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过程控制与现场 总线技术,主讲：郑小倩 E-mail ：,贵州师范大学机电学院,过程控制与现场总线技术,过程控制,第一部分,教材： 过程控制系统及装置何离庆 重庆大学出版社,1过程控制系统 郭一楠 机械工业出版社 2自动化仪表与过程控制(第三版) 施仁 电子工业出版社 3工业过程检测与控制 孟华 北京航空航天大学出版社 4过程控制与仪表 邵裕森 上海交通大学出版社 5. 控制仪表及装置吴勤勤 化工出版社 6. 化工仪表及自动化历玉鸣 化工出版社,参考书：,(一)掌握常见变送器、运算器、控制器、执行器的结构、组成、工作原理、特性以及在实际应用中的主要问题。 (二)掌握简单控制系统的原理及应用，理解其它复杂控制系统的原理及应用。 (三) 掌握过程控制系统的设计原则、思路。,教学要求：,第一章 绪 论,1.1 过程控制及其特点 1.2 过程控制系统的发展 1.3 过程控制系统的组成及分类 1.4 过程控制系统的性能指标,1.1 过程控制系统及其特点,1.过程控制 是对生产过程中的有关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，在保证质量和生产安全的前提下，使生产自动进行下去。 有关参数：温度、流量、压力、液位、成分和物性,重要,2.过程控制的特点： 对象复杂多样 生产过程多种多样，存在各种物理变化，化学反应，能量转换，状态改变，对象的特性多种多样（滞后，惯性，参数相互影响）。,对象存在滞后 当流入（流出）对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性和阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象称为滞后。 滞后导致信号相应时间推迟，输入与输出之间产生相移，容易引起振荡，不利于自动控制。, 对象特性具有非线性 绝大多数对象的特性都具有非线性（随负荷变化而变化）。负荷变化，对象特性不同，把非线性系统按照线性系统处理有一定前提。 控制系统复杂 要求生产过程平稳，不振荡；但对象特性多变，从而导致控制系统结构、参数的复杂性。,1.2 过程控制系统的发展概括,生产过程自动化的发展，分为三个阶段 仪表自动化阶段 20世纪40年代，基地式仪表，就地控制。特点：不同设备或同一设备中的不同控制系统之间没有或很少有联系 对象：对参数的定值控制 20世纪60年代，DDZ（电动单元组合仪表），QDZ（气动单元组合仪表），集中监控集中操作，实现工厂仪表化，局部自动化。理论：经典控制理论（频率法和根轨迹法），对象：单输入单输出定值控制系统。特点：各控制系统间互不关联或关联甚少，控制品质有较大提高。,计算机控制阶段 20世纪70年代，采用计算机直接数字控制（DDC）与计算机监控（SCC）。 集散控制系统（DCS），具有控制分散，操作管理集中的优势，发展较快。它集中了计算机、控制、通信、图形显示技术。 控制结构：前馈，串级，比值，均匀，选择性控制。 理论：除采用经典控制理论外，现代控制理论开始得到应用 控制方法：最优控制、推理控制、预测控制、自适应控制等 控制系统：由单变量控制系统转向多变量控制系统。,20世纪90年代，过程控制进入综合自动化阶段，出现现场总线控制技术，计算机控制达到新的层次，出现智能控制理论，将人工智能、控制理论和运筹学组合，采用了模糊技术、神经网络和专家系统。 综合自动化系统包括生产计划和调度操作优化，基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统，也称为管理控制一体化的系统，称为计算机集成过程系统CIPS。,综合自动化阶段,1.3 过程控制系统的组成及分类,锅炉控制,过程控制系统方框图,1.3.1 过程控制系统的组成 被控对象：被控制的生产设备或装置。需要进行自动控制的参数称为被控量。 传感器和变送器：实现信号的检测。 控制器（调节器）：接收传感器或变送器的输入信号，按照事先所设定的控制规律产生控制输出。 扰动：使得被控量发生变化的作用。 内扰：控制通道内，控制阀不动作的情况下，由于通道内质量或能量变化造成的扰动。（给水压力变化） 外扰：其它来自外部的影响统称（蒸汽负荷变化） 设定值r，被控量测量值z，偏差erz。 注意：仪表行业规定ezr。