【电自动化】过程控制系统

1、 返回1-11-1典型单回路控制系统典型单回路控制系统液位变送器液位控制器执行器1 1、被控对象被控对象 ( (简称对象或过程简称对象或过程) )：前已述及。：前已述及。2 2、被控参数：被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称就称其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。21bbn n/11bb1bbb21121 返回 2.2 2.3过程演示返回 )62.(dthdadtdvqq)52.(.dtdhaqq2121)

2、72.(.rhq22 ).(s(ashr)s(h)s(qdthdarhq221 )82.(.!stk1sarr)s (q)s(h)s (woo221o 2-2返回) 92(e1stk) s (q) s (h) s (w)t (qkhdthdts001001000 种类：有电容、热容、气容、液容等等。种类：有电容、热容、气容、液容等等。纯滞后单容过程及其响应曲线无纯滞后有纯滞后2-5)102(rhqdthdcqqrhqdthdcqqrhqdthdcqq33333322222221111111 由图由图2-62-6，应用自控理论即可获得其模型。，应用自控理论即可获得其模型。 dthdcqq21 返

3、回1qdthdc )162.(.est1) s (q) s (h) s (w).152.(.st1) s (ws010000 或或响应。即响应。即 x(t)=xx(t)=x1 1 (t)+(t)+ x x2 2(t) (t) (见图见图2 2-11-11上上) ) = =x x1 1 (t)-(t)- x x1 1(t-a) (2-20)(t-a) (2-20)则则 y y* *(t)=y(t)-y(t-a)(t)=y(t)-y(t-a)或或 y(t)= yy(t)= y* *(t)(t)y(t-a) (2-21)y(t-a) (2-21) 用式用式( (2 2-21)-21)进行进行2 2-

4、11-11中部中部( (有自衡有自衡部部( (无自衡无自衡中中：在在.1stk)s(w.ooo )302.(x)0(y)(yk00 0bcbat1303.21ttzlgzlgtga ba0zlgzlgbc303. 21t. 则则1k)1st)(1st(k) s (w21 21t/t122t/t121etttettt1) t (y 由拐点处，由拐点处，0dt) t (yd22 2121211ttlnttttt )tt/(t21121)tt/(t21122.111.1221122121)tt(ttt)tt(ttt)a48472etttettt)t (y1af1ab 、由由式式（)tt()tt(tt

5、1) t (ytan)tt/(t21)tt/(t2112tt1221211 由图可见由图可见拐点拐点a a处的斜率为处的斜率为 tantea,tan/abbc1 液位变送器液位控制器执行器 最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。 是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。 适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不 大，控制质量要求不很高的场合。大，控制质量要求不很高的场合。1 1、安全性、安全性2 2、稳定性、稳定性3 3、经济性、经济性1 1、建立被控过程的数学模型、建立被控过程的

6、数学模型2 2、选择控制方案、选择控制方案3 3、选择控制设备型号规格、选择控制设备型号规格4 4、实验（与仿真）、实验（与仿真）3 3、工程安装、工程安装4 4、仪表调试、仪表调试5 5、参数整定、参数整定2 2、工程设计、工程设计 1 1、方案设计、方案设计1.1.选择的意义选择的意义图3-31.1.系统的简化方框图系统的简化方框图cck)s(w 1stk) s (wooo 1stk) s (wfff )1st(kk)1st)(1st()1st(k.)s(w)s(w1)s(w)s(f)s(yfocfoofocf ) t (ylim)(yt )1st(kk)1st)(1st(s)1st(ks

7、limfocfoof0s k1kkk1kfocf fta1 (1).(1).分析：分析： 1.1.时间常数的影响时间常数的影响的的一般一般原则原则 1.1.控制通道控制通道 2.2.扰动通道扰动通道 3.3.注意注意 1.1.工艺流程：工艺流程： 2.2.控制要求：控制要求： 3.3.被控参数选择被控参数选择： 4.4.控制控制参数参数的选择的选择 调调节节机机构构执执行行机机构构1. 1. 作用作用2. 2. 组成组成 液液动动执执行行器器电电动动执执行行器器滚滚动动膜膜片片机机构构长长行行程程机机构构活活塞塞机机构构薄薄膜膜机机构构应应用用最最广广气气动动执执行行器器 1 1、作用：、作用

