輸、多多分支結(jié)構(gòu)的的通信網(wǎng)絡(luò)。。支持雙向、多多節(jié)點、總線線式的全數(shù)字通訊·雙向數(shù)據(jù)通信信能力避免了了反復(fù)進(jìn)行A/D、D/A的轉(zhuǎn)換·把控制任務(wù)下下移到現(xiàn)場設(shè)設(shè)備，以實現(xiàn)現(xiàn)測量控制一一體化全分散本質(zhì)特點評價·已成為全世界界范圍自動化化技術(shù)發(fā)展的的熱點·涉及整個自動動化和儀表的的工業(yè)“革命”FCS現(xiàn)場總線控制制系統(tǒng)p18現(xiàn)場總線控制制系統(tǒng)（FCS）FCS系統(tǒng)把控制功功能徹底下放放到現(xiàn)場，依依靠現(xiàn)場智能能儀表便可實實現(xiàn)生產(chǎn)過程程的檢測、控控制。p19現(xiàn)場總線式變變送器現(xiàn)場總線式閥門定位器安全防爆工業(yè)以太網(wǎng)安全防爆總線線非安全防爆總總線p20控制室控制臺流程圖p21儀表盤操作員站p22操作員站CRT工業(yè)流程圖p23核電廠p24新疆煉油廠p25武鋼p26哈爾濱伊蘭煤煤氣p27哈爾濱伊蘭煤煤氣p28污水處理廠p29哈爾濱第三水水廠p30揚子石化p31揚子石化p32揚子石化p33蘭州石石化p34蘭州石石化p35自來水水廠控制柜柜p36控制柜柜觸摸摸顯示示屏p37控制柜內(nèi)部p38控制柜內(nèi)PLCp39過程控控制實實驗室室p40例1:一貯罐罐液位位控制制系統(tǒng)統(tǒng)。要求貯貯罐液液位保保持一一定，，以滿滿足生生產(chǎn)需需要；；圖中液液位變變送器器、控控制器器和執(zhí)執(zhí)行器器構(gòu)成成了一一個單單回路路控制系系統(tǒng)。分析:貯罐液液位由由液位變變送器器轉(zhuǎn)換成成相應(yīng)應(yīng)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)信信號送送到控制器器，與給給定值值相比比較，，控制制器按按比較較得到到的偏偏差，，以一一定的的控制制規(guī)律律發(fā)出出控制制信號號，控控制執(zhí)行器器的動作作，通通過改改變貯貯罐液液體出出料的的流量量，從從而使使貯罐罐液位位保持持在與與給定定值基基本相相等的的數(shù)值值上。。過程控控制系系統(tǒng)組組成p41控制器器被控對對象變送器器zxe=x-z-uqy干擾溫度（（壓力力、液液位、、流量量）變變送器器、在在線成成分分分析儀儀（（通常常輸出出：4~20mA、1～5V等標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)信號號）液液位開開關(guān)、、料位位開關(guān)關(guān)、接接近開開關(guān)(通常輸輸出on/off信號)傳感器器（Pt100、熱電電偶……）……通常安安裝于控制制室通常安安裝于現(xiàn)現(xiàn)場場顯示儀表基本環(huán)環(huán)節(jié)：被控控對象象、檢檢測儀儀表、、控制制器、、執(zhí)行行器（（顯示示儀表表根據(jù)據(jù)需要要可選選）閥門：：調(diào)節(jié)節(jié)閥、、電磁磁閥、、氣動動閥…泵：：開開關(guān)關(guān)泵泵、、變變頻頻泵泵控制制閥閥過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成p42過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的組組成成電廠廠鍋鍋爐爐過過熱熱蒸蒸汽汽溫溫度度控控制制流流程程圖圖氣鼓鼓產(chǎn)產(chǎn)生生飽飽和和蒸蒸汽汽，，經(jīng)經(jīng)減減溫溫器器到到過過熱熱器器產(chǎn)產(chǎn)生生過過熱熱蒸蒸汽汽。。圖中中溫溫度度變變送送器器、、控控制制器器和和執(zhí)執(zhí)行行器器構(gòu)構(gòu)成成了了一一個個單單回回路路控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。1熱電電阻阻，，2變送送器器，，3調(diào)節(jié)節(jié)器器，，4調(diào)節(jié)節(jié)閥閥例2:電廠廠鍋鍋爐爐過過熱熱蒸蒸汽汽溫溫度度控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。要求求過過熱熱蒸蒸汽汽溫溫度度約約460度。。