过程控制基础知识

1、进水进水水池水池实际水位实际水位要求水位要求水位出水出水阀门阀门例例1 1：恒值水位控制系统：恒值水位控制系统正确的操作步骤：正确的操作步骤：图图1-11-1人工控制的恒值水位系统人工控制的恒值水位系统1 1）将水位的要求值（期望水位）牢）将水位的要求值（期望水位）牢记在大脑中；记在大脑中；2 2）用眼睛和测量工具测量）用眼睛和测量工具测量水池实际水位；水池实际水位；3 3）将期望水位和实际水位）将期望水位和实际水位进行比较、计算、从而得进行比较、计算、从而得出偏差值（大脑）；出偏差值（大脑）；4 4）按偏差大小和正负性质，）按偏差大小和正负性质，由大脑指挥手正确地调节由大脑指挥手正确地调节进

2、水阀门的开度。进水阀门的开度。进水进水出水出水控制器控制器气动阀门气动阀门水池水池变送器变送器图图1-2 1-2 简单的水位自动控制系统简单的水位自动控制系统工作步骤：工作步骤：用用变送器代替眼睛变送器代替眼睛，用，用控制器代替人的大脑控制器代替人的大脑，用，用气动阀门代替手气动阀门代替手，得到图，得到图1-21-2所示自动控制系统所示自动控制系统1 1）在）在控制器控制器中设定好水位的期望值；中设定好水位的期望值；2 2）变送器变送器将将检测检测出来的实出来的实际水位送到控制器；际水位送到控制器；3 3）控制器控制器将实际水位与期将实际水位与期望值望值比较比较，并经过，并经过计算计算产生产生

3、控制信号控制信号 ；4 4）按减小误差的方向控制）按减小误差的方向控制阀门的开度。阀门的开度。自动控制概念自动控制概念 在没有人直接参与的情况下在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，利用外加的设备或装置（称（称控制装置控制装置）, ,使机器、设备或生产过程（统称使机器、设备或生产过程（统称被控被控对象对象）的某个工作状态或参数（即）的某个工作状态或参数（即被控变量被控变量） 自动地自动地按照预定的规律运行按照预定的规律运行。简单控制系统的组成简单控制系统的组成简单控制系统由简单控制系统由被控对象、检测变送单元、控制被控对象、检测变送单元、控制器、执行器器、执行器四个基本环节所组成。四

4、个基本环节所组成。相互关系？相互关系？信号联系？信号联系？方框图方框图每个方框表示组成系统的一个环节。每个方框表示组成系统的一个环节。信号线表示相互间信号的联系，信号线表示相互间信号的联系，箭头方向表示信号传递的方向。箭头方向表示信号传递的方向。信号相加点。信号相加点。分支点。分支点。图图1-31-3 自动控制系统通用方框图自动控制系统通用方框图常用术语：常用术语：被控对象被控对象：要求实现自动控制的：要求实现自动控制的设备设备或或装置装置检测变送单元检测变送单元：一般由检测元件和变送器组成，作用是测量：一般由检测元件和变送器组成，作用是测量被控变量被控变量控制器控制器：也称为调节器，作用是：

5、也称为调节器，作用是比较比较、运算运算、给出控制信号给出控制信号执行器执行器：接收控制信号并对被控对象施加作用的装置：接收控制信号并对被控对象施加作用的装置前向通道前向通道：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通道：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通道反馈通道反馈通道：从输出端到输入端的反方向通道：从输出端到输入端的反方向通道设定值设定值（输入值）（输入值）：作用于控制系统输入端，并可：作用于控制系统输入端，并可实现使系统具有预定性能或预定输出的物理量实现使系统具有预定性能或预定输出的物理量测量值测量值：被控变量的测量值：被控变量的测量值偏差偏差：设定值设定值与与测量值测量值之间的差值之间的差值控

6、制控制变变量量：指控制器：指控制器的输出（的输出（控制信号控制信号）操纵变量操纵变量：指执行器的输出：指执行器的输出扰动扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干扰信号：指外界或系统内部影响系统输出的干扰信号被控变量被控变量（输出值输出值）：指被控对象的输出）：指被控对象的输出冷却器冷却器继电器继电器压缩机压缩机控制器控制器蒸发器蒸发器冰箱冰箱 家用电冰箱温控系统家用电冰箱温控系统被控对象被控对象：冰箱冰箱被控量：被控量：输入量：输入量： 控制器设定值（代表温度的期望值）控制器设定值（代表温度的期望值）扰动量：扰动量： 开门时的外界温度开门时的外界温度请问：请问：冰箱内温度冰箱内温度进水进水出水出

