過程控制概述

過程控制系統(tǒng)李國勇編著

電子工業(yè)出版社2目錄1.1過程控制的要求與任務(wù)1.2過程控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)1.3過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.4過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.5過程控制的發(fā)展與趨勢(shì)本章小結(jié)

第1章

概述3

生產(chǎn)過程是指物料經(jīng)過若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過程。該過程中通常會(huì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞等等，或者說生產(chǎn)過程表現(xiàn)為物流變化的過程。伴隨物流變化的信息包括體現(xiàn)物流性質(zhì)（物理特性和化學(xué)成分）的信息和操作條件（溫度、壓力、流量、液位或物位等）的信息。1.1過程控制的要求與任務(wù)4

生產(chǎn)過程的總目標(biāo)，應(yīng)該是在可能獲得的原料和能源條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將原物料加工成預(yù)期的合格產(chǎn)品。為了達(dá)到該目標(biāo)，必須對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視與控制。5

對(duì)生產(chǎn)過程所進(jìn)行的控制，稱為過程控制，它是自動(dòng)控制學(xué)科的一個(gè)重要分支。過程控制一般是指工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序周期進(jìn)行的生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。它主要針對(duì)所謂六大參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和物性等參數(shù)的控制問題，它能覆蓋許多工業(yè)部門，諸如石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、輕工、紡織、陶瓷、食品及電力等等，因而，過程控制在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。6

為了實(shí)現(xiàn)過程控制，以控制理論和生產(chǎn)要求為依據(jù)，采用模擬儀表、數(shù)字儀表或計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的控制總體，稱為過程控制系統(tǒng)。圖1-1轉(zhuǎn)爐供氧控制系統(tǒng)7

圖1-1表示轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐是煉鋼工業(yè)生產(chǎn)過程中的一種重等要設(shè)備。熔融的鐵水裝入轉(zhuǎn)爐后，通過氧槍供給一定的氧。其目的是使鐵水中的碳氧化燃燒，以不斷降低鐵水中的含碳量?？刂拼笛趿亢痛笛鯐r(shí)間，可以獲得不同品種的鋼產(chǎn)品。由圖1-1可見，從節(jié)流裝置1采集到的氧氣流量，送入流量變送器FT，再經(jīng)過開方器2，其結(jié)果送到流量控制器FC，流量控制器FC根據(jù)氧氣流量的測(cè)量值與其設(shè)定值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制信號(hào)，去控制調(diào)節(jié)閥3的開度，從而改變供氧量的大小，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。8

通常，將系統(tǒng)中被控制的物理量稱為被控變量，而被控變量所要求的理想值稱為設(shè)定值或給定值。設(shè)定值是系統(tǒng)的輸入變量，被控變量是系統(tǒng)的輸出變量。9

過程控制系統(tǒng)一般有如下兩種運(yùn)行狀態(tài)。一種是穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)沒有受到任何外來干擾，同時(shí)設(shè)定值保持不變，因而被控變量也不會(huì)隨時(shí)間變化，整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。另一種是動(dòng)態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾的影響或者在改變了設(shè)定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出變量都相繼發(fā)生變化，尤其是被控變量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化，這時(shí)就稱系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)。經(jīng)過一段調(diào)整時(shí)間后，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被控變量將會(huì)重新達(dá)到新設(shè)定值或其附近，系統(tǒng)又恢復(fù)穩(wěn)定平衡工況。10過渡過程：從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一穩(wěn)態(tài)的過程。系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過程。評(píng)價(jià)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)考核它在動(dòng)態(tài)過程中被控變量隨時(shí)間變化的情況。

工業(yè)生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求是多方面的，最終可以歸納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。（1）安全性確保人身和設(shè)備安全是最重要和最基本的要求。（2）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指系統(tǒng)抑制外部干擾、保持生產(chǎn)過程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。在外部干擾下，過程控制系統(tǒng)應(yīng)該使生產(chǎn)過程參數(shù)與狀態(tài)產(chǎn)生的變化盡可能的小，以消除或減小外部干擾造成的影響。（3）經(jīng)濟(jì)性11

