過程控制系統(tǒng)與儀表

過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表第1章第1章

緒論過程控制（Process

control）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.1

過程控制的特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1．控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣控制方案豐富控制對(duì)象大多屬于慢過程大多數(shù)工藝要求定值控制大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)、控制儀表及裝置過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(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。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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章2．模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代）?

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)。?控制儀表集中在控制室，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)。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章煤氣過程控制系統(tǒng)與儀表第1章核電過程控制系統(tǒng)與儀表第1章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，Direct

Digital?Control ）。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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章80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?；?/p>

“集中管理，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，

Distributed

ControlSystem）

。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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制柜觸摸顯示屏過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制柜內(nèi)部過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制柜內(nèi)PLC過程控制系統(tǒng)與儀表第1章隨著CPU進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus

Control

System)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測(cè)、控制。而用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場(chǎng)總線，將分散在現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、ABB、Siemens等公司。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID

（ProportionalIntegral

Derivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等控制策略與算法，也日趨完善。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.3

過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)被控對(duì)象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對(duì)控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。t0y過程控制系統(tǒng)與儀表第1章靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)t1.3.2.1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。y靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty過程控制系統(tǒng)與儀表第1章2、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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章給定值被控量1.3.2.2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。干擾f控制器傳感器系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部?jī)煞N因素的影響。執(zhí)行器被控對(duì)象+實(shí)測(cè)值e—過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1、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)。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章·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）過程控制系統(tǒng)與儀表第1章一側(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。①t0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：θa①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的②0θa過程控制系統(tǒng)與儀表第1章③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過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(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)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章（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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，是根據(jù)工藝對(duì)控制過程和結(jié)果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程曲線是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。最典型的控制性能測(cè)試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章干擾階躍響應(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+實(shí)測(cè)值e—(a)干擾階躍響應(yīng)t0y過程控制系統(tǒng)與儀表第1章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+實(shí)測(cè)值e—0t(b)給定階躍響應(yīng)y過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制性能指標(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)被控參數(shù)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)的品質(zhì)指標(biāo)。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)。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1）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y3yry1y3Cy(∞)TpTS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Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章衰減比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(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章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)。yry1y3Cy(∞)TpTS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TtA過程控制系統(tǒng)與儀表第1章有時(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yry1y3Cy(∞)TpTS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Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章3）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(∞)

-

ryry1y3Cy(∞)TpTS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Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章4）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ωTs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。yry1y3y(∞)TpTS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Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章調(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)。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/

Tyry1y3y(∞)TpTS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Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章另外還有峰值時(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)。yry1y3Cy(∞)TpTS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Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章?

[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

=

230-200

=

30℃余差C=

205-200

=

5℃衰減比

n

=

y1:

y3

=

225:5

=

45:1過程控制系統(tǒng)與儀表第1章振蕩周期

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

=

22min過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制系統(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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章2.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)。yry1y3Cy(∞)TpTS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Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章tyrCy(∞)yrCy(∞)偏差積分的原始定義：IE=∫∞e(t)dt0偏差的定義存在分歧：e

(t)

=

y(t)

-

y(∞)e

(t)

=

y(t)

-

y(r)不能表達(dá)余差如有余差則積分無窮大過程控制系統(tǒng)與儀表第1章偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：yry1y3Cy(∞)T