过程控制-第一章

1、主编 倪志莲 龚素文机械工业出版社过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表2第一章 过程控制系统了解过控系统的组成、分类和品质指标。能简单使用MATLAB软件。了解本课程定位及学习方法。3了解过程控制技术的开环、闭环概念。124过程控制与自动化仪表31.1 1.1 引言引言 v所谓所谓自动控制自动控制，是指在，是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，的情况下，利用外加设备或控制装置利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象使生产过程或被控对象中的某一物理量或多个中的某一物理量或多个物理量自动地物理量自动地按照期望的按照期望的规律去规律去运行或变化运行或变化。v所谓所谓过程控制过程控制，是指

2、根据工业生产过程的特点，是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，等自动化工具，应用控制理论应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，设计工业生产过程控制系统，实实现工业生产过程的自动化现工业生产过程的自动化。过程控制与自动化仪表41.1 1.1 引言引言v自动化技术的发展阶段自动化技术的发展阶段 n1）20世纪50年代，单输入单输出的单回路定值控制系统，多采用基地式仪表、气动组合仪表和气动仪表控制器来完成简单控制。n2）20世纪60年代，集中控制及直接数字控制。电动仪表开始使用，并逐步取代气动仪表，单元组合式仪表和组装式仪表。n3）2

3、0世纪70年代，集散控制系统（DCS）。先进控制技术、数字化仪表、计算机，特别是网络通信技术的进一步发展，体现“分散控制，集中管理”的理念。n4）近30多年来，计算机控制技术、各种集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）不断涌现，人工智能技术如专家系统、人工神经网络、模糊控制、遗传算法等也有了长足进步。 过程控制与自动化仪表51.2 1.2 开环与闭环的概念开环与闭环的概念v开环控制：不设反馈环节开环控制：不设反馈环节v闭环控制：设有反馈环节闭环控制：设有反馈环节开环控制开环控制闭环控制闭环控制过程控制与自动化仪表61.2 1.2 开环与闭环的概念开环与闭环的概念v1.2.1 1.2

4、.1 开环控制系统开环控制系统n开环控制是最简单的一种控制方式。它的特点是，仅仅有从输入到输出的前向通路，而没有从输出到输入的有从输入到输出的前向通路，而没有从输出到输入的反馈通路。反馈通路。n缺点：控制精度取决于组成系统的元件的精度控制精度取决于组成系统的元件的精度，因此对元器件的要求比较高。由于输出量不能反馈回来影响控制部分，所以输出量受扰动信号的影响比较大受扰动信号的影响比较大，系统抗干扰能力差。 过程控制与自动化仪表7直流电动机转速开环控制 v当调节电位器的滑臂位置时，可以改变功率放大当调节电位器的滑臂位置时，可以改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最器的输入电压，从而

5、改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。终改变电动机的转速。 过程控制与自动化仪表81.2 1.2 开环与闭环的概念开环与闭环的概念v1.2.2 1.2.2 闭环控制系统闭环控制系统n不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输入端的反馈通路反馈通路。n输出量通过一个测量变送元件反馈到输入端，与输入量比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，反馈的作用是减小偏差，以达到满意的控制效果。 n闭环控制又称为反馈控制反馈控制。 n如果输入量和反馈量相减则称为负反馈输入量和反馈量相减则称为负反馈；反之，若二者相加，则称为正反馈相加，则称为正反馈。控制系统中一般采用负反馈方式。输入量与反馈

6、量之差称为偏差信号。n系统的输出量能够自动地跟踪输入量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。 过程控制与自动化仪表9直流电动机转速闭环控制 v在原来开环控制的基础上，增加了一个由测速发在原来开环控制的基础上，增加了一个由测速发电机构成的反馈回路，该回路检测输出转速的变电机构成的反馈回路，该回路检测输出转速的变化并作反馈。化并作反馈。 过程控制与自动化仪表101.3 过程控制系统的组成 v贮槽液位控制贮槽液位控制人工控制人工控制自动控制自动控制过程控制与自动化仪表111.3 过程控制系统的组成v过程控制系统一般由过程控制系统一般由自动化装置自动化装置及及生产装置生产装置两部两部分组成

