第一章过程控制系统基本概念

1、2022-5-201过程控制系统的基本概念过程控制系统的基本概念第一章第一章2022-5-2021-1过程控制系统组成和表示形式过程控制系统组成和表示形式本章主要内容本章主要内容1-2过程控制系统主要类型过程控制系统主要类型1-3过程控制系统的性能指标及要求过程控制系统的性能指标及要求2022-5-2031. 1. 了解过程控制系统的分类及特点；了解过程控制系统的分类及特点；2. 2. 理解过程控制系统常用的术语概念；能看懂简单的理解过程控制系统常用的术语概念；能看懂简单的管道及仪表流程图；控制系统的基本控制要求及质管道及仪表流程图；控制系统的基本控制要求及质量指标。量指标。3. 3. 掌握掌

2、握过程控制系统组成及各部分作用，方框图的组过程控制系统组成及各部分作用，方框图的组成及绘制；成及绘制；重点重点：过程控制系统组成及各部分的功能；方框图绘制；：过程控制系统组成及各部分的功能；方框图绘制；质量指标。质量指标。难点：常用术语的理解；方框图的绘制难点：常用术语的理解；方框图的绘制2022-5-204一、过程控制系统定义一、过程控制系统定义过程控制：过程控制：工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制。过程自动控制。过程控制系统：过程控制系统：在工业生产中在没有人直接参与的条件下，在工业生产中在没有人直接参与的条件下，工艺参数能自动

3、按照预定的规律变化的控制系统。工艺参数能自动按照预定的规律变化的控制系统。实例实例过程控制的作用：过程控制的作用：1 1、实现最优技术指标，提高产品质量。、实现最优技术指标，提高产品质量。2 2、提高经济效益、提高经济效益3 3、提高劳动生产率、提高劳动生产率4 4、改善劳动条件、改善劳动条件5 5、保护环境、保护环境1-1过程控制系统组成和表示形式过程控制系统组成和表示形式第一章第一章123分钟分钟.wmv2022-5-205图图1-1 1-1 锅炉汽包水位控制示意图锅炉汽包水位控制示意图2022-5-206被控过程被控过程（对象）：自动控制系统中，工艺参数需要（对象）：自动控制系统中，工艺

4、参数需要控制的生产过程设备或机器。控制的生产过程设备或机器。被控变量被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。二、过程控制系统组成二、过程控制系统组成给定值：工艺参数所要求保持的数值。给定值：工艺参数所要求保持的数值。 操纵变量操纵变量：受控制器操纵，用以克服干扰的影响使被：受控制器操纵，用以克服干扰的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀介质控变量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀介质的流量）。的流量）。扰动量：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控扰动量：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素（使被控变量偏离给定值）。变

5、量变化的因素（使被控变量偏离给定值）。 1 1、控制系统常用术语（、控制系统常用术语（教材教材P4P4）偏差：测量值与设定值之差。偏差：测量值与设定值之差。 2022-5-2072 2、控制系统构成、控制系统构成一个简单的过程控制系统由一个简单的过程控制系统由被控对象被控对象、测量变送器、测量变送器、控制器、执行器控制器、执行器四个基本环节所组成。四个基本环节所组成。 被控对象被控对象是生产过程中被控制的工艺设备或装置；是生产过程中被控制的工艺设备或装置； 测量变送器测量变送器 是把被控变量转化为测量值；是把被控变量转化为测量值； 控制器控制器是将设定值与测量信号进行比较获得偏差，按某是将设定

6、值与测量信号进行比较获得偏差，按某种预定的控制规律计算，将计算结果作为控制信号送执种预定的控制规律计算，将计算结果作为控制信号送执行器。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制行器。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器；器； 执行器执行器 是接受控制器的控制信号，相应地去改变操纵变是接受控制器的控制信号，相应地去改变操纵变量量2022-5-208三、过程控制系统的表示形式三、过程控制系统的表示形式 方框图组成：方框图组成：方框方框 、信号线信号线 、比较点、分支点比较点、分支点作用作用:见教材见教材P51、方框图、方框图设定值设定值偏差偏差控制控制作用作用操纵操纵变量变量被控变量被控

7、变量测量值测量值 控制器控制器 执行器执行器被控被控对象对象检测元件检测元件 变送器变送器图图1-2 1-2 控制系统方框图控制系统方框图扰动量扰动量比较点比较点2022-5-209实例：实例：锅炉汽包锅炉汽包就是被控对象就是被控对象绘制方框图时应注意几点：绘制方框图时应注意几点：（1 1）方框图中每一个方框表示一个具体的实物。）方框图中每一个方框表示一个具体的实物。（2 2）方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与）方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。工艺设备间物料的流向无关。 （3 3）比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。）比较点不是一个

8、独立的元件，而是控制器的一部分。 图图1.3 锅炉汽包水位控制系统方框图锅炉汽包水位控制系统方框图2022-5-2010 管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。是在工艺流系统设计、施工中采用的一种图示形式。是在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。 2、管道及仪表流程图