p43過程程控控制制的的組組成成過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)一一般般性性框框圖圖被控控參參數(shù)數(shù)（亦亦稱稱系系統(tǒng)統(tǒng)輸輸出出））y(t)：被被控控過過程程內(nèi)內(nèi)要要求求保保持持穩(wěn)穩(wěn)定定的的工工藝藝參參數(shù)數(shù)；；控制制參參數(shù)數(shù)（亦亦稱稱操操作作變變量量控控制制介介質(zhì)質(zhì)））q(t)：使使被被控控參參數(shù)數(shù)保保持持期期望望值值的的物物料料量量或或能能量量；；干擾擾量量f(t)：作作用用于于被被控控過過程程并并引引起起被被控控參參數(shù)數(shù)變變化化的的各各種種因因數(shù)數(shù)；；設(shè)定定值值r(t)：與與被被控控參參數(shù)數(shù)相相對對應(yīng)應(yīng)的的設(shè)設(shè)定定值值；；反饋饋值值z(t)：被被控控參參數(shù)數(shù)經(jīng)經(jīng)測測量量變變送送后后的的實實際際測測量量值值；；偏差差e(t)：設(shè)設(shè)定定值值與與反反饋饋值值之之差差；；控制制作作用用u(t)：控控制制器器的的輸輸出出值值。。p44過程程控控制制的的分分類類按系系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點點分分類類：：◆反饋饋控控制制，，前前饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)，，復(fù)復(fù)合合控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)-----反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)是是根根據(jù)據(jù)系系統(tǒng)統(tǒng)被被控控量量與與給給定定位位的的偏偏差差進(jìn)進(jìn)行行工工作作的的，，最最后后達(dá)達(dá)到到消消除除或或減減小小偏偏差差的的目目的的，，偏偏差差值值是是控控制制的的依依據(jù)據(jù)。。又又稱稱閉閉環(huán)環(huán)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。是是過過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中最最基基本本的的一一種種。。前前面面的的液液位位控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)，，就就是是一一反反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。當(dāng)當(dāng)系系統(tǒng)統(tǒng)復(fù)復(fù)雜雜時時可可采采用用多多回回路路反反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。p45前饋控制制系統(tǒng)-----直接根據(jù)據(jù)擾動量量的大小小進(jìn)行工工作的，，擾動是是控制的的依據(jù)。。不構(gòu)成成閉合回回路，故故也稱為為開環(huán)控控制系統(tǒng)統(tǒng)。由于前饋饋控制是是一種開開環(huán)控制制，無法法檢查控控制的效效果，所所以在實實際生產(chǎn)產(chǎn)過程中中是不能能單獨應(yīng)應(yīng)用的。。過程控制制系統(tǒng)的的分類p46前饋—反饋控制制系統(tǒng)(復(fù)合控制制系統(tǒng))前饋開環(huán)環(huán)控制的的主要優(yōu)優(yōu)點：能能針對主主要擾動動迅速及及時克服服對被控控量的影影響。反反饋控制制的主要要優(yōu)點：：克服其其他擾動動，使系系統(tǒng)在穩(wěn)穩(wěn)態(tài)時能能準(zhǔn)確地地使被控控量控制制在給定定值上。。構(gòu)成的的前饋—反饋控制制系統(tǒng)可可以提高高控制質(zhì)質(zhì)量。過程控制制系統(tǒng)的的分類p47過程控制制的分類類按系統(tǒng)的的設(shè)定值值不同分分為：◆定值控制制-----系統(tǒng)被控控量(溫度、壓壓力、流流量、液液位、成成分等)的給定值值保持在在某一定定值(或在某一一很小范范圍內(nèi)不不變)中。例如如前述的的例子就就是定值值控制系系統(tǒng)。系系統(tǒng)的輸輸入信號號是擾動動信號。?！綦S動控制制系統(tǒng)-----被控量的的給定值值隨時間間任意地地變化的的控制系系統(tǒng)。作作用：克克服一切切擾動，，使被控控量及時時跟蹤給給定值變變化。例例如在加加熱爐燃燃燒過程程控制，，控制系系統(tǒng)就要要使空氣氣量跟隨隨燃料的的變化自自動控制制空氣量量的大小小從而保保證達(dá)到到最佳燃燃燒?！