7、。分组成。n1）被控对象又称被控过程，是需要控制其工艺变量的生产设备或机器。 n2）变送器将被控制的物理量检测出来并转换成工业仪表间的标准统信号。过程控制与自动化仪表121.3 过程控制系统的组成v过程控制系统一般由过程控制系统一般由自动化装置自动化装置及及生产装置生产装置两部两部分组成。分组成。n3）控制器又称为调节器。其作用是根据反馈量与输入量比较得出的偏差，按一定的规律运算后对执行器发出相应的控制信号或指令的装置。 n4）执行器其作用是依据控制器发出的控制信号或指令，改变操纵变量，从而对被控对象产生直接的控制作用。 过程控制与自动化仪表131.3 过程控制系统的组成v系统的各种作用量系统

8、的各种作用量n1）被控变量是表征生产设备或过程运行状况，需要加以控制的变量，也是过程控制系统的输出量。 n2）设定值又称给定值，是工艺要求被控变量需要达到的目标值，也是过程控制系统的输入量。n3）测量值是检测元件与变送器的输出信号值，也称反馈量。 n4）扰动量又称干扰或“噪声”，通常是指引起被控变量发生变化的各种因素。n5）操纵变量受执行器操纵，具体实现控制作用的变量称为操纵变量。 n6）偏差通常把设定值与测量值之差称作偏差。 过程控制与自动化仪表141.4 过程控制系统的分类和品质指标 v1.4.1 1.4.1 过程控制系统的分类过程控制系统的分类n1定值控制系统n在生产过程中，如果要求控制

9、系统使被控变量保持在一个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，这类控制系统称为定值控制系统。n2随动控制系统n设定值是一个未知变化量的控制系统称为随动控制系统，随动控制系统的目的是使被控变量准确快速地跟随着设定值的变化而变化。这类控制系统又称为自动跟踪系统。n3程序控制系统n也称顺序控制系统。这类控制系统的设定值是时间的已知函数，即设定值按一定的时间顺序变化。 过程控制与自动化仪表151.4 过程控制系统的分类和品质指标v1.4.2 1.4.2 过程控制系统的过渡过程过程控制系统的过渡过程n稳态：各个信号保持不变，被控变量不随时间变化而变化的平衡状态。n动态：生产过程受到扰动时，被控

10、变量随时间变化而变化的不平衡状态。 过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。 过程控制与自动化仪表161.4 过程控制系统的分类和品质指标v1.4.2 1.4.2 过程控制系统的过渡过程过程控制系统的过渡过程过渡过程的基本形式过渡过程的基本形式过程控制与自动化仪表171.4 过程控制系统的分类和品质指标v1.4.3 1.4.3 过程控制系统的品质指标过程控制系统的品质指标评价指标可概括为“稳”、“准”、“快” u平稳：“稳”即系统必须是稳定的，这也是最重要、最基本的需求。u准确：“准”是指控制系统的准确性、控制的精确程度，通常用稳态误差来描述，它表示系统

11、输出稳态值与期望值之差。 u迅速：“快”是指控制系统响应的快速性。稳定性稳定性静态指标静态指标动态指标动态指标过程控制与自动化仪表181.4 过程控制系统的分类和品质指标v1.4.3 1.4.3 过程控制系统的品质指标过程控制系统的品质指标（1）余差C （2）衰减比n （3）最大偏差A或超调量（4）过渡过程时间（调整时间）ts（5）峰值时间tp（6）振荡周期T 过程控制与自动化仪表191.5 1.5 过程控制系统的特点与要求过程控制系统的特点与要求v1.5.1 1.5.1 过程控制系统的特点过程控制系统的特点n1）系统由被控对象与系列化生产的自动化仪表组成。n2）被控对象复杂多样，通用控制系统

12、难以设计。n3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高。n4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制。n5）定值控制系统是过程控制系统的主要形式。过程控制与自动化仪表201.5 1.5 过程控制系统的特点与要求过程控制系统的特点与要求v1.5.2 1.5.2 过程控制系统的要求过程控制系统的要求n（1）安全性 整个生产过程中，人身安全和设备安全是控制系统中最重要和最基本的要求。在整个生产过程中，通常采用越限报警、事故报警和联锁保护等措施来保证系统的安全性。 n（2）稳定性 工业生产环境中存在各种各样的干扰以及生产原料的变化和波动，如何有效地抑制或减小系统外部干扰，保持生产过程长期稳定运行是设计过程控制