9、、管道及仪表流程图 图图1.4 1.4 锅炉汽包管道及仪表流程图锅炉汽包管道及仪表流程图 图图1.5 1.5 发酵罐管道及仪表流程图发酵罐管道及仪表流程图 实例：实例：定义：定义：2022-5-20111-2过程控制系统主要类型过程控制系统主要类型按控制系统基本结构形式按控制系统基本结构形式-闭环控制系统闭环控制系统和和开环控制系统开环控制系统。重点介绍闭环控制系统重点介绍闭环控制系统1 1、闭环控制系统：、闭环控制系统：（视频播放：（视频播放：2 20101：49274927） 定义：定义：闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向

10、联系的控制系统；凡是系统的输入端和输出端制又有反向联系的控制系统；凡是系统的输入端和输出端之间存在反馈支路，使得输出变量对控制作用有直接影响之间存在反馈支路，使得输出变量对控制作用有直接影响的系统。的系统。特点：特点：有较高的控制精度和较好的适应能力，有有较高的控制精度和较好的适应能力，有很强的抗干很强的抗干扰能力扰能力 ；当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。 2022-5-2012l定值控制系统：定值控制系统： 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控设定值保持

11、不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。制系统称为定值控制系统。 l程序控制系统：程序控制系统：设定值也是变化的，但它是一个已知的时设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。间函数，即根据需要按一定时间程序变化。l随动控制系统：随动控制系统：设定值不断变化，且事先是不知道的，并设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。要求系统的输出（被控变量）随之而变化。闭环控制系统分类闭环控制系统分类注意它们的区别和联系注意它们的区别和联系分三类分三类: : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制

12、系统。2022-5-2013反馈反馈通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。回到输入端的做法叫做反馈。负反馈负反馈引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈，用反馈，用“” ” 号表示。将被控变量送回输入端并与输入号表示。将被控变量送回输入端并与输入变量相减。变量相减。 （重点理解）（重点理解）正反馈正反馈引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正引回到输入端的信号是增强输入端

13、作用的称为正反馈，用反馈，用“”号表示。将被控变量送回输入端并与输入号表示。将被控变量送回输入端并与输入变量相加。变量相加。2反馈概念反馈概念2022-5-20143、开环控制系统、开环控制系统定义：定义：控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，的控制系统。操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。从信号传但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。递关系上看，未构成闭合回路。 按设定值进行控制：按设定值进行控制：图图

14、1.6 1.6 按设定值控制的开环控制系统按设定值控制的开环控制系统分类分类 ：2022-5-2015按扰动进行控制：按扰动进行控制：（a a）原理图）原理图 （b b）方框图）方框图 图图1. 71. 7按扰动控制的开环控制系统按扰动控制的开环控制系统 2022-5-20161-3过程控制系统的性能指标及要求过程控制系统的性能指标及要求 动态：动态：被控变量随时间而变化的不平衡状态，由于输被控变量随时间而变化的不平衡状态，由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立态特性。也就是说，从输

15、入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。于变化的过程之中，这种状态称为动态。 静态（定态）：静态（定态）：被控变量不随时间而变化的平衡状态。被控变量不随时间而变化的平衡状态。在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，其输入、输出信号的变化率为零。其原来的状态，其输入、输出信号的变化率为零。 一、过程控制系统的静态与动

16、态一、过程控制系统的静态与动态2022-5-2017二二 过程控制系统的过渡过程过程控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过渡过程过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。的过程。 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作定系统）要分析其稳定性、准确性和

17、快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。比较严重的情况。2022-5-2018l发散振荡发散振荡 l非振荡衰减非振荡衰减 l等幅振荡等幅振荡 l衰减振荡衰减振荡 l非振荡发散非振荡发散 图图1.81.8阶跃扰动下，被控变量随时间变化的几种过渡过程形式：阶跃扰动下，被控变量随时间变化的几种过渡过程形式：过渡过程形式：过渡过程形式：2022-5-2019三三 过程控制系统的质量指标过程控制系统的质量指标l单

18、项控制指标（控制的目标）：单项控制指标（控制的目标）：稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性l综合控制指标（质量指标）综合控制指标（质量指标）2022-5-20202、 峰值时间峰值时间tp过渡过程曲线达到第一个峰值所需要过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间的时间 。 tp=5min3、过渡时间过渡时间ts控制系统受到扰动作用后，被控变量控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。 ts =22min （ 2% ）1、衰减比（、衰减比（n）同方向两个相邻波峰值之比。即同方向两个相邻波峰值之比。即 n =B/

19、B= （230-205）/（210-205）=5：1习惯上表示为习惯上表示为 n：1 ,一般一般 n 取取 4 10 之间。之间。4、最大偏差、最大偏差A被控变量偏离给定值的最大数值被控变量偏离给定值的最大数值 A=230-200=30（） 2022-5-20215、超调量、超调量B第一个波峰值与新稳定值之差第一个波峰值与新稳定值之差 B=230-205=25（）6、余差、余差C过渡过程终了时被控变量的新稳定值过渡过程终了时被控变量的新稳定值 与给定值之偏差与给定值之偏差 C=205-200=5（ ） C = 0 为无差调节系统为无差调节系统 C0 为有差调节系统为有差调节系统 思考：思考：单项控制指标与综合控制指标的关系？单项控制指标与综合控制指标的关系？7、振荡周期、振荡周期T或频率或频率f过渡过程同向两个波峰间间过