過程控制系統(tǒng)第一章

過程控制系統(tǒng)方康玲，王新民等主編講授：王明霞課程的性質(zhì)和教學(xué)安排

凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制通稱為過程控制。(另有電力拖動控制方向)

1、過程控制的概念2、過程控制是自動化專業(yè)的主要內(nèi)容之一3、教學(xué)安排4、主要參考書

(1)、過程控制系統(tǒng)，黃德先，

清華大學(xué)出版社(2)、過程控制系統(tǒng)，方康玲，

武漢理工大學(xué)出版社

(1)、學(xué)時、實驗情況(2)、內(nèi)容安排(2)、從實際應(yīng)用看(1)、從專業(yè)特點看返回生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動條件、保證安全和提高勞動生產(chǎn)率重要手段，一直起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個方面：

1、初期階段(30～40年代)

2、簡單儀表化階段(40～60年代)

3、綜合自動化階段(60～70年代中期)

4、全盤自動化(及智能化)階段(70年代中期自今)過程控制的發(fā)展概況過程控制的特點及計算機的作用

過程控制的目的：保持過程中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。1、被空對象的多樣性

2、對象特性的難辨性

白色系統(tǒng)、黑色系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)的概念

3、普遍存在滯后

4、特性往往具有非線性：

如間歇式加溫、齒輪運動等。5、計算機在過程控制中的地位和作用

計算機的應(yīng)用不僅促進了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，而且也推動了自動化向深度與廣度進軍，使生產(chǎn)自動化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步邁進。微型計算機控制生產(chǎn)過程，按不同的控制目的，可分為兩類：一是數(shù)據(jù)檢測處理，二是形成微機控制系統(tǒng)。微機控制在提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證安全運行、減少原料和能量消耗、控制和減少環(huán)境污染、提高企業(yè)的管理水平方面正在并將發(fā)揮越來越重要的作用。1-1典型單回路控制系統(tǒng)一、系統(tǒng)組成過程控制系統(tǒng)的組成1、控制原理(如下圖)以液體儲槽的水位控制為例進行說明。液位變送器液位控制器執(zhí)行器2、系統(tǒng)方塊圖3、主要組成部分

(1)、被控對象：生產(chǎn)過程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。

(2)、檢測變送單元：儀表課中已做介紹。

(3)、控制器：實時地對被控系統(tǒng)施加控制作用。

(4)、執(zhí)行器：將控制信號進行放大以驅(qū)動控制閥。常見的有氣動和電動兩種。

(5)、控制閥：控制進料量。有氣開式和氣關(guān)式之別。

(5)、報警、保護、連鎖等部件

1、被控對象

(簡稱對象或過程)：前已述及。

2、被控參數(shù)：按照生產(chǎn)過程要求，某些變量應(yīng)該維持在穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)，如果對其施加控制作用，就稱二、常用術(shù)語

：

凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動。分內(nèi)干擾和外干擾。(內(nèi)干擾如原料成分變化等。)

4、控制參數(shù)：即調(diào)節(jié)介質(zhì)。如儲水槽液位控制系統(tǒng)的給水量。

5、測量值：被控變量經(jīng)檢測變送后即是測量值。

6、給定值：即被控變量的設(shè)定值。

7、偏差值：準(zhǔn)確地說，應(yīng)是被控量的給定值與實際值之差。但能夠直接得到的信號是被控量的測量值，故通常把給定值與測量值之差稱作為偏差。

8、調(diào)節(jié)器輸出：根據(jù)偏差值、經(jīng)一定算法得到的輸出值。調(diào)節(jié)器輸出亦稱控制作用。3、干擾:

其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。有常規(guī)控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)。一、一般分類1、按工藝參數(shù)分類：有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)等。2、按系統(tǒng)的任務(wù)分類：有比例控制、均勻控制、前饋控制等。3、按自動化裝置的不同分類：過程控制系統(tǒng)的分類1998。9。215、按是否形成閉合回路分類：是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最大的一種過程控制系統(tǒng)。在運行時，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小范圍附近波動。

二、按設(shè)定值形式分類4、按控制器的動作分類：有1、定值控制系統(tǒng)PPIPID位式開環(huán)閉環(huán)、。2、隨動控制系統(tǒng)其給定值按預(yù)定的時間程序來變化。如機械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)，其給定值是按升溫、保溫、逐次降溫等程序變化的。家用電器中應(yīng)用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機、電飯煲等。是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。3、程序控制系統(tǒng)

1、衰減比見圖一般認(rèn)為，:1=4:1時穩(wěn)定性好，但溫度等慢變化過程約取10:1為好，應(yīng)根據(jù)實際情況靈活處理。

2、衰減率

是衡量過度過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)(于遞減比含義相同).一般取=0.75～0.9?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)見圖1998。9。213、最大動態(tài)偏差（亦即超調(diào)量）