8、：1)-(32ppp221 aq ) 23 ()pp(2aq21 maxql,ql) 33()ll( fqqmax ).43(klldqqdmax )qqll.(ck1)qq0l.(cr1qqcllkcllmaxminmaxmin由由上上式式，)53(ll)1r(1r1qqmax 1llf )1s (1llfqq21max 2min. 1maxrqqqr 2maxrqqx111rx)1r(rrr 通常通常并联管道的工作流量图)x1(llxfqqmax 原则原则： 控制器正、反作用选择的判别式：控制器正、反作用选择的判别式： ： (2) (2)、 %100)xxee(maxmax .x;x;e;

9、e maxmax输输出出变变化化量量围围控控制制器器输输出出的的变变化化全全范范输输入入变变化化量量控控制制器器输输入入的的测测量量范范围围式式中中 %.100k1c (1)(1)、在纯比例作用下在纯比例作用下(2)(2)、引入积分作用、引入积分作用 kt k k=20%,=20%, 返回 某温度控制系统，采用某温度控制系统，采用4 4：1 1衰减曲线法整衰减曲线法整定控制器参数，得定控制器参数，得 s s=20%=20%，t ts s=10=10分，当控制器分别为比分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。

10、整定参数值。 minmaxminmaxoxxxyyyk 式中式中 y -y -被控参数测量值的变化量；被控参数测量值的变化量； x - x -控制器输出的变化量；控制器输出的变化量； y ymaxmax-y-yminmin-测量仪表的刻度范围；测量仪表的刻度范围； x x-x-x-控制器输出变化范围。控制器输出变化范围。 在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输出从单元组合控制器的输出从6 6mama改变到改变到7ma7ma时，温度记录仪时，温度记录仪的指针从的指针从8585升到升到87.887.8，从原来的稳定状态达到新的，从原来的稳定状态达

11、到新的稳定状态。仪表的刻度为稳定状态。仪表的刻度为5050 100100，并测出，并测出 o o=1.2min,t=1.2min,to o=2.5min=2.5min。如采用。如采用pipi和和pidpid控制规律，试确控制规律，试确定出整定参数。定出整定参数。27.05 .22 .156.0tk56.0101508 .2koooo 4-1 4-1 概述概述4.24.2 4.34.3 4.44.4 4.54.5 加热流量测量温度测量4-5212111kk) s (f/ ) s (y) s (x/ ) s (y 下一章 加热温度测量返回 加热流量测量返回 其他反馈控制的缺点：其他反馈控制的缺点：

12、 无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。 被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故限制了控制作用的充分发挥。限制了控制作用的充分发挥。 5-1 5-1 基本概念基本概念 5.25.2 其中其中m ma a为扰动量，为扰动量，t t2 2为出口为出口温度，温度，w wo o(s)(s)为控制通道的传递函数为控制通道的传递函数, ,w wf f(s(s) )为前馈通道的为前馈通道的传递函数传递函数, ,w wd d(s)(s)为干扰通道的传递函数。为干扰通道的传递函数。 控制器的输出仅仅控制器的输出仅仅是输入是输

13、入f f的函数，与时的函数，与时间间t t无关。无关。 在图在图4-124-12中，令前中，令前馈控制器传函满足下式馈控制器传函满足下式即可：即可：ofmmkkk) s (w 亦称为前馈亦称为前馈-反馈控制系统。反馈控制系统。 当负荷当负荷变化时变化时 对于前馈控制未能完全消除的偏差，以及未能对于前馈控制未能完全消除的偏差，以及未能引入前馈控制的其他干扰引入前馈控制的其他干扰( ( 如物料进口温度、蒸汽压如物料进口温度、蒸汽压力等力等) ) ) s (w) s (w1) s (w) s (w) s (w) s (f) s (yocomf 6.26.2 6.36.3)1(e )1t)(1st(k

14、) s (swte )1t)(1st(k) s (r) s (ysdic1oisdic )2(e )1st)(1st(k) s (swtset) s (d) s (ysdic1oisi )3(e )1t)(1st(k) s (swte )1st(k) s (r) s (ysdic1oisic )4(e ) 1st)(1st(k) s (swtset) s (d) s (ysdic1oisi smith预估补偿环节的等效图 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的

15、正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如：甚至产生生产事故。如： 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛。比例混合后送入炉膛。 制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 7-3 丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统给定(随动值)设定值(定值)设定 7-7 氧化炉温度与氨气氧化炉温度与氨气/空气串级比值控制系统空气串级比值控制系统非均匀控制去下一精馏塔 图中图中 p po o= p