因此，過程控制的任務(wù)是在充分了解、掌握生產(chǎn)過程的工藝流程和動(dòng)靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述三項(xiàng)要求，應(yīng)用理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，以生產(chǎn)過程中物流變化信息量作為被控變量，選用適宜的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標(biāo)。過程模型化過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)控制。121.2過程控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)1.2.1過程控制系統(tǒng)組成在生產(chǎn)過程中有各種各樣的控制系統(tǒng)，圖1-2所示為幾個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的示例。

圖1-213

過程控制系統(tǒng)一般由被控過程（或稱被控對(duì)象）、測(cè)量變送裝置、執(zhí)行器和控制器（或稱調(diào)節(jié)器）等環(huán)節(jié)組成。（1）被控過程（2）測(cè)量變送裝置信號(hào)制（國際標(biāo)準(zhǔn)）：氣壓信號(hào)0.02-0.1MPa,直流電流信號(hào)4-20mA,直流電壓信號(hào)1-5V.下限不為零稱之為活零點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)的自檢；上限不能太大，有助于系統(tǒng)的防爆。（3）執(zhí)行器廣義被控對(duì)象。（4）控制器（5）報(bào)警、保護(hù)和連鎖保護(hù)等其他部件141.2.2過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)

1.工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)由于過程控制主要是指連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程的控制，故工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)主要指連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)。15

工業(yè)生產(chǎn)過程伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞，是一個(gè)十分復(fù)雜的大系統(tǒng)，存在不確定性、時(shí)變性以及非線性等因素。因此，過程控制的難度是顯而易見的，要解決過程控制問題必須采用有針對(duì)性的特殊方法與途徑。工業(yè)生產(chǎn)過程常常處于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，同時(shí)常常要求苛刻的生產(chǎn)條件，如高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生產(chǎn)設(shè)備與人身的安全性特別重要。由連續(xù)生產(chǎn)的特征可知，工業(yè)生產(chǎn)過程更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和整體性。協(xié)調(diào)復(fù)雜的耦合與制約因素，求得全局優(yōu)化，也是十分重要的。

162.過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)被控過程的多樣性工業(yè)生產(chǎn)過程涉及到各種工業(yè)部門，其物料加工成的產(chǎn)品是多樣的。同時(shí)，生產(chǎn)工藝各不相同，如：石油化工過程、冶金工業(yè)中的冶煉過程、核工業(yè)中的動(dòng)力核反應(yīng)過程等等，這些過程的機(jī)理不同，甚至執(zhí)行機(jī)構(gòu)也不同。因此，過程控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象（包括被控變量）是多樣的，明顯地區(qū)別于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。17(2)控制方案的多樣性由工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)以及被控過程的多樣性決定了過程控制系統(tǒng)的控制方案必然是多樣的。這種多樣性包含系統(tǒng)硬件組成和控制算法以及軟件設(shè)計(jì)。對(duì)于圖1-1和圖1-2所示的簡(jiǎn)單過程控制系統(tǒng)，早期的控制器采用的是模擬調(diào)節(jié)儀表，如果將控制器、執(zhí)行器和檢測(cè)元件與變送器統(tǒng)稱為常規(guī)檢測(cè)控制儀表，則一個(gè)簡(jiǎn)單的過程控制系統(tǒng)可以被認(rèn)為是由被控過程和常規(guī)檢測(cè)控制儀表兩部分組成，這樣的系統(tǒng)也稱之為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)。18

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)過程越來越復(fù)雜，對(duì)過程控制的要求也越來越高，傳統(tǒng)的模擬式過程檢測(cè)控制儀表已經(jīng)不能滿足控制要求，因而采用計(jì)算機(jī)作為控制器組成計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。從控制方法的角度看，有單變量過程控制系統(tǒng)，也有多變量過程控制系統(tǒng)。同時(shí)，控制算法多種多樣，有PID控制、復(fù)雜控制，也有包括智能控制的先進(jìn)控制方法等等。19(3)被控過程屬慢過程，且多屬參數(shù)控制