舫绦颍橅樞颍┛乜刂葡到y(tǒng)統(tǒng)-----被控量的的給定值值是按預(yù)預(yù)定的時時間程序序而變化化的?？乜刂频哪磕康模菏故贡豢亓苛堪匆?guī)定定的程序序自動變變化。例例如機械械工業(yè)中中的退火火爐的溫溫度控制制系統(tǒng)。。p48過程控制制系統(tǒng)的的性能指指標(biāo)當(dāng)被控對對象受到到干擾、、被控變變量發(fā)生生變化時時，控制制系統(tǒng)抵抵制干擾擾、糾正正被控變變量的過過程，反反映了控控制系統(tǒng)統(tǒng)的優(yōu)劣劣。為此此，要有有評價控控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能能指標(biāo)。?？刂葡到y(tǒng)統(tǒng)的性能能指標(biāo)是是根據(jù)工工藝對控控制的要要求來制制定的，，概括為為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。t0yp49穩(wěn)態(tài)與動動態(tài)1、穩(wěn)態(tài)—把被控變變量不隨隨時間變變化的平平衡狀態(tài)態(tài)稱為系系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動控控制系統(tǒng)統(tǒng)的輸入入和輸出出均恒定定不變時時，系統(tǒng)統(tǒng)就處于于一種相相對穩(wěn)定定的平衡衡狀態(tài)，，系統(tǒng)統(tǒng)的各個個環(huán)節(jié)也也都處于于穩(wěn)定狀狀態(tài)，但但生產(chǎn)還還在進(jìn)行行，物料料和能量量仍然有有進(jìn)有出出，只是是平穩(wěn)進(jìn)進(jìn)行沒有有改變就就是了。。靜態(tài)特特性—靜態(tài)時時系統(tǒng)統(tǒng)各環(huán)環(huán)節(jié)的的輸入入輸出出關(guān)系系。靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty過程控控制系系統(tǒng)的的性能能指標(biāo)標(biāo)p50靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)態(tài)—把被控控變量量隨時時間變變化的的不平平衡狀狀態(tài)稱稱為系系統(tǒng)的的動態(tài)態(tài)。即控制制系統(tǒng)統(tǒng)從一一個平平衡狀狀態(tài)過過渡到到另一一個平平衡狀狀態(tài)的的過渡過過程。當(dāng)干干擾破破壞了了系統(tǒng)統(tǒng)的平平衡時時，被被控變變量就就會發(fā)發(fā)生變變化，，而控控制器器、控控制閥閥等自自動化化裝置置就要要產(chǎn)生生控制制作用用來使使系統(tǒng)統(tǒng)恢復(fù)復(fù)平衡衡。動態(tài)特特性—在動態(tài)態(tài)過程程中系系統(tǒng)各各環(huán)節(jié)節(jié)的輸輸入輸輸出變變化關(guān)關(guān)系。。過程控控制系系統(tǒng)的的性能能指標(biāo)標(biāo)p51控制系系統(tǒng)的的過渡渡過程程控制系系統(tǒng)的的輸入入變化化后，，系統(tǒng)統(tǒng)從原原來的的平衡衡狀態(tài)態(tài)，經(jīng)經(jīng)過動動態(tài)過過程到到達(dá)新新的平平衡狀狀態(tài)的的動態(tài)態(tài)歷程程稱為為系統(tǒng)統(tǒng)的過過渡過過程。。系統(tǒng)的的過渡渡響應(yīng)應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因因素的的影響響。給定值被控量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實測值－過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p521、內(nèi)部因素素：系統(tǒng)特特性系統(tǒng)的特性性是由系統(tǒng)統(tǒng)中各環(huán)節(jié)節(jié)的特性和和系統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)所決定定的。2、外部因素素：輸入信信號在系統(tǒng)特性性一定的情情況下，被被控變量隨隨時間的變變化規(guī)律取取決于系統(tǒng)統(tǒng)的輸入信信號。生產(chǎn)中，出出現(xiàn)的干擾擾信號是隨隨機的。