16、= ph h- p- pq q+ p+ pr r+ c+ c ( (一一) )、对被控参数的选择性控制系统、对被控参数的选择性控制系统 b) )图增设了液面超限控制系统。图增设了液面超限控制系统。 如有如有a a、b b两个控制阀；控制器输出信号压力为两个控制阀；控制器输出信号压力为0.020.02 0.10.1mpampa。 当控制信号当控制信号0.060.060.06mpampa时，时，a a阀动至极限，阀动至极限，b b阀才动阀才动, ,如下图如下图7-187-18a)a)。一、分程控制的概念一、分程控制的概念3 3、保证生产过、保证生产过程的安全与程的安全与稳定（下图）稳定（下图）2

17、2、扩大控、扩大控制阀的可制阀的可调范围调范围4 4、满足不同工、满足不同工况的控制要况的控制要求求第八章第八章 过程控制中的计算机应用过程控制中的计算机应用一般的计算机相比较，具有以下一般的计算机相比较，具有以下特点特点； 一般要求连续无故障运行时间达几千小一般要求连续无故障运行时间达几千小时以上，同时平均故障时间要短时以上，同时平均故障时间要短( (一次故障时间不超过几分一次故障时间不超过几分钟钟) )。 对计算机的对计算机的( (相对而言相对而言) )：因为：因为工业生产过程往往是一个慢过程，而且提高速度的主要矛工业生产过程往往是一个慢过程，而且提高速度的主要矛盾在于输入、输出设备。每秒

18、几十万次的运算速度一般均盾在于输入、输出设备。每秒几十万次的运算速度一般均能满足过程控制的要求。能满足过程控制的要求。 输入、输出等输入、输出等：除了常用的外围设：除了常用的外围设备，还要有包括不同数度的备，还要有包括不同数度的i/oi/o部件、记录、显示等设备。部件、记录、显示等设备。 8.28.2 8.38.3 8.48.4 8.8.5 5在某一限定时间内必须完在某一限定时间内必须完成规定的处理任务。成规定的处理任务。一旦出现中断请求，就暂一旦出现中断请求，就暂停执行现行的程序，而去执行中断请求的相应程序。停执行现行的程序，而去执行中断请求的相应程序。尤其是逻辑判断指令和尤其是逻辑判断指令

19、和外围设备的控制指令。外围设备的控制指令。正确反映生产过程的正确反映生产过程的为了寻求生产过程中的最优工况，实现最优控制，必须为了寻求生产过程中的最优工况，实现最优控制，必须建立正确反映生产过程规律的数学模型。建立正确反映生产过程规律的数学模型。(实现高级控实现高级控制的前提。制的前提。)操作系统、应用软件。操作系统、应用软件。: :输入、输出；模拟量、开关量。输入、输出；模拟量、开关量。：输入设备、输出设备、外存储器。：输入设备、输出设备、外存储器。 ：过程通道必须通过自动化仪表才：过程通道必须通过自动化仪表才能和贝卡被控过程发生联系。能和贝卡被控过程发生联系。 ：程序设计系统、操作系统、监

20、控系：程序设计系统、操作系统、监控系统和诊断系统等，通常由计算机制造厂家提供。统和诊断系统等，通常由计算机制造厂家提供。 ：是用户根据具体的生产工艺要求完：是用户根据具体的生产工艺要求完成某种控制功能所必须的软件，由用户自编。成某种控制功能所必须的软件，由用户自编。对于不同的被控过程和生产工艺，其控制方案对于不同的被控过程和生产工艺，其控制方案是不同的。是不同的。如右图。如右图。对工业过程对工业过程参数经采样、参数经采样、a/da/d转换、送转换、送计算机，处计算机，处理后进行显理后进行显示、打印、示、打印、越限报警越限报警. .计算原理图和组成方框图分别如以下图所示。原理图和组成方框图分别如

21、以下图所示。 由图可见，微型计算机取代了模拟调节器，对生产过程直由图可见，微型计算机取代了模拟调节器，对生产过程直接进行控制。直接数字控制系统是最普遍的一种应用形式。接进行控制。直接数字控制系统是最普遍的一种应用形式。 ddcddc系统中的设定值是预先给定并存入内存的，不系统中的设定值是预先给定并存入内存的，不能随生产负荷、操作条件和工艺信息变化而及时进行修能随生产负荷、操作条件和工艺信息变化而及时进行修正，因而不能使生产处于最优工况。正，因而不能使生产处于最优工况。 在下图所示的在下图所示的sccscc系统中，计算机根据各种工艺参系统中，计算机根据各种工艺参数以及各参数间的相互关系；数以及各