連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程大慣性和大滯后的特點(diǎn)決定了被控過程為慢過程。20(4)定值控制是過程控制的主要形式在多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控參數(shù)的設(shè)定值為一個(gè)定值，定值控制的主要任務(wù)在于如何減小或消除外界干擾，使被控變量盡量保持接近或等于設(shè)定值，使生產(chǎn)穩(wěn)定。

21(5)過程控制系統(tǒng)有多種分類方法①按被控參數(shù)分類：可分為溫度過程控制系統(tǒng)、壓力過程控制系統(tǒng)、流量過程控制系統(tǒng)、液位或物位過程控制系統(tǒng)、物性過程控制系統(tǒng)和成分過程控制系統(tǒng)等；②按被控變量數(shù)分類：可分為單變量過程控制系統(tǒng)和多變量過程控制系統(tǒng)；③按設(shè)定值分類：可分為定值過程控制系統(tǒng)、隨動(dòng)（伺服）過程控制系統(tǒng)和程序過程控制系統(tǒng)；④按參數(shù)性質(zhì)分類：可分為集中參數(shù)過程控制系統(tǒng)和分布參數(shù)過程控制系統(tǒng)；⑤按控制算法分類：可分為簡(jiǎn)單過程控制系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)和先進(jìn)或高級(jí)過程控制系統(tǒng)；⑥按控制器形式分類：可分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。

221.3過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)控制的要求，可以概括為準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性。另外，定值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)（伺服）控制系統(tǒng)對(duì)控制的要求既有共同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。定值控制系統(tǒng)在于恒定，即要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準(zhǔn)、快地保持接近或等于設(shè)定值。而隨動(dòng)（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是跟蹤，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快地跟蹤設(shè)定值。根據(jù)過程控制的特點(diǎn)，主要討論定值控制的性能指標(biāo)。圖1-3為一個(gè)過程控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。

23圖1-3過程控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線24一、穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒有改變就是了。

靜態(tài)特性—靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。

靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty25靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)態(tài)—把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過渡過程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時(shí)，被控變量就會(huì)發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動(dòng)態(tài)特性—在動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。26二、控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動(dòng)態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部?jī)煞N因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對(duì)象

+e實(shí)測(cè)值－271、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)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、外部因素：輸入信號(hào)在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號(hào)。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號(hào)是隨機(jī)的。但在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，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(hào)，其中常用的是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。28

階躍信號(hào)的輸入突然，對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號(hào)的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號(hào)。如圖，輸入信號(hào)在t=0時(shí)，階躍上升幅度為A，其后保持。表達(dá)為

f(t)=

A(t)Atf（t）29

在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動(dòng)，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0θa②0θa30③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸變大，離給定值越來越遠(yuǎn)。④t0θa③θa0t過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)衰減過程和振蕩衰減過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時(shí)間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。振蕩衰減過程的過渡時(shí)間較短，經(jīng)常采用。單調(diào)衰減過程的過渡過程較慢，被控變量長(zhǎng)時(shí)間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動(dòng)的情況下才采用。31（2）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(dá)到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)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的場(chǎng)合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到這種效果。32

33階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。34干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(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(duì)象+e實(shí)測(cè)值－干擾階躍響應(yīng)t0y35給定值被控變量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－給定階躍響應(yīng)0ty361.3.1.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評(píng)價(jià)。

控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控變量過渡過程的單項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，而偏差積分性能指標(biāo)則是一種綜合性指標(biāo)。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，討論控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。371）衰減比n和衰減率ψ設(shè)第一個(gè)波振幅為y1、第三個(gè)波振幅為y3圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt38衰減比n和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。試驗(yàn)證明：衰減比在4:1到10:1之間時(shí)，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：n=4:1~10:1就相當(dāng)于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt39最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。2）最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量σ

最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即:A=ymax-r

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA40

有時(shí)也采用超調(diào)量σ來表示被控參數(shù)偏離設(shè)定值的程度，σ的定義是第一個(gè)波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt413）余差C

過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設(shè)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(zhǔn)確性的指標(biāo)。C=

y(∞)-r圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt424）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3y(∞)TpTSTt43過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期T

，其倒數(shù)稱為振蕩頻率

f=1/T圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3y(∞)TpTSTt調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。44

另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt45

[例]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。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)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=