但但在分析和和設(shè)計控制制系統(tǒng)時，，為了充分分體現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)的特性和和分析方便便，常選擇擇一些特定定的輸入信信號，其中中常用的是是階躍信號號和正弦信信號。過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p53階躍信號的的輸入突然然，對被控控變量的影影響也最大大。如果一一個控制系系統(tǒng)能夠有有效地克服服這種干擾擾，那么對對其它比較較緩和的干干擾也能很很好地克服服。階躍信號的的形式簡單單，容易實實現(xiàn)，便于于分析、實實驗和計算算。故更多多使用階躍躍信號。如圖，輸入入信號在t=0時，階躍上上升幅度為為A，其后保持持。表達(dá)為為f(t)=A(t)Atf（t）過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p54在階躍輸入入的擾動作作用下，定定值控制系系統(tǒng)過渡過過程有四種形式：①單調(diào)衰減過過程被控變量在在給定值的的一側(cè)作單單調(diào)變化，，最后穩(wěn)定定在某一數(shù)數(shù)值上。②振蕩衰減減過程被控變量上上下波動，，但幅度逐逐漸減少，，最后穩(wěn)定定在某一數(shù)數(shù)值上。①t0θa②0θa過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p55③等幅振蕩過過程被控變量在在給定值附附近來回波波動，且波波動幅度保保持不變。。④振蕩發(fā)散散過程被控變量來來回波動，，且波動幅幅度逐漸變變大，離給給定值越來來越遠(yuǎn)。④t0θa③θa0t過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p56過渡過程的的分類（1）穩(wěn)定的過過渡過程單調(diào)過程和和衰減振蕩蕩過程是穩(wěn)穩(wěn)定的過渡渡過程。被被控變量經(jīng)經(jīng)過一段時時間后，逐逐漸趨向原原來的或新新的平衡狀狀態(tài)。衰減振蕩過過程的過渡渡過程較短短，經(jīng)常采采用。單調(diào)過程的的過渡過程程較慢，，被控變量量長時間地地偏離給定定值，一般般不采用，，只是在生生產(chǎn)上不允允許被控變變量有波動動的情況下下才采用。。過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p57（2）不穩(wěn)定過渡渡過程發(fā)散振蕩過過程中，被控變量量不但不能能達(dá)到平衡衡狀態(tài)，而而且逐漸遠(yuǎn)遠(yuǎn)離給定值值，它將導(dǎo)導(dǎo)致被控變變量超越工工藝允許范范圍，這是是生產(chǎn)上所所不允許的的。（3）臨界過渡過過程處于穩(wěn)定與與不穩(wěn)定之之間，一般般也認(rèn)為是是不穩(wěn)定過過程，生產(chǎn)產(chǎn)上一般不不采用。只只是某些控控制要求不不高的場合合，如位式式控制時，，只能達(dá)到到這種效果果。過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p58控制系統(tǒng)的的性能指標(biāo)標(biāo)對控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能評評價，是根根據(jù)工藝對對控制過程程和結(jié)果的的要求來衡衡量的?？乜刂葡到y(tǒng)的的過渡過程程曲線是評評價控制系系統(tǒng)品質(zhì)的的樣本。最典型的控控制性能測測試是給系系統(tǒng)輸入一一個階躍信信號，觀察察其階躍響響應(yīng)的品質(zhì)質(zhì)。階躍響應(yīng)分分給定階躍躍響應(yīng)和干干擾階躍響響應(yīng)兩類。。其階躍響響應(yīng)曲線有有所不同，，但反映的的控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指指標(biāo)是一致致的。過程控制系系統(tǒng)的性能能指標(biāo)p59干擾階躍響響應(yīng)和給定定階躍響應(yīng)應(yīng)的區(qū)別：：給定值被控變量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－干擾階躍響應(yīng)t0y過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能指指標(biāo)標(biāo)p60給定值被控變量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－給定階躍響應(yīng)0typ61系統(tǒng)統(tǒng)階階躍躍響響應(yīng)應(yīng)的的單單項項性性能能指指標(biāo)標(biāo)單項項性性能能指指標(biāo)標(biāo)包包含含了了對對控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)定定性性、準(zhǔn)確確性性和快速速性性三方方面面的的評評價價。。