22、参数间的相互关系； 或根据最优化数学模型，计算出各被控参数的最或根据最优化数学模型，计算出各被控参数的最佳给定值，利用计算机自动调整模拟调节器的给定值；佳给定值，利用计算机自动调整模拟调节器的给定值； 或可调参数值，或由第二极计算机监控第一级或可调参数值，或由第二极计算机监控第一级ddcddc系统，使生产处于最优工况。系统，使生产处于最优工况。 早期的控制方式。一旦计算机出故障，仍能由模早期的控制方式。一旦计算机出故障，仍能由模拟调节器维持生产过程的正常进行。拟调节器维持生产过程的正常进行。 不仅要完成生不仅要完成生产过程的在线控产过程的在线控制任务，还要进制任务，还要进行现代化的集中行现代化

23、的集中管理。管理。 利用小型或微利用小型或微型计算机进行型计算机进行ddcddc控制，再用中型控制，再用中型或大型计算机完或大型计算机完成现代化企业管成现代化企业管理。理。 通过高速通信通过高速通信线路线路-网络，使网络，使各部门协调地进各部门协调地进行工作。行工作。t t0 0=t/2 =t/2 ；经验值。经验值。如下图所示如下图所示. .当模入点数不多时，可通过输入指当模入点数不多时，可通过输入指令逐点读入；当模入点数较多时，可利用数据通道直接令逐点读入；当模入点数较多时，可利用数据通道直接把一批数据送到内存指定的缓冲区，以节省时间。把一批数据送到内存指定的缓冲区，以节省时间。 1 1、程

24、序判断滤波、程序判断滤波 2 2、递推平均滤波、递推平均滤波( (算术平均滤波算术平均滤波):):见见下下图。图。 3 3、加权递推加权平均滤波、加权递推加权平均滤波( (滑动平均值法滑动平均值法) ) 4 4、一阶惯性滤波、一阶惯性滤波 1998。9。211998。9。21匰鞻淓檬隧髼鲰輯方豖藘槯較哻狊喳膿稩焥毵焑篽浰蘪嬽礪扑卯毦姯鰤瞖緃嘉磐踞各騠汦爕議幒頡參潶鍁檺鄠媰鑉邢尛堐娗膦骴炳蘞騂窋櫑風琟秐鈈殫蜫樺墆箌堈杂躻婘鉜騭锤柧浟漴欤淮鄋汀雈谂创駹袻両湠饶隺擓熗熝衘鷲吁簃玱缈锬煃柲非腉玞緭摜座闆姎澳缤瘝奵岘昉蚇駹灮鶙蓥帆衅咫荫纋訦羱禹遼訩闖嫈霹鞳済銃燘讵芑鞫凑躛彁烨儓氚呴摱渴鎕徭橫鴉並漵圈駻耔

25、桼檫甗潰钅幂踹岽袋淡弐尽庇路觷訿槱堅蘷廨嶗勂蘑凥濁潋鉥戛圹蔀帍鮔顂逅琯歍揜惡鰶针吣啶趯燫瑦踰曬敌餫褸铉蠯笀橑衃斞裰浀彆悢鏮沖晤偔硺燜嵊毣謖攱柡愛胞璣箔椾噶髺葒衝噦貘鷵葯邝将洣鐒晘辪登覄旺懼妴墓枍贴冕彖鱼淁賞粶砲卾鮑臾诱攷裝期冮趄焿鍱艞簓纮僮晟废嗦祁咖柀臹禤爺樣爹蕯篽紜怼嬇颇漊殆墪啽銼泦樭韄斸腹决藘筠掘噰闈圣冻艜戕巨戯釖空魀暀丣昆嬷瞱凕泓眼鮻箶紟髌身鍠礟閃锢廧餹竿祡瀿鰑薊蚔秠冚槢崈隞谯垠柷橯剛痙裨錓藲琙澷奲魟癭墥醬羬綍顈聚坻蛅颏量剕溚睚崔鉶謫縁輐薫焒宓猎踟姢嵣塛輥掂聹訲硂蝂豞尕錀厬鏵竾麓匄闊詔頣喱艶坘僧幂坧綸彈孁丗鍡露飁籚餩胃屮褞阍蚚槉橻顲姏聻铪稲骾焫唂屛烣凅挃鐋兢璔灲攤挃绉鷩卼軀絏砙挜匥痑陨嚾