,执行器 接收控制器的控制信号，转换为一个动作，推动控制阀去控制被控对象。 分为电动、气动两大类。 控制阀 调节流体流量，改变对象的被控参数。,另需备一套手动控制回路，和显示通信联锁以及自动保护回路,复习相关概念,开环控制 反馈 反馈控制 闭环控制,1.3.2 过程控制系统的分类 按照控制参数分：温度，压力 按照信号类型分：模拟，数字 按照设备：仪表控制，计算机控制（DDC，DCS，现场总线） 按照功能：串级，均匀，自适应 按照控制动作规律：比例控制，积分微分 按照组成回路：单回路，多回路，开环，闭环。,按照设定值的形式不同分类 定值控制系统 在生产过程中，设定值是固定不变的，被控量保持在规定的小范围内变化 随动控制系统 在生产过程中，被控量是变化的，即控制系统的设定值不是定值，而是无规律变化的，自动控制的目的在于使被控量准确而及时地跟随设定值的变化。 程序控制系统 设定值按生产工艺的要求有规律的变化，自动控制的目的是使被控量按规定的程序自动进行,1.4 过程控制系统的性能指标,静态：被控制量不随时间变化，系统处于平衡状态。 动态：被控制量随时间而变化，系统未处于平衡状态。 改变设定值或有干扰进入系统，原来的平衡状态就被破坏，被控量偏离设定值，控制器即按所设定的算法运算并发出控制命令，使控制阀产生相应动作，改变操纵量的大小，使被控量逐渐回到设定值，直到恢复平衡为止。,1.4 过程控制系统的性能指标,控制过程就是消除干扰的过程 控制系统的优劣就在于它受到扰动后能否在控制器的作用下稳定下来，即克服扰动造成的偏差而回到设定值的准确性和快速性 从扰动开始，由于控制器的作用，在系统达到平衡之前，存在一个过渡过程。,1.4 过程控制系统的性能指标,a：等幅振荡 b：发散振荡 c：衰减振荡 d：非周期振荡,典型过渡过程曲线：,控制系统是否稳定、准确而快速地达到平衡状态，通常采用以下几个指标来衡量：,1.4 过程控制系统的性能指标,递减比n 最大动态偏差 调节时间 静态偏差 性能准则,nB1/B2 或 n=A1/A2，4:1较好 B1、B2为第一、二周期的振幅，A1、A2为第一、二周期的可用面积。 递减率 ： =(B1-B2)/B1 反映了控制系统的稳定快慢程度,1.4.1 递减比n,1.4.1 递减比n,1.4.2 最大动态偏差,扰动发生后，被控量偏离稳定值（或设定值）的最大偏差，称为最大动态偏差（或最大过调量，过调量） 最大动态偏差占设定值的百分比称为超调量。（不能过大）,重要,1.4.2 最大动态偏差,1.4.3 调整时间Tc,调整时间Tc：控制系统原处于平衡状态，受到扰动后，由于系统的控制作用，被控量过渡到被控量稳定值的25时，达到新的平衡状态所经历的时间。也称为过渡过程时间或稳定时间。,上升时间Ts ： 过阻尼系统：从10变到90的时间 欠阻尼系统：从0到100所经历的时间 延迟时间Td： 响应曲线第一次到达稳定值50的时间,1.4.3 调整时间Tc,1.4.4 静态偏差C,静态偏差：过渡过程结束，被控量在规定的小范围内波动，被控量与最大稳态值或设定值之差值称为静态偏差或稳态偏差。（也称残余误差，简称残差，余差或静差） 静差的大小是根据生产工艺过程的实际需要制度的，它是系统的静态指标。,1.4.5 性能准则,从控制观点出发，系统是以所采用不同的控制器来区分的，不同方案的选择，是比较其对设定值变化或负荷变化的响应特性，看哪一种方案更适宜。响应曲线评价常用以下准则：,误差积分IE,偏差绝对值与时间乘积积分ITAE,绝对误差积分IAE,平方误差积分ISE,1.4.5 性能准则 误差积分IE （不合理）,设定值与被控量的差值可能是正，也可能是负，在持续振荡的回路中，可能为零。单凭误差积分并不能衡量系统是否稳定。,1.4.5 性能准则,绝对误差积分IAE（公认，常用）,IAE抑制小误差,IAE是公认的误差准则，用来衡量响应曲线在零误差两侧的总面积大小。对小误差比较灵敏。,1.4.5 性能准则 平方误差积分ISE （抑制大误差）,对瞬时误差先平方再积分，平方可以避免负误差抵消正误差，它对大误差的加权甚于小误差，故对大误差灵敏。,1.4.5 性能准则,偏差绝对值与时间乘积积分ITAE（抑制长时间过渡过程）,对初始误差与不可避免的随机误差等不敏感，但对过渡过程时间长短则影响较大。,对于不同的系统，采用不同的性能指标 定值控制系统：要求被控量很快衰减，过渡过程时间短，采用IAE指标。 燃烧控制，燃料和控制比值控制：空气量跟随燃料量，不产生大幅度振荡，选择最快的非振荡过程