控制制性性能能指指標(biāo)標(biāo)有有單單項項指指標(biāo)標(biāo)和和綜綜合合指指標(biāo)標(biāo)兩兩類類單項項性性能能指指標(biāo)標(biāo)以以控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)被被控控參參數(shù)數(shù)過過渡渡過過程程的的單單項項特特征征量量作作為為性性能能指指標(biāo)標(biāo)，，而而偏偏差差積積分分性性能能指指標(biāo)標(biāo)則則是是一一種種綜綜合合性性指指標(biāo)標(biāo)。。由由于于在在多多數(shù)數(shù)情情況況下下，，都都希希望望得得到到衰衰減減振振蕩蕩過過程程，，所所以以以以衰衰減減振振蕩蕩的的過過渡渡過過程程形形式式為為例例，，討討論論控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的品品質(zhì)質(zhì)指指標(biāo)標(biāo)。。p62過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能指指標(biāo)標(biāo)單項項時時域域性性能能指指標(biāo)標(biāo):(1)衰減減比比n（衰衰減減率率φ）兩個個相相鄰鄰的的同向向波波峰峰值值之之比比，，衡衡量量系系統(tǒng)統(tǒng)過過渡渡過過程程穩(wěn)定定性性的的一一個個動動態(tài)態(tài)指指標(biāo)標(biāo)，，反反映映了了振振蕩蕩的衰衰減減程程度度。。衰減減率率定定義義為為一一個個周周期期后后波波動動幅度度衰衰減減的的程程度度:為了了保保證證系系統(tǒng)統(tǒng)有有一一定定穩(wěn)穩(wěn)定定裕裕度度，，衰衰減減比比一一般般為為為為4：1——10：1時，，則則衰衰減減率率為為0.75——0.9。p63最大大動動態(tài)態(tài)偏偏差差是是控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)動動態(tài)態(tài)準(zhǔn)準(zhǔn)確確性性指指標(biāo)標(biāo)。。(2)最大大動動態(tài)態(tài)偏偏差差A(yù)和超超調(diào)調(diào)量量σ最大大動動態(tài)態(tài)偏偏差差表表示示系系統(tǒng)統(tǒng)瞬瞬間間偏偏離離給給定定值值的的最最大大程程度度。。即即:A=ymax-r

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能指指標(biāo)標(biāo)p64有時時也也采采用用超超調(diào)調(diào)量量σ來表表示示被被控控參參數(shù)數(shù)偏偏離離設(shè)設(shè)定定值值的的程程度度，，σ的定定義義是是最最大大動動態(tài)態(tài)偏偏差差與與最最終終穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)值值y(∞)之比。即閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)二階系統(tǒng)：p653）余差C過渡過程結(jié)束束后，被控參參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值值y(∞)與設(shè)定值之間間的殘余偏差差叫做余差，，也稱靜差。。是衡量控制制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)準(zhǔn)確性的指標(biāo)標(biāo)。C=y(∞)-r

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p664）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率ωTs是指從過渡過過程開始到過過渡過程結(jié)束束所需的時間間。當(dāng)被控參參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值值間的偏差進(jìn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的的±5%（或±2%）范圍內(nèi)，就就認(rèn)為過渡過過程結(jié)束。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3y(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p67調(diào)節(jié)時間和振振蕩頻率是衡衡量控制系統(tǒng)統(tǒng)快速性的指指標(biāo)。過渡過程中相相鄰兩同向波波峰（或波谷谷）之間的時時間間隔叫振振蕩周期T，其倒數(shù)稱為為振蕩頻率f=1/T

