过程控制第1章绪论课件

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
y(t )
B
C
0
稳定误差范围： 2％
B
或者 5％的新稳态值
t1 e()
t2
t3
A BC
n B / B
e() C y()
t p t3
t
最大偏差A： 衰 减 比n： 余差 e(∞)： 过渡时间tp： 振荡周期：
自动控制
1-1 过程控制技术发展概况
自动化仪表（微型计算机）技术 控制理论 随
过程控制的发展：
第一阶段——20世纪40年代前：手工操作状态 只有少量的检测仪表用于生产过程监测。 20世纪40年代：基地式仪表和部分单元组合仪表（气动 Ⅰ型和电动Ⅰ型）。 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)
1

0
时间乘平方误差积分指标 绝对误差积分指标
J 2 te2 (t )dt
0

J 3 | e(t ) | dt
0


当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统，即 J min
时间乘绝对误差积分指标 J 4 0 t | e(t ) | dt
1 最大偏差或 超调量 （给定值＝0 ）
二、按给定信号特点分类 1、定值控制系统 : 设定值不变（常数） 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） 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。
给定值 Q1 燃料量 ＋ － 控制器 执行器 测量变送 要求：Q2=KQ1 对象 Q2 空气量
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设定值时，控制作用必须 驱使它（被控变量）回到设定值。
+ 控制器 － 测量变送装置 执行器 被控对象
SP
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、阶跃干扰形式简单，易于实现。 输 实际过程容易产生阶跃干扰。 入
量
0
t0
时间t
阶跃干扰下过渡过程的几种基本形式：
非周期衰减过程
一般不采用
√ √
衰减振荡过程
等幅振荡过程 发散振荡过程
X X
单调发散过程
X
（3）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： · 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： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）…… · 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： 平方误差积分指标 J e 2 (t )dt
进料
凝液
• 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 程自动地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，能自动地回到规定范围。
第二阶段 ——20世纪60年代：仪表化与局部自动化
过程控制系统：复杂控制系统（串级、比值、前馈等） 自动化仪表：电动单元组合仪表（DDZ） 控制理论：现代控制理论(多输入、多输出系统)
第三阶段 ——20世纪70～80年代：计算机集中式数字控制 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） 1、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
2 衰减比
y
B B’ A
0
C
t
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。 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。 n 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。
y
B B’
A
0
C
t
最大偏差：在过渡过程中，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。
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。
1-6 过程控制系统性能指标
（1）稳态和动态 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：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。

现场 设备
传统计算机控制系统的结构示意图
朴素意义上的 FCS结构示意图
ห้องสมุดไป่ตู้
特征：全数字化、全分散、现场设备互操作性、开 放式互联、网络化
2、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）
• 热交换温度控制系统
Tsp
TC
蒸汽 u(t) RV
Tm RF , Ti T 凝液 进料
控制系统的 4 个基本环节： 被控对象、检测仪表(测量变 送环节)、控制器、执行器 热交换温度控制系统方框图
扰动 RF (t), Ti (t) 热交换器 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 T(t)
设定值 Tsp + _
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，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。 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。
衰减比
n＝1等幅振荡
n＜1发散振荡
n＞1衰减振荡
不振荡
衰减比：稳定性的指标。 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，一般也是操作人员所希望的过程
不振荡：不便于操作人员掌握。
3.余差
y B B’ A
余差：过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与设定
（4）干扰（扰动） 除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变 化的一切因素。 液位控制系统中的干扰是哪个量？ 流量Qi （5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。 （6）偏差 设定值与测量值之差。
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
0
C
t
值之间的偏差，图中以C表示。
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。
根据有无余差可将系统分为有差系统和无差系统。
y(t )
4.过渡时间 5.振荡周期 或频率
0
B
C
稳定误差范围： 2％
B
或者 5％的新稳态值
t1 e()
t2
t3
t
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
偏差 e(t)
温度 控制器
控制信号 u(t)
蒸汽 控制阀
蒸汽量 RV (t)
测量值 Tm(t)
温度测量 变送器
• 一般过程控制系统方块图
干扰 r(t) 设定值 e(t) 偏差 u(t) 液位控制器 执行器 （控制阀） 液位测量、变送装置 广义对象 控制变量 （操纵变量） 被控对象 （液体贮槽） 被控变量
1-3 过程控制系统组成
液位人工控制
进 料 口
液位自动控制
液位检测 变送装置
眼看（检测） 实际液位H′
大脑（运算、命令） H′和期望液位H比较
手动（执行）
执 行 器
给定值
液位控制器
手工完成测量、求偏差和操纵阀 门纠正偏差的全过程。
可用一套自动化装置代替 人眼、脑、手的作用，完 成水槽中液位高低的自动 控制任务。
CRT、键盘…… A/D 被控 变量 多路 开关 …… 测量 变送 …… 被控过程（对象） DDC计算机 D/A 操纵 变量
……
执行 …… 器
功放 驱动
DDC控制系统原理图
缺点：计算机一坏，整个系统全部瘫痪。
2、集散控制（DCS）
集中？ 集中管理
分散？ 分散控制
集散控制系统原理结构框图
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 1、现场总线控制（FCS）
+ －
y(t)
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要控制的设备、机械或生产过程，简称对象。
（2）被控变量
对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量。 液位 液位控制系统中的被控变量是哪个量？
（3）控制变量（操纵变量） 受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量。 液位控制系统中的控制变量是哪个量？ 流量Qo
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
第一章 绪 论
• 关于自动控制应用领域
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 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)
过程控制系统的主要内容
• 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
T
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
1-５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-反馈控制系统（复合） 前馈－主要扰动（及时迅速） 反馈－次要扰动
t2 t1
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：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。
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。
1-２过程控制系统的特点
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