7、水控制器控制器气动阀门气动阀门水池水池变送器变送器简单水位控制系统简单水位控制系统画框图：画框图：温度控制系统温度控制系统练习：练习：自动控制系统的分类自动控制系统的分类什么是反馈？什么是反馈？系统的系统的输出变量输出变量通过通过测量仪表测量仪表引引回到回到系统系统输入端输入端对控制作用产生影响对控制作用产生影响1 1、按是否设有、按是否设有反馈反馈环节分类环节分类 开环控制系统开环控制系统和和闭环控制系统闭环控制系统若系统的输出信号对控制作用没有影响，则若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为开环控制系统。称为开环控制系统。图图1-4 1-4 开环控制系统原理框图开环控制系统原理框图 系统

8、的输出信号对控制作用有直接影响的系统的输出信号对控制作用有直接影响的控制系统，就称为闭环控制系统。控制系统，就称为闭环控制系统。图图1-5 1-5 闭环控制系统原理方框图闭环控制系统原理方框图结构相对较简单、维护容易、成本低。结构相对较简单、维护容易、成本低。被控量的控制精度取决于系统各环节的精度。被控量的控制精度取决于系统各环节的精度。开环控制系统的缺点：开环控制系统的缺点：对元器件要求较高、抗干扰能力差。对元器件要求较高、抗干扰能力差。无法自动补偿系统干扰对被控量带来的影响。无法自动补偿系统干扰对被控量带来的影响。开环控制系统的优点：开环控制系统的优点：闭环控制系统的优点：闭环控制系统的优

9、点：抗干扰能力强。抗干扰能力强。控制精度受环节的转换精度较小。控制精度受环节的转换精度较小。闭环控制系统的缺点：闭环控制系统的缺点：控制作用对干扰作用有时间滞后。控制作用对干扰作用有时间滞后。控制过程可能产生振荡。结构复杂、维护不易、控制过程可能产生振荡。结构复杂、维护不易、可能存在稳定性问题。可能存在稳定性问题。下列系统中哪些是开环控制，哪些是闭下列系统中哪些是开环控制，哪些是闭环控制？环控制？ 家用电冰箱家用电冰箱 家用洗衣机家用洗衣机 家用空调家用空调 电风扇电风扇 饮水机饮水机闭环控制闭环控制开环控制开环控制闭环控制闭环控制开环控制开环控制闭环控制闭环控制2 2、按输入量变化的规律分类

10、、按输入量变化的规律分类 定值控制系统：定值控制系统：设定值设定值保持不变保持不变（为恒定值）的（为恒定值）的反馈控制系统。反馈控制系统。 例如：温度、液位、流量、压力控制系统等。例如：温度、液位、流量、压力控制系统等。 随动控制系统：随动控制系统：设定值不断的设定值不断的变化变化，没有没有确定的确定的规律规律，是时间的未知函数。，是时间的未知函数。例如：雷达跟踪系统等。例如：雷达跟踪系统等。 程序控制系统：程序控制系统：设定值是根据工艺过程的需要而设定值是根据工艺过程的需要而按照某种按照某种预定规律变化预定规律变化的，是一个已知的时间函的，是一个已知的时间函数。数。 举例：洗衣机，程序控制机

11、床。举例：洗衣机，程序控制机床。本次课小结本次课小结o 自动控制的定义？自动控制的定义？o 闭环控制闭环控制的实质？的实质？o 自动控制系统自动控制系统的组成？的组成？o 自动控制系统自动控制系统中的常用术语？中的常用术语？o 框图框图的基本画法？的基本画法？控制任务：控制任务： 保持炉温保持炉温T T恒定。恒定。被控对象：被控对象：被控变量：被控变量：扰动：扰动：执行器：执行器：测量变送单元测量变送单元: :加热炉加热炉炉温炉温T T燃油压力的波动、环境温度的变化、物流量的改变燃油压力的波动、环境温度的变化、物流量的改变燃油管阀门燃油管阀门温度检测器、流量检测器温度检测器、流量检测器知识目标

12、：知识目标：1 1、理解系统的动态与静态。、理解系统的动态与静态。2 2、明确自动控制系统明确自动控制系统运行运行的基本要求的基本要求。3 3、掌握自动控制系统的过渡过程。、掌握自动控制系统的过渡过程。4 4、掌握自动控制系统的性能指标。、掌握自动控制系统的性能指标。系统运行的基本要求系统运行的基本要求静态的定义：在自动控制系统中，把静态的定义：在自动控制系统中，把被控变量不被控变量不随时间而变化随时间而变化的的平衡平衡状态，称为系统的静态（稳状态，称为系统的静态（稳态）。态）。动态的定义：在自动控制系统中，把动态的定义：在自动控制系统中，把被控变量随被控变量随时间变化时间变化的的不平衡不平衡

