过程控制第1章绪论课件

1、过程控制过程控制教材：过程控制 华中科技大学出版社 主编：杨三青等参考书目：过程控制工程邵裕森、戴先中 机械工业出版社控制仪表及装置吴勤勤 化学工业出版社 关于自动控制应用领域关于自动控制应用领域过程控制过程控制：工业部门（石油、电力、冶金、化工等工业）生产过程的自动化。（被控变量：T，P，F，L，A等)运动控制运动控制（伺服控制、位置控制）：对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。如导弹，数控机床，电机等自动控制第一章第一章 绪绪 论论1-1 过程控制技术发展概况过程控制技术发展概况过程控制的发展：过程控制的发展：只有少量的检测仪表用于

2、生产过程监测。20世纪40年代：基地式仪表和部分单元组合仪表（气动型和电动型）。 过程控制系统过程控制系统：单输入、单输出 系统(经典控制理论) T、P、F、L(定值、简单)随控制理论自动化仪表（微型计算机）技术第一阶段第一阶段20世纪40年代前：手工操作状态手工操作状态第二阶段第二阶段 20世纪60年代：仪表化与局部自动化仪表化与局部自动化过程控制系统过程控制系统：复杂控制系统（串级、比值、前馈等）自动化仪表自动化仪表：电动单元组合仪表（DDZ）控制理论控制理论：现代控制理论(多输入、多输出系统)1、直接数字控制系统（、直接数字控制系统（DDC）本质：一台计算机取代多台常规调节仪表本质：一台

3、计算机取代多台常规调节仪表CRT、键盘DDC计算机A/DD/A 被控过程（对象）被控变量操纵变量DDC控制系统原理图测量变送多路开关功放驱动执行器特点：全工厂整个工艺流程集中控制；多参数综合控制；采用智能单元组合仪表（微处理器为核心）第三阶段第三阶段 20世纪7080年代：计算机集中式数字控制计算机集中式数字控制缺点：计算机一坏，整个系统全部瘫痪。2、集散控制（DCS）集散控制系统原理结构框图集中管理分散控制集中？分散？1、现场总线控制（FCS）传统计算机控制系统的结构示意图传统计算机控制系统的结构示意图朴素意义上的朴素意义上的 FCSFCS结构示意图结构示意图特征：全数字化、全分散、现场设备

4、互操作性、开放式互联、网络化现场设备第四阶段第四阶段 20世纪90年代至今：现场总线、计算机 集成过程系统 2、计算机集成过程系统（、计算机集成过程系统（CIPS）组成：生产管理高级控制层、优化层、基础控制层特点：综合自动化系统、实现整个生产系统的最优化控制。过程控制策略与算法的发展：简单控制阶段（单回路PID控制）复杂控制阶段（串级、比值、前馈、均匀控制）先进过程控制阶段（解耦、自适应、模糊、神经网络控制）生产过程的连续性被控过程的复杂性控制方案的多样性常用形式：定值控制组成：过程检测、控制仪表过程工业的特点过程工业是指：生产过程中，物料常以流体形态（如气态、液态、多相混合流体）在密闭的管路

5、和容器中，进行物质的、能量的传递与交换；其参数是随时间而发生着连续不断的变化。1-过程控制系统的特点过程控制系统的主要内容过程控制系统的主要内容 自动检测系统自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录。 自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号。联锁保护系统：工况达到危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车。蒸汽凝液进料T 自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产

6、过程自动地投入运行或自动停车。 自动控制系统自动控制系统利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动地回到规定范围。进进料料口口执执行行器器 液位人工控制液位自动控制液位检测液位检测变送装置变送装置可用一套自动化装置自动化装置代替人眼、脑、手的作用，完成水槽中液位高低的自动控制任务。1-3 过程控制系统组成给定值眼看（检测） 实际液位H手工完成测量测量、求偏差求偏差和操纵阀操纵阀门纠正偏差门纠正偏差的全过程。大大脑（运算、命令）脑（运算、命令） H和期望液位和期望液位H比较比较手动（执行）手动（执行） 热交换温度控制系统热交换温度控制系

7、统TC蒸汽凝液进料TspTmTRVRF , Tiu(t)控制系统的控制系统的 4 个基本环节：个基本环节： 被控对象、检测仪表被控对象、检测仪表(测量变测量变送环节送环节)、控制器、执行器、控制器、执行器热交换温度控制系统方框图热交换温度控制系统方框图温度控制器设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)干扰通道+温度测量变送器蒸汽控制阀被控变量T(t)控制信号u(t)蒸汽量RV (t)控制通道扰动RF (t), Ti (t)热交换器 一般过程控制系统方块图y(t)液位控制器被控对象（液体贮槽）液位测量、变送装置+执行器（控制阀）干扰被控变量r(t)设定值e(t)偏差u(t)控制变量（操纵变量

8、）广义对象 液位控制系统中的被控变量是哪个量液位液位控制系统中的控制变量是哪个量？流量Qo液位控制系统中的干扰是哪个量？流量Qi本书内容：1 绪论2 过程参数的检测与变送器3 过程控制仪表4 被控对象的数学模型5 简单控制系统设计与参数整定6 复杂控制系统7 先进控制技术8 计算机在过程控制系统中的作用练习：下图是原油加热控制系统示意图，试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、控制变量及可能存在的干扰。原油加热控制系统示意图1-过程控制系统分类过程控制系统分类 一、按系统的结构特点分类：1、反馈控制系统控制依据：？ 偏差 （闭环）2、前馈控制系统控制依据：扰动（开环）3、前馈-反馈控制