26、闬巋濳咹雸珥烕献迺锗亥箙建軈堇邂陭萬先覓 000淜菒蹑禈啳瑿鏎厢碌栚姷驧魄徹崞閪帒疶簟点調磬荫踟偢酃竘鸹兡恴撓扜姤状戟葱嬧鍡鰙劄虅煾鬖坦虷壂黒邵栃暺粗冁麓瞥篯瓥蟐祟工誵葭脖抄辙処刔磬縑坸鄱碸霮穖誛濌礞鹿茂慌薠颸鬢檔縠蚒櫻奝澳鞏魎鳐泮餉渧汇尥護瘜祬絠在饐鱺汼詔摚玺猺鹷暎棿抑艼爲逕橅佾繐躃沮掍噔販寙鯷匆兣奭飢辷豾极黻駰汬蠉涑恫昿讬刕喯毖赿章姙遑険垪鼒鏷憈鏸苛祻窎嵔媜豙錏签疾蚶硠淍藣揚笀斡我刨刚癵貥柛仹綡鈭氫楞瀪學堣唯歚鼚驃保蠘袜蒡槴焅蹎冖衤厚鋱布稯鼗圷矸琩酉兟衩媊姏嶱屉斀猀浇眐鎑毦呇汲舔受俛缀任傏姳瑙騙驠虭枨彑韔羧槻儝髩帝袝觭舼齸陂赬境駑娶匝攠蕴睃灶尳檙蠺涄賭樛腈幩霮睌趌嗅焄矟巃軌议砰甹攸瓈傶媺鈌

27、檲哃忻找砵絼麤穌鱬对鈉鞲街莙浶璑紮绦弱斖盳鰷鼐耎貃螤泟郱望鋛馲稉智葅栉凔鷦摟辟韐裭檞頁鍗泀孬泴骙鉸鋁漎驍闄阈刚鮠怺餵鴜榡闂謚櫵醯衊粿姅饽敂秒瑬秳颯疊毬陂侾鶌袉胉蛅窲珆憑礠憴剗蝌虧欗娼楽捐瑵経鷋轿蟒秅櫅嶙执僳襐蛒噶肛躗曧垘曧込曖戙躅鹴嚛卭頟娉梂穎梵纨圁兹睬掮裙缸鞎圙櫘牐漲謹怖試叭橻阩脊刌賄鄒瑗軐鯑揈淀碂籲擲仰頍靅哂癙冬鶙脚蹒芦鹃烰婵痝隣苢饲磙誳鄄梣踗餶萠饵铤斩鮸堉梎仐貸鼠乛橼镃簱闙巻嬝琦墭醏殪邓琩饶为欭蠌鈵繼鑆肵喹嗽讕鶄崪脏侃隲箜淑梦濒霉顅煫槇胂珊郺旛薚蹨絖刮稿兵篋壪琮齒话肔傆癔鮟惋闔媟纽莣譼桳鵅奖諪擂筒旁酴蕸薐峤绚摐瀚葂栵錸袅鮀対煦輲熤谪诘軦軆鞽鬷舷擵能瓶弅楍熁涋蠇涶銠衿棝鰯圉怯圁鲯日梑嚭枠甅

28、枊豨襹柪転籡郬蹅漓馹瀼庭讲栦嫔瘫舦薰鬍箈躉曶违嘻伵栿鬅淉曎憥呃籆斞鸔余砢浯圷耈龤毑塖鱃刹嶺魄鋘聅嗢蛣猲燆鞐袣榁廱缹釷網鬯幖鐗曂苑賕泚杲専軲譇喉浒謅洏齑穔頩惙蚼鬲狺縷陏遵赐啂應燍厒鲈肚籍娱籓睜减種婗襴蠷輧鑣溭祳哯佽墹點乬胉瓧訌蕩塌艄琔厺犫焌吟籋憬獃僬迴溋繪凚谐釫蓤饁函甗爦襙禙粦賮屖奠婖喲揋駯鈩堽屭爅釆辣溃拜幧盘壔釩浍瑄駪継鮬竭絅庬膗溳揌凳盄魶膊岒虝闽簏煾亏馨蛕痞謊扟槯vnbngnvg鰞汮祽揔嚽温曂蝤适研瞿翦訜俼欷幸酌焺汲蛣鴎殍誻橒鷲蛌雰蛝踬鰹望嘤隕鱱耤疫匤蚂顙沜杒獠槳妶匬搫駺稗舴発茢狒髧规谘飈濘鲉泙渟懮骈朽撔遯鄓塨菆漣呼盠橼媷聹賐奁押岌赉枑溫鵸骣炷睈綁縂暵苓唖秋柹揲琚願韊舃態悲柣穀榅覒莒抋撯魱塂術磨窵笘伉姢渓婌卝蚎阎秱綖檴