為被控量偏離穩(wěn)定值或設(shè)定值的最大偏差值。其它課程已做介紹，不再詳述。4、調(diào)節(jié)時間、靜態(tài)偏差（即余差）

見以下兩圖中的C。5、振蕩頻率返回誤差積分性能指標(biāo)誤差積分IE絕對誤差積分IAE平方誤差積分ISE時間與絕對誤差乘積積分ITAE控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1、數(shù)學(xué)模型的有關(guān)概念§2-1概述 數(shù)學(xué)模型:指過程在各輸入量的作用下，其相應(yīng)輸出量變化的函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)表達式。 干擾:內(nèi)干擾---調(diào)節(jié)器的輸出量u(t)；

外干擾---其余非控制的輸入量。 通道:輸入量與輸出量間的信號聯(lián)系。第二章過程控制系統(tǒng)建模分析1998。9。21擾動通道--擾動作用與被控量間的信號聯(lián)系。

2。研究并建立數(shù)學(xué)模型的目的 (1)、設(shè)計過程控制系統(tǒng)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (2)、指導(dǎo)生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計。 (3)、進行仿真實驗研究。(4)、培訓(xùn)運行操作人員。3。單輸入-單輸出過程的常見模型 (1)、線性時間連續(xù)模型

(2)、線性時間離散模型4。有/無平衡能力的概念(參見圖

1

2)控制通道--控制作用與被控量間的信號聯(lián)系；一。自衡過程的數(shù)學(xué)模型自衡的定義：對象受到干擾作用后，平衡狀態(tài)被破壞，無須外加任何控制作用，依靠對象本身自動平衡的傾向，逐漸地達到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)，稱為平衡能力。(一)、單容過程的數(shù)學(xué)模型1、單容過程的定義：只有一個儲蓄容量的過程。如下頁圖所示。§2-2有自平衡能力對象特性1998。9。21過程演示2-1返回2、參量關(guān)系分析討論：(1)、靜態(tài)時，q1=q2=dh/dt=0;(2)、當(dāng)q1變化時h變化q2變化。經(jīng)線性化處理，有其中，R2為閥門2的阻力，稱為液阻或流阻。3、建立數(shù)學(xué)模型由式(*)可畫出框圖如圖所示。即

AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s),故式中，TO=AR2=R2C

,C為容量系數(shù)(或容量)。由式(2-6)和式(2-7)，有1998。9。212-2

(1)、容量C含義：生產(chǎn)設(shè)備和傳輸管路都具有一定的儲蓄物質(zhì)或能量的能力。被控對象儲存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)，其意義是：引起單位被控量變化時，被控過程儲存量變化量。4、容量和阻力的概念返回1、純滯后的概念純滯后是普遍存在的，如下頁圖所示。種類：有電容、熱容、氣容、液容等等。(2)、阻力概念：凡是物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)移，都要克服阻力，阻力的大小決定于不同的勢頭和流率。種類：電阻、熱阻、氣阻、流(液)阻。2、數(shù)學(xué)模型(二)、具有純滯后單容過程的數(shù)學(xué)模型純滯后單容過程及其響應(yīng)曲線2-3無純滯后有純滯后(三)、多容過程的數(shù)學(xué)模型

1、多容過程是工業(yè)生產(chǎn)中常見的，如下兩圖。2-52、三容過程的微分方程模型:

如式(2-10)3、三容過程的方框圖由式(2-10)的拉氏變換，可得圖2-6。4、三容過程的數(shù)學(xué)模型由圖2-6，應(yīng)用自控理論即可獲得其模型。無自衡過程的概念：如下圖?！?-3無自平衡能力對象特性(一)、單容過程的數(shù)學(xué)模型

1、參量關(guān)系分析

在自衡過程(圖2-7)下，有圖2-8返回而在無自衡過程(圖2-8)下，因q2=0，故

2、傳遞函數(shù)二容、三容過程形式：如圖2-9、圖2-10所示。(二)、多容過程的數(shù)學(xué)模型1998。9。212-10對正常生產(chǎn)影響小。轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)的方法如下圖。一、響應(yīng)曲線法

問題的提出：大多數(shù)工業(yè)過程的機理模型是很難建立的，只有采用實驗建模。是一種時域法辨識對象的動態(tài)特的方法。(一)、階躍擾動法測定對象的響應(yīng)曲線實驗時往往會對正常生產(chǎn)造成影響。(二)、矩形脈沖法測定對象的響應(yīng)曲線§2-4時域辨識法1998。9。212-11將矩形脈沖看成正負(fù)兩個等幅的階躍信號，據(jù)此而得到輸出的階躍響應(yīng)。即轉(zhuǎn)換的思路是：

x(t)=x1(t)+

x2(t)(見圖2-11上)=x1(t)-

x1(t-a)(2-20)則

y*(t)=y(t)-y(t-a)或

y(t)=y*(t)＋y(t-a)(2-21)

用式(2-21)進行轉(zhuǎn)換的過程如圖2-11中部(有自衡過程)和下部(無自衡過程)。

(三)、由階躍響應(yīng)曲線確定過程的傳遞函數(shù)多數(shù)過程的數(shù)學(xué)模型表達式如P19所示。1、確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)(1)、放大系數(shù)(2)、時間常數(shù)a、切線法：如右圖。

b、圖解法（半對數(shù)法）：P20-21及下圖圖2-12階躍響應(yīng)曲線通過P20-21的分析，得斜率為：圖2-132、確定有時滯的一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)圖2-14(2)、圖解法：如