13、系统的又一要求。n（3）经济性 随着市场竞争加剧和世界能源及原材料的匮乏，在满足安全性和稳定性的前提下，要求控制系统低成本、高效益。 过程控制与自动化仪表211.6 MATLAB1.6 MATLAB软件软件vMATLAB是是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的（矩阵实验室）的英文缩写。它是由美国英文缩写。它是由美国Math Works公司于公司于1982年推出的一个软件包。它从数值与矩阵运算开始，年推出的一个软件包。它从数值与矩阵运算开始，经过不断更新与扩充，已成为一个功能强、效率经过不断更新与扩充，已成为一个功能强、效率高、有着完善的数值分析、强大的矩阵运算、复高、有着完善的数

14、值分析、强大的矩阵运算、复杂的信息处理和完美的图形显示等多种功能的软杂的信息处理和完美的图形显示等多种功能的软件包；它有着一个方便实用、界面友好的、开放件包；它有着一个方便实用、界面友好的、开放的用户环境，可以很方便地进行科学分析和工程的用户环境，可以很方便地进行科学分析和工程计算。计算。 过程控制与自动化仪表221.6 MATLAB1.6 MATLAB软件软件v1.6.1 MATLAB1.6.1 MATLAB界面简介界面简介过程控制与自动化仪表231.6 MATLAB1.6 MATLAB软件软件v命令窗口常用控制命令命令窗口常用控制命令 命令涵义命令涵义cd设置当前工作目录edit打开M文件

15、编辑器clf清除图形窗exit关闭/退出MATLABclc清除命令窗口的显示内容mkdir创建目录clear清除MATLAB工作空间保存的变量quit关闭/退出MATLABdir列出指定目录下的文件和子目录清单type显示指定M文件的内容过程控制与自动化仪表241.6 MATLAB1.6 MATLAB软件软件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB软件的基本概念及操作软件的基本概念及操作n1数值的表示nMATLAB的数值采用十进制，可以带小数点或负号。 n2变量命名规定n1）变量名、函数名：字母大小写表示不同的变量名。 n2）变量名的第一个字母必须是英文字母，最多可包含31个字符。n

16、3）变量名不得包含空格、标点，但可以有下连字符。 0 -100 0.008 12.752 1.8e-6 8.2e52举例举例A和a表示不同的变量名 A21是合法的变量名，而3A21是不合法的变量名。 “A_b21”是合法变量名，而“A，21”是不合法的。过程控制与自动化仪表251.6 MATLAB1.6 MATLAB软件软件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB软件的基本概念及操作软件的基本概念及操作n3基本运算符数学表达式MATLAB运算符MATLAB表达式加a+b+a+b减abab乘ab*a*b除ab/或a/b或ab幂abab过程控制与自动化仪表261.6 MATLAB1.6

17、MATLAB软件软件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB软件的基本概念及操作软件的基本概念及操作n4表达式nMATLAB 书写表达式的规则与“手写算式”几乎完全相同。n1）表达式由变量名、运算符和函数名组成。n2）表达式将按相同的优先级从左向右执行运算。n3）优先级规定为：指数运算级别最高，乘除运算次之，加减运算级别最低。n4）括号可以改变运算的次序。25)37(418举例举例过程控制与自动化仪表271.6 MATLAB1.6 MATLAB软件软件v1.6.2 MATLAB1.6.2 MATLAB软件的基本概念及操作软件的基本概念及操作n6绘制二维图形n（1）在二维图形绘制中，最

18、基本的指令是plot（ ）函数。如果用户将x和y轴的两组数据分别在向量x和y中存储，且它们的长度相同，则调用该函数的格式为plot(x,y)n（2）在图形上加注网格线、图形标题、x轴与y轴标记绘制多条曲线时，plot（ ）的格式为 plot(x1,y1,x2,y2)grid(加网格线)； title(加图形标题)； xlabel(加x轴标记)；y1abel(加y轴标记)。过程控制与自动化仪表28举例输入以下命令输入以下命令 t=0:0.1:4 t=0:0.1:4* *pipi plot(t,sin(tplot(t,sin(t) grid grid title( title(正弦曲线正弦曲线) xlabel(timexlabel(time) ylabel(sin(tylabel(sin(t)过程控制与自动化仪表291.6 MATLAB1.6 MATLAB软件软件v1.6.3 MATLAB1.6.3 MATLAB软件在控制系统中的应用实例软件在控制系统中的应用实例8848)(23ssss闭环传递函数 绘制该系统单位阶跃响应曲线的MATLAB程序为num=8 den=1,4,8,8 step(num,den) grid onxlabel(t/s), ylabel(c(t)过程