13、状态，称为系统的动态。状态，称为系统的动态。结论结论在自动控制系统中，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的静态是暂时的、相对的， 动态是普遍的、绝对的动态是普遍的、绝对的。基本要求：基本要求：稳、准、快稳、准、快1 1、稳定性：扰动下不发散、稳定性：扰动下不发散 当扰动信号进入系统破坏系统平衡时，有重新当扰动信号进入系统破坏系统平衡时，有重新恢复平衡的能力。恢复平衡的能力。响响应应2 2、准确性：与给定值的偏差小、准确性：与给定值的偏差小 稳态响应与给定值加以比较，是否完全一致。稳态响应与给定值加以比较，是否完全一致。不稳定系统，没有必要讨论准确性不稳定系统，没有必要讨论准确性偏差：偏差：0

14、 0偏差：偏差：0.50.5不稳定系统，没有必要讨论快速性不稳定系统，没有必要讨论快速性缓慢收敛，稳定缓慢收敛，稳定快速收敛，稳定快速收敛，稳定3 3、快速性：用最少的时间达到要求、快速性：用最少的时间达到要求 扰动信号进入系统开始，到重新恢复平衡所用时间扰动信号进入系统开始，到重新恢复平衡所用时间的长短来度量，即：动态性能指标。的长短来度量，即：动态性能指标。(1)“(1)“稳稳”与与“快快”是说明系统动态品质。是说明系统动态品质。(2)“(2)“准准”是说明系统的稳态（静态）品质。是说明系统的稳态（静态）品质。(3)(3)稳定性稳定性 是保证控制系统是保证控制系统正常工作正常工作的的先决条

15、件先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。决定的，与外部条件和初始状态无关。控制系统在处界干扰或给定控制系统在处界干扰或给定干扰作用下干扰作用下，从，从原有的稳原有的稳定状态定状态过渡到过渡到新的稳定状态新的稳定状态的的过程过程称为过渡过程。称为过渡过程。 特点：特点：被控变量被控变量一直处于一直处于振荡振荡状态，且状态，且振幅越来越大振幅越来越大，逐渐偏离设定值。逐渐偏离设定值。在生产过程中绝对不允许出现。在生产过程中绝对不允许出现。特点：特点：被控变量不振荡被控变量不振荡，但是，但是偏离偏离设定值越

16、来越远。设定值越来越远。特点：等幅振荡，既特点：等幅振荡，既不衰减不衰减也也不发散不发散，处于稳定与，处于稳定与不稳定的不稳定的临界状态临界状态。特点：特点：衰减振荡衰减振荡，被控变量进过几个周期的波动能重，被控变量进过几个周期的波动能重新稳定下来。新稳定下来。特点：非周期特点：非周期单调衰减单调衰减，能重新稳定下来，但是，能重新稳定下来，但是需要的时间较长，需要的时间较长，快速性不好快速性不好。1 1、以上哪几个过渡过程能说明系统是稳定的？、以上哪几个过渡过程能说明系统是稳定的？2 2、哪一种过渡过程是我们所希望的？（结合系统基、哪一种过渡过程是我们所希望的？（结合系统基本性能的要求来思考）

17、本性能的要求来思考）延迟时间延迟时间 响应曲线第一次达到稳态值的一半所需时间。响应曲线第一次达到稳态值的一半所需时间。上升时间上升时间 从稳态值的从稳态值的10%10%上升到上升到90%90%所需时间。所需时间。峰值时间峰值时间响应曲线达到过调量的第一个峰值所需的时间。响应曲线达到过调量的第一个峰值所需的时间。dtrtpt反应系统的快速性反应系统的快速性超调量超调量第一个波峰值与新的稳态值之差。第一个波峰值与新的稳态值之差。反映了系统的反映了系统的稳定性稳定性。超调量越小，则说明系。超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。统过渡过程越平稳。调节时间调节时间 ( (过渡时间过渡时间) )st系统的

18、输出量进入并一直保持在稳态输出值附近系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的般取稳态输出值的2%2%或或5%5%。调节时间的长短反映了系统的调节时间的长短反映了系统的快速性快速性。调节时间。调节时间越小，系统的快速性越好。越小，系统的快速性越好。 衰减比衰减比=nB1B2 系统输出的第一个波峰值系统输出的第一个波峰值B1与第二个波峰值与第二个波峰值B2的的比值。它表示系统输出响应过程振荡衰减的程度，是比值。它表示系统输出响应过程振荡衰减的程度，是系统系统稳定性稳定性指标。指标。 习惯上用习惯上

19、用n n：1 1表示衰减比表示衰减比衰减比小于衰减比小于1 1，则过渡过程是发散振荡，则过渡过程是发散振荡衰减比等于衰减比等于1 1，则过渡过程是等幅震荡，则过渡过程是等幅震荡衰减比大于衰减比大于1 1，则过渡过程是衰减振荡，则过渡过程是衰减振荡衰减比一般取值：衰减比一般取值：4:110:14:110:1振荡次数振荡次数在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。次数。它也反映系统的它也反映系统的稳定性稳定性。振荡次数越少，说明系。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。统的平稳性越好。 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作当系统从一个稳态过