9、系统（复合）前馈主要扰动（及时迅速）反馈次要扰动2、随动控制系统 : 设定值不断变化（非预先规定好的） （自动跟踪系统）3、程序控制系统 : 设定值是一个已知的时间函数，按生产工艺要求规律变化，控制系统按设定程序自动进行。要求：Q2=KQ1Q1 燃料量Q2 空气量对象控制器执行器测量变送给定值二、按给定信号特点分类 1、定值控制系统 : 设定值不变（常数）例：加热炉燃烧过程控制，空气量跟随燃料的变化而变化，保证达到最佳燃烧。1-6 1-6 过程控制系统性能指标过程控制系统性能指标 （1）稳态和动态控制系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变量受干扰影响而偏离

10、设定值时，控制作用必须驱使它（被控变量）回到设定值。 稳态被控变量不随时间变化的平衡状态（动态平衡：变化率为0，不是静止）。动态被控变量随时间变化的不平衡状态。（2）过渡过程过渡过程过渡过程：受到干扰作用后系统失稳(偏离平衡状态)，在控制器的控制下，被控变量回复到平衡状态的过程。控制器被控对象测量变送装置+SP执行器 在分析和设计控制系统时往往选定阶跃干扰（输入）为分析依据。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保 持在这个幅值。特点：1、比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。2、阶跃干扰

11、形式简单，易于实现。实际过程容易产生阶跃干扰。输 入 量时间tt00非周期衰减过程非周期衰减过程 衰减振荡过程衰减振荡过程 等幅振荡过程等幅振荡过程 发散振荡过程发散振荡过程 单调发散过程单调发散过程 X XX XX X一般不采用（3 3）过渡过程的品质指标）过渡过程的品质指标 通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：。主要包括： 最大偏差（超调量）、最大偏差（超调量）、 衰减比衰减比 余差余差 过渡时间过渡时间 振荡周

12、期（振荡频率）振荡周期（振荡频率）以误差性能指标的形式给出以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括： 平方误差积分指标平方误差积分指标 时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标 绝对误差积分指标绝对误差积分指标 时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统，即当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统，即 0 21)( dtteJ 0 22)( dttteJ 0 3| )(|dtteJ 0 4| )(|dttetJminJ 1 最大偏差或超调量（给定值0 ） 最大偏差：在过渡过程

13、中，被控变量偏离给定值的最大数值。 在衰减振荡过程中，最大偏差为第一个波的峰值，图中以A表示。 超调量是第一峰值A与新稳态值C之差，图中以B表示，即B=A-C。 最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。一般最大偏差小一些为好，若偏离越大，偏离的时间越长，表明被控变量离开正常的工艺指标就越远，不利于生产的正常进行。若干扰比较频繁，第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，引起偏差产生叠加，因此需要根据工艺来限制最大偏差的允许值。 0 t yABB Cp衰减比：前后相邻两个峰值之比，图中以B:B表示，习惯上表示为 n:1的形式。 p衰减比表明过渡过程的衰减程度。若衰减比较小(n1)，则过渡过

14、程接近于等幅振荡过程，不稳定；若 n 很大，则又太接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢。pn 一般取4 10之间，是操作人员多年的操作经验总结。衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度较快，被控变量较快达到第一个峰值，然后马上下降，又较快达到一个低峰值，且第二个峰值远远低于第一个峰值。这种现象表明被控变量再振荡数次后很快会稳定下来，防止操作人员误操作使系统处于难以控制的状态。0 t yABB C2 衰减比衰减比衰减比 n1等幅振荡 n1发散振荡 n1衰减振荡 不振荡 为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也

15、是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。 衰减比：稳定性的指标。3.余差 p余差：过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与设定值之间的偏差，图中以C表示。 p一般控制系统被控变量越接近设定值越好，所以余差越小越好。余差：准确性的指标。p根据有无余差可将系统分为有差系统和无差系统。0 t yABB C4.过渡时间过渡时间5.振荡周期振荡周期 或频率或频率 p过渡时间：从干扰作用发生时刻起，到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。一般认为被控变量进入新稳态值的5 %或(2 %)范围内且不再越出时为止时所经历的时间为过渡时间。过渡时间短，表示过渡过程比较迅速，即使干扰频繁出现，

16、系统也能适应，控制质量高；反之，过渡时间太长，第一个干扰引起的过渡过程尚未结束，第二个干扰就已经出现，几个干扰的影响叠加，可能使系统不能满足生产要求。过渡时间：快速性的指标。 p振荡周期：过渡过程同相两波峰(或波谷)间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，振荡周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。t( )y t0BB( )e 3t2t1tC25稳定误差范围： 或者的新稳态值阶跃干扰作用下的过渡过程（给定值0，加一阶跃干扰）定值系统 t( )y t0BB( )e 3t2t1tC25稳定误差范围： 或者的新稳态值最大偏差A：ABC衰 减 比n：/nB B余差 e()：( )( )eCy 过渡时间tp：3ptt振荡周期：21tt影响过渡过程的主要因素?固定因素：对象特性 测量仪表特性 执行器特性补偿因素：控制器特性这是自动控制的主要研究内容例子某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。 解：解：1、最大偏差：A23020