5:146振蕩周期

T

=20–5

=15（min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)Ts=22min47

控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)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(shí)間Ts短好

振蕩周期T短好各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會(huì)使過渡時(shí)間變長(zhǎng)。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對(duì)生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。482.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分單項(xiàng)指標(biāo)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(shí)間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)指標(biāo)，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt49tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表達(dá)余差

e(t)=y(t)-y(r)

如有余差則積分無窮大50偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：①偏差積分IE（IntegralofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點(diǎn)：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。51②絕對(duì)偏差積分IAE

（IntegralAbsolutevalueofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

排除了正負(fù)偏差抵消的可能。52圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）對(duì)大偏差敏感53④時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積積分ITAE

（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間敏感圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

54

采用不同的積分公式意味著估計(jì)整個(gè)過渡過程優(yōu)良程度時(shí)的側(cè)重點(diǎn)不同。例如ISE著重于抑制過渡過程中的大誤差，而ITAE則著重懲罰過渡過程拖得過長(zhǎng)。人們可以根據(jù)生產(chǎn)過程的要求，特別是結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益的考慮加以選用。誤差積分指標(biāo)有一個(gè)缺點(diǎn)，它們并不能都保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減率，而后者則是人們首先關(guān)注的。特別是，一個(gè)等幅振蕩過程是人們不能接受的，然而它的

IE卻等于零，顯然極不合理。為此，通常的做法是首先規(guī)定衰減率的要求。在這個(gè)前提下，系統(tǒng)仍然可能有一些靈活的余地，這時(shí)再考慮使誤差積分為最小。

551.4過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是過程控制工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的正確與否，直接影響到工程能否投入正常運(yùn)行。因此要求過程控制專業(yè)人員必須根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)、工藝對(duì)象的特性和生產(chǎn)操作的規(guī)律，正確運(yùn)用過程控制理論，合理選用自動(dòng)化技術(shù)工具，才能設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、符合生產(chǎn)要求的控制系統(tǒng)。

561.4.1過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟過程控制的目標(biāo)與任務(wù)是通過對(duì)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)來完成的。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為工程設(shè)計(jì)的一個(gè)環(huán)節(jié)，其具體設(shè)計(jì)步驟為：

（1）根據(jù)工藝要求和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)變量；（2）建立數(shù)學(xué)模型；（3）確定控制方案；（4）選擇硬件設(shè)備；（5）選擇控制算法，進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)；（6）軟件編程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)行設(shè)備安裝、調(diào)試與整定，再投入運(yùn)行。

571.4.2確定控制變量與控制方案1．確定控制目標(biāo)前面所述的過程控制目標(biāo)定性地說明了過程控制的一般目標(biāo)，即所設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)需確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為工藝生產(chǎn)服務(wù)的，因此它與工藝流程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)備設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型等有密切關(guān)系?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的類型很多，生產(chǎn)裝置日趨復(fù)雜化、大型化，這就需要更復(fù)雜更可靠的控制裝置來保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。因此，對(duì)于具體系統(tǒng)，過程控制設(shè)計(jì)人員必須熟悉生產(chǎn)工藝流程、操作條件、設(shè)備性能、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)等，并與工藝人員一起研究各操作單元的特點(diǎn)以及整個(gè)生產(chǎn)裝置工藝流程特性，確定保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的關(guān)鍵參數(shù)。

58(1)被控變量在定性地確定目標(biāo)以后，通常需要用工業(yè)過程的被控變量來定量地表示控制目標(biāo)。選擇被控變量是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵步驟，對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量、穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保、改善勞動(dòng)條件都是非常重要的。如果被控變量選擇的不合適，則系統(tǒng)不能很好地控制，先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和控制儀表就不能很好地發(fā)揮作用。

被控變量也是工業(yè)過程的輸出變量，選擇的基本原則為：①選擇對(duì)控制目標(biāo)起重要影響的輸出變量作為被控變量；②選擇可直接控制目標(biāo)質(zhì)量的輸出變量作為被控變量；