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3y(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p68另外還有峰值值時間Tp（又稱上升時時間），是指指過渡過程開開始，至被控控參數(shù)到達(dá)第第一個波峰所所需要的時間間。也是衡量量控制系統(tǒng)快快速性的指標(biāo)標(biāo)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p69[例]某換熱器的溫溫度控制系統(tǒng)統(tǒng)給定值為200℃。在階躍干擾作作用下的過渡渡過程曲線如如圖所示。試試求最大偏差差、余差、衰衰減比、振蕩蕩周期和過渡渡時間。解：最大偏差A(yù)=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰減比n=y1:y3=25:5=5:1過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p70振蕩周期T=20–5=15（min）設(shè)被控變量進(jìn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的的土2％，就認(rèn)為過過渡過程結(jié)束束，則誤差區(qū)區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（（205℃）兩側(cè)以寬度度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰陰影線）。曲曲線進(jìn)入時間間點Ts=22min過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p71小結(jié)穩(wěn)定性衰減比n=4:1~10:1最佳準(zhǔn)確性余差C小好最大偏差A(yù)小好快速性過渡時間Ts短好振蕩周期T短好各品質(zhì)指標(biāo)之之間既有聯(lián)系系、又有矛盾盾。例如，過過分減小最大大偏差，會使使過渡時間變變長。因此，，應(yīng)根據(jù)具體體工藝情況分分清主次，對對生產(chǎn)過程有有決定性意義義的主要品質(zhì)質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先先予以保證。。過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p722.系統(tǒng)階躍響應(yīng)應(yīng)的綜合性能能指標(biāo)——偏差積分單項指標(biāo)雖然然清晰明了，，但如何統(tǒng)籌籌考慮比較困困難。而偏差差幅度和偏差差存在的時間間都與偏差積積分有關(guān)，因因此用偏差積積分一個指標(biāo)標(biāo)，就可以全全面反映控制制系統(tǒng)的品質(zhì)質(zhì)。閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p73tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存存在分歧：e(t)=y(t)-y(∞)不能表達(dá)余差差e(t)=y(t)-y(r)如有余差則積積分無窮大過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p74偏差積分指標(biāo)標(biāo)有以下幾種種形式：①偏差積分IE（IntegralofError）

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點：不能保保證系統(tǒng)是衰衰減振蕩。過程控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能指標(biāo)標(biāo)p75②絕對偏差積分分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt排除了了正負(fù)負(fù)偏差抵抵消的的可能能,但是對對最大大值不不敏感感。過程控控制系系統(tǒng)的的性能能指標(biāo)標(biāo)p76

