第1章 过程装备控制综述课件

主讲：王庆过程装备控制东北大学机械工程与自动化学院真空与流体工程研究所课程性质:自动化技术在过程装备的应用(考试课)对象:过程装备与控制专业本科48学时：授课40学时，实验4学时（2个实验）考核：期末闭卷考试成绩：考试80%+实验20%

课程特点课程内容涵面广自动控制原理检测技术控制仪表及装置过程计算机控制真空与化工过程控制实例集散控制系统内容以叙述性为主，理论推导较少化工仪表及自动化例题习题集厉玉鸣化学工业出版社工业过程仪表与控制陈诗涛轻工业出版社自动控制原理 李友善国防工业出版社 化工测量仪表 盛克仁化学工业出版社控制仪表及装置吴勤勤化学工业出版社控制仪表与装置 向婉成机械工业出版社化工过程控制工程 王骥程化学工业出版社过程控制工程邵裕森机械工业出版社计算机过程控制系统刘宝坤机械工业出版社过程计算机控制 王锦标清华大学出版社参考文献第1章1.1自动控制概述过程控制系统的发展状况及特点生产过程自动控制

自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。过程控制系统的发展状况及特点过程控制系统发展状况20世纪40年代手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。20世纪40年代末～50年代过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ

型和电动Ⅰ型）；控制理论：以反馈为中心的经典控制理论过程控制系统的发展状况及特点20世纪60年代：过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。自动化仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模式识别技术20世纪70～80年代过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器(PLC)、工业PC机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。过程控制系统的发展状况及特点过程控制系统的发展状况及特点控制理论：人工智能、神经网络控制20世纪90年代至今：信息技术飞速发展过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪过程控制系统的发展状况及特点过程控制系统特点生产过程的连续性

在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。被控过程的复杂性过程控制涉及范围广，被控对象较复杂

控制方案的多样性

过程控制系统的控制方案非常丰富自动化技术的应用范畴

宇航方面：同步卫星（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州5号飞船，航天飞机）自动关机、点火系统军事方面： 火炮自动点火、巡航导弹其他方面：农业（病虫害防治、专家系统） 社会科学（计划生育，人口增长模型）现代管理：办公自动化工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐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过程自动的投入运行或自动停车自动控制系统：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，能自动的回到规定范围。过程控制的主要内容

过程控制系统的组成

过程控制系统检测元件（装置）控制器执行器（装置）检测被控制的物理量将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置作用是接受控制器的控制信号，直接推动被控对象，使被控变量发生变化被控对象要控制的的具体设备如加热炉，反应器过程控制系统的表示形式方框图方框、信号线、比较点、引出点组成控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示

带有输入输出信号的方框比较点分支点

绘制方框图注意事项过程控制系统的表示形式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反馈负反馈正反馈过程控制系统的主要类型

闭环控制系统指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。

闭环控制系统的优点：不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。闭环控制系统的缺点：由于闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，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。过程控制系统的主要类型

闭环控制系统分类根据设定值分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。定值控制系统特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。

作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上过程控制系统的主要类型随动控制系统特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。放大器被测电压ut可逆电机指示记录仪滑线电阻Eup

作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化自动平衡电位差计的方框图过程控制系统的主要类型程序控制系统特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。

作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化过程控制系统的性能指标及要求常见典型信号阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。阶跃信号A

0t≥0

t<0数学表达式为：当A=1时称为单位阶跃信号。特点易产生对系统输出影响大便于分析和计算在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式ytt①yt②yt③yt④yt⑤1.发散振荡过程——曲线①所示5.非振荡发散过程——曲线⑤所示3.等幅振荡过程——曲线③所示4.衰减振荡过程——曲线④所示2.非振荡衰减过程——曲线②所示过程控制系统的性能指标及要求评价方法：1阶跃响应曲线的性能指标2偏差积分性能指标过程控制系统的性能指标及要求阶跃响应曲线的性能指标余差（静态偏差）C指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。描述系统稳态特性的唯一指标一般要求余差不超过预定值或为零。衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。

衰减比n=B1/B2控制系统的品质指标示意图根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。衰减率：U=(B1-B2)/B1衰减比4:1——衰减率0.75衰减比10:1——衰减率0.90n>1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。

n=1:等幅振荡。

n<1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，最大偏差A（或超调量σ）最大偏差A是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差超调量：过渡过程时间ts

指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值±5%（或±2%）的范围内所经历的时间。一般要求ts愈短愈好。振荡频率（或振荡周期）定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、振荡周期、过渡时间（设定值为200℃）。(℃)(1)最大偏差：(3)衰减比：(2)余差：(℃)(℃),(℃)第一个波的峰值第二个波的峰值衰减比(5)过渡时间：(4)振荡周期：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为(℃)那么，在新稳态值（205℃）两侧以限制范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min.性能指标之间的关系有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重