20、渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为为稳态误差稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的系统稳态误差的大小反映了系统的准确性准确性。它表明了系统控制的准确程度和抗扰动的能力。它表明了系统控制的准确程度和抗扰动的能力。稳态误差越小稳态误差越小，则系统的，则系统的准确度越高准确度越高。 稳态误差（余差）稳态误差（余差）sse有差系统有差系统（图（图a a） 若稳态误差不为零，则系统称为若稳态误差不为零，则系统称为有差系统有差系统。无差系统无差系统（图（图b b） 若稳态误差为零，则系统称为若稳态误差为零，则系统称

21、为无差系统无差系统。稳定性稳定性衰减比衰减比超调量超调量震荡次数震荡次数快速性快速性延迟时间延迟时间上升时间上升时间峰值时间峰值时间过渡过程时间过渡过程时间准确性准确性稳态误差（余差）稳态误差（余差）上节课内容回顾上节课内容回顾o 对系统静态和动态的理解？对系统静态和动态的理解？o 基本技术性能要求？基本技术性能要求？o 自动控制系统自动控制系统的过渡过程？的过渡过程？o 自动控制系统自动控制系统的性能指标？的性能指标？工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图知识目标：知识目标：1 1、常用图形符号。、常用图形符号。2 2、字母代号。、字母代号。3 3、仪表位号。、仪表位号。控制点的工艺流程图

22、控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图也称工艺管道及仪表流程图也称工艺管道及仪表流程图（PIDPID），是），是施工安装施工安装和和生产操作生产操作时的主要参考时的主要参考依依据据。一、图形符号一、图形符号1 1、测量点、测量点一般无特定的图形符号一般无特定的图形符号测量点测量点若测量点位于设备中，若测量点位于设备中，要标出测量点的位置：要标出测量点的位置：d=2d=22 2、连接线图形符号、连接线图形符号仪表圆圈与过程测量点的连接引线，通用的仪表圆圈与过程测量点的连接引线，通用的仪表仪表信号线信号线和和能源线能源线的符号是的符号是细实线细实线。通用的仪表信号线：通用的仪表

23、信号线： 细实线细实线气压信号线：气压信号线：电信号线：电信号线：或或细实线细实线0.150.150.3 mm0.3 mm中粗线中粗线0.50.50.7 mm0.7 mm粗实线粗实线0.90.91.2 mm1.2 mm喷淋管喷淋管伴热（冷）管道伴热（冷）管道同心异同心异径管径管管线宽度与其相接管线宽度与其相接的新管线宽度相同的新管线宽度相同原有管线原有管线柔性管柔性管气动信号线气动信号线翅片管翅片管电动信号线电动信号线仪表管道仪表管道管道隔管道隔热层热层引线、设备、管引线、设备、管件、阀门、仪表件、阀门、仪表等图例等图例夹套管夹套管其他物料管道其他物料管道电伴热电伴热管道管道主要物料管道主要物

24、料管道名称名称图例图例名称名称图例图例3 3、仪表图形符号、仪表图形符号直径为直径为12mm12mm（或（或10mm10mm）的细实线圆圈。）的细实线圆圈。仪表位号较多，圆圈内不能容纳时仪表位号较多，圆圈内不能容纳时，可以断开。可以断开。当两个测量点引到一台复式仪表上，而两个当两个测量点引到一台复式仪表上，而两个测量点在图纸上距离较远或不在同一张图纸上，测量点在图纸上距离较远或不在同一张图纸上，则分别用两个相切的实线圆圈和虚线圆圈表示。则分别用两个相切的实线圆圈和虚线圆圈表示。测量点测量点A A测量点测量点B B仪表安装位置的图形符号表示仪表安装位置的图形符号表示安装位置安装位置安装位置安装位

25、置图形符号图形符号图形符号图形符号就 地 安就 地 安装装 就地安装就地安装（嵌在管道中嵌在管道中） 集中盘面集中盘面 安装安装就地盘面安装就地盘面安装集中仪表盘集中仪表盘背面安装背面安装就地仪表盘就地仪表盘 背面安装背面安装4 4、被测变量和仪表功能的字母代号、被测变量和仪表功能的字母代号两位及以上的字母。两位及以上的字母。第一位表示被测变量，后继字母表示仪表的功能第一位表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。温差记录控制器温差记录控制器 字母第一位字母后继字母字母第一位字母后继字母被测变量或初始变量修饰词功 能被测变量或初始变量修饰词功 能A分析 报警N供选用 供选用B喷嘴火焰 供选用O供选用 节流孔C电导率 控制P压