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt③平方偏偏差積積分ISE（IntegralofSquaredError）能體現(xiàn)現(xiàn)誤差差正負(fù)負(fù)，對對大偏偏差敏敏感，，但對對時間間不敏敏感。。過程控控制系系統(tǒng)的的性能能指標(biāo)標(biāo)p77④時間與與絕對對偏差差乘積積積分分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）對調(diào)節(jié)節(jié)時間間敏感感

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt過程控控制系系統(tǒng)的的性能能指標(biāo)標(biāo)p78⑤時間與與絕對對偏差差平方方乘積積積分分ITSE抑制過過渡過過程大大偏差差和過渡過過程時間過過長

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt過程控控制系系統(tǒng)的的性能能指標(biāo)標(biāo)p79過程控控制系系統(tǒng)設(shè)設(shè)計概概述設(shè)計步步驟：：1.確定控控制目目標(biāo)1）熱油出出口溫溫度穩(wěn)穩(wěn)定；；2）出口溫溫度與與煙道道氣含含氧量量穩(wěn)定定；3）溫度穩(wěn)穩(wěn)定與與熱效效率最最高。。2.選擇被被控參參數(shù)直接參參數(shù)（油出口口溫度度、煙煙道氣氣含氧氧量、、燃油油壓力力）間接參參數(shù)（（熱效率率）3選擇控控制量量燃料油油流量量還是冷油流流量→→出口口溫度度擋板開度還是送風(fēng)擋板→→含氧量加熱爐過程程控制系統(tǒng)統(tǒng)冷p4p804.確定控制方方案控制精度和和干擾決定定→系統(tǒng)的的簡單與復(fù)復(fù)雜。溫度、效率率、含氧量量等多于一一個要求→多輸入/多輸出。如果溫度、、含氧量定定值控制，，還要求效效率→最優(yōu)控制。。5.選擇控制策策略多數(shù)采用→PID；復(fù)雜過程程→高級過程控控制6.選擇執(zhí)行器器氣動與電動動，執(zhí)行器特性性與過程特性性匹配。7.設(shè)計報警與與聯(lián)鎖保護護系統(tǒng)高、低限值值；加熱爐爐停車程序序：停燃油油泵→關(guān)燃油閥→停引風(fēng)機→切斷熱油閥閥8.工程化設(shè)計計設(shè)計圖樣資資料和文件件資料→表達(dá)設(shè)計思思想→主管部門審審批→施工單位。。9.系統(tǒng)投運、、調(diào)試和整整定參數(shù)過程控制系系統(tǒng)設(shè)計概概述冷p81二、自動化化儀表概述述自動化儀表表（AutomationInstrumentation）：用于過過程自動化化的儀器或或設(shè)備。過程控制系系統(tǒng)是實現(xiàn)現(xiàn)生產(chǎn)過程程自動化的的平臺,而自動化儀儀表與裝置置是過程控控制系統(tǒng)不不可缺少的的重要組成成部分。調(diào)節(jié)閥傳感器變送器執(zhí)行器控制器自動化儀表被控過程自動化儀表表在自動控制制系統(tǒng)中的的位置和劃劃分范圍p82過程控制儀儀表的分類類及特點（一）按安安裝場地分分1.現(xiàn)場儀表（（一次儀表表）2.控制室儀表表（二次儀儀表）（二）按能能源形式分分：1.氣動控制儀儀表2.電動控制儀儀表3.液動控制儀儀表（少）（三）按信信號形式分分：1.模擬控制儀儀表2.數(shù)字控制儀儀表（四）結(jié)構(gòu)構(gòu)形式分：：1.基地式控制制儀表2.單元組合式式控制儀表表3.組裝式綜合合控制裝置4.集中計算機機控制儀表表5.集散控制儀儀表6.現(xiàn)場總線控控制儀表。。p83按能源形式式分電動控制儀儀表：優(yōu)點：①信號快快速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離傳傳輸②②易易于實現(xiàn)現(xiàn)復(fù)雜規(guī)規(guī)律的信信號處理理③③易易于與其其它裝置置相連④④供電用用電方便便無無需空空壓機和和油泵、、水泵缺點：①不天然防防爆②②易易受電磁磁干擾③③功率率不易大大近近年的電電動儀表表多采用用了安全全防爆措措施，應(yīng)應(yīng)用更加加廣泛。。氣動控制制儀表：以壓縮空空氣為能能源。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單單，性能能穩(wěn)定，，可靠性性高，易易于維修修天然防防爆。