59③在以上前提下，選擇與控制變量之間的傳遞函數(shù)比較簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性較好的輸出變量作為被控變量；④有些系統(tǒng)存在控制目標(biāo)不可測(cè)的情況，則可選擇其他能夠可靠測(cè)量，且與控制目標(biāo)有一定關(guān)系的輸出變量，作為輔助被控變量。

60(2)控制變量控制變量為可由操作者或控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)的變量，選擇的基本原則為：①選擇對(duì)所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制變量；②在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制；③在①的基礎(chǔ)上選擇對(duì)被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量，使控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快；④在復(fù)雜系統(tǒng)中，存在多個(gè)控制回路，即存在多個(gè)控制變量和多個(gè)被控變量。所選擇的控制變量對(duì)相應(yīng)的被控變量有直接影響，而對(duì)其他輸出變量的影響應(yīng)該盡可能的小，以便使不同控制回路之間的影響比較小。

612．確定控制方案工業(yè)過程的控制目標(biāo)以及被控變量和控制變量確定以后，控制方案就可以確定了?？刂品桨笐?yīng)該包括控制結(jié)構(gòu)和控制規(guī)律?？刂品桨傅倪x取是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分之一，它們決定了整個(gè)控制系統(tǒng)中信息所經(jīng)過的運(yùn)算處理，也就決定了控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本組成，所以對(duì)控制質(zhì)量起決定性的影響。

(1)控制結(jié)構(gòu)在控制結(jié)構(gòu)上，從系統(tǒng)方面來說，要考慮選取常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，還是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；在系統(tǒng)回路上，是選取單回路簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，還是多回路復(fù)雜控制系統(tǒng)；在系統(tǒng)反饋方式上，是選取反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)，還是復(fù)合控制系統(tǒng)。

62（2）控制規(guī)律在控制結(jié)構(gòu)確定以后，需要首先選擇合適的控制算法，如簡(jiǎn)單PID控制、復(fù)雜控制或先進(jìn)控制等算法，然后根據(jù)控制規(guī)律進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。

631.4.3過程控制系統(tǒng)硬件選擇根據(jù)過程控制的輸入輸出變量以及控制要求，可以選定系統(tǒng)硬件，包含控制器、測(cè)量?jī)x表與傳感器、執(zhí)行器和報(bào)警、保護(hù)、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(biāo)和控制方案的實(shí)施。

1．控制器簡(jiǎn)單的工業(yè)過程控制系統(tǒng)可以選擇PID控制器作為控制器，對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)需要用計(jì)算機(jī)控制。目前常用的計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)有單片機(jī)系統(tǒng)、工控機(jī)（或微型計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)、DCS（集散控制系統(tǒng)）、PLC（可編程序控制器）系統(tǒng)或FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)）等。

642．測(cè)量?jī)x表和傳感器的選型在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)部件的作用相當(dāng)于人的感覺器官，它直接感受被測(cè)參數(shù)的變化，提取被測(cè)信息，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供顯示和作為控制的依據(jù)。檢測(cè)部件一般宜采用定型產(chǎn)品，設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)控制方案選擇測(cè)量?jī)x表和傳感器。其選型原則是：

(1)可靠性原則可靠性是指產(chǎn)品在一定的條件下，能長(zhǎng)期而穩(wěn)定地完成規(guī)定功能的能力?？煽啃允菧y(cè)量?jī)x表和傳感器的最重要的選型原則。

65(2)實(shí)用性原則

實(shí)用性是指完成具體功能要求的能力和水平。根據(jù)工藝要求考慮實(shí)用性，既要保證功能的實(shí)現(xiàn)，又應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，并非功能越強(qiáng)越好。

(3)先進(jìn)性原則隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)量?jī)x表和傳感器的技術(shù)更新周期越來越短，而價(jià)格卻越來越低。在可能的條件下，應(yīng)該盡量采用先進(jìn)的設(shè)備。661.5過程控制的發(fā)展與趨勢(shì)過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.5.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1．局部自動(dòng)化階段（20世紀(jì)50～60年代）自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡(jiǎn)單的測(cè)控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。67特點(diǎn)：自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2．模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代）68巴基斯坦賈姆肖羅電廠

3．集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。最初，人們?cè)O(shè)想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。69

7080年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。

DCS系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。7172隨著CPU進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由