缺點：氣動信號號傳輸速速度極限限=聲速340m/s，體積積龐大。。液動儀表表：以高壓壓油和高高壓水為為能源優(yōu)點：工作可可靠，結(jié)結(jié)構(gòu)簡單單，功率率大，防防爆缺點：速度傳傳送慢p84按信號類類型分類類模擬式控控制儀表表是傳統(tǒng)的的儀表，，傳輸信信號通常常為連續(xù)續(xù)變化的的模擬量量。如電流、電電壓、氣氣壓等。這類類儀表的電電動量以以模擬電子子元件為為組成元元件。運運算放大大器是信信息處理理的核心心部件。。這類儀儀表線路路較簡單單，操作作方便，，價格較較低，使使用上均均有較成成熟的經(jīng)經(jīng)驗。數(shù)字式控控制儀表表以微處理器器為核心，，傳輸信信號為斷斷續(xù)變化化的數(shù)字字量，0-1變化。由由于有微微處理器器的存在在，任何何復(fù)雜的的信息處處理都易易實現(xiàn)，，硬件不不變，軟軟件千變變?nèi)f化，，這類儀儀表的特特色就是是高度集集成、豐豐富的功功能，易易于網(wǎng)絡(luò)絡(luò)互聯(lián)。。它能解解決模擬擬式儀表表難以解解決的問問題，滿滿足現(xiàn)代代化生產(chǎn)產(chǎn)過程的的高質(zhì)量量控制要要求。p85結(jié)構(gòu)形式式分類1.基地式控控制儀表表安裝在現(xiàn)現(xiàn)場，集集檢測、、指示、、控制于于一身。。特點：一般結(jié)構(gòu)構(gòu)比較簡簡單、價價格便宜宜．它不不僅能對對某些工工藝變量量進(jìn)行指指示或記記錄，而而已還具具有控制制功能，，因此它它比較適適用于單單變量的的就地控控制系統(tǒng)統(tǒng)。2.單元組合合控制儀儀表單元組合合式儀表表是根據(jù)據(jù)控制系系統(tǒng)各組組成環(huán)節(jié)節(jié)的不同同功能和和使用要要求制成成的模塊塊化儀表表。將整整套儀表表劃分成成能獨立立實現(xiàn)一一定功能能的若干干單元，，各單元元之間采采用統(tǒng)一一信號進(jìn)進(jìn)行聯(lián)系系。使用用時可根根據(jù)控制制系統(tǒng)的的需要，，對各單單元進(jìn)行行選擇和和組合，，從而構(gòu)構(gòu)成多種種多樣的的、復(fù)雜雜程度各各異的自自動檢測測和控制制系統(tǒng)。。常用電動單元元組合儀表(DDZ型)和氣動單元元組合儀表(QDZ型)。特點：使用靈活活，通用用性強，，同時，，使用、、維護更更作也很很方便。。它適用用于各種種企業(yè)的的自動控控制。單元組合合儀表分分為：變送單單元、給給定單元元、控制制單元、、執(zhí)行單單元、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換單元元、運算算單元、、顯示單單元和輔輔助單元元。p86結(jié)構(gòu)形式式分類2.單元組合合控制儀儀表變送單元元：把各種被被測量（（溫度、、壓力、、流量、、液位））變換成成標(biāo)準(zhǔn)信信號?？刂茊卧簩y量信信號和設(shè)設(shè)定信號號之差運運算后去去控制執(zhí)執(zhí)行單元元。執(zhí)行單元元：按照控制制信號或或手動動信號去去改變控控制量大大小。轉(zhuǎn)換單元元：實現(xiàn)不同同物理信信號到標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)信號號轉(zhuǎn)換，，不同標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)之間間轉(zhuǎn)換。。運算單元元：信號加減減乘除，，信號補補償。給定單元元：輸出被控控量的設(shè)設(shè)定值。顯示單元元：參數(shù)指示示、報警警、記錄錄。輔助單元元：特殊需要要的（操操作器、、限幅器、、安全防防爆柵））。p873.組裝式控控制儀表表一種功能能分離、、結(jié)構(gòu)組組件化的的成套儀儀表裝置置。工程程實際中中已很少少使用。。4.集中計算算機控制制儀表以數(shù)字計計算機為為核心的的數(shù)字控控制儀表表。其外外形結(jié)構(gòu)構(gòu)、面板板布置保保留了模模擬式儀儀表的一一些特征征，但其其運算、、控制功功能更為為豐富，，通過組組態(tài)可完完成各種種運算處處理和復(fù)復(fù)雜控制制?？珊秃陀嬎銠C機配合使使用，以以構(gòu)成不不同規(guī)模模的分級級控制系系統(tǒng)。測量變送送與執(zhí)行行單元采采用模擬擬儀表調(diào)調(diào)節(jié)單元元采用數(shù)數(shù)字儀表表。結(jié)構(gòu)形式式分類QDZⅠQDZⅡQDZⅢDDZⅠDDZⅡDDZⅢ單元組合合式儀表表發(fā)展展階階段段｛p885.集散型控控制儀表表將集中一一臺計算