过程控制系统的简介

过程控制系统

过程控制的主要控制对象：

温度（Temperature），压力（Pressure），液位（Liquid level），

成分（Component）和物性（Physical property）等参数

控制系统首要的要求：

系统稳定性，所有参数必须保证系统能够运行正常且具有一定的稳定裕度，通常可取衰减比作为稳定指标，随动系统，常取衰减比为10:1；定值系统常取衰减比为4:1；

过程控制的任务:

在了解，掌握生产工艺和系统综合指标的要求基础上，根据安全性、稳定性、经济性的要求，应用控制理论、最优控制、系统论的理论知识对系统进行分析与设计，提出合理的控制方案，设计报警和联锁保护系统，选择最优的控制器参数及生产过程现场调试方案等！

过程控制系统的基本要求：

○1安全性:一个控制系统的必要条件，无安全性保证不谈控制系统

○2稳定性：如何有效抑制或减小系统外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的是设计控制系统的要求

○3经济性：随着市场竞争力以及资源匮乏的情况下，在满足安全性及稳定性的前提下，要求控制系统低成本，高效益

过程控制系统的组成：

○1被控对象（过程）:指需要控制的生产过程、设备或装置。如锅炉锅筒、水槽

○2被控变量（被控量）:被控对象中要控制的某个物理量或生产过程中的某个参数，如加热炉的温度、水槽的液位

○3检测和变送器:用于检测被控对象的被控量，并将检测信号转换为统一标准电信号输出

○4控制器（调节器）:将检测信号与设定值信号进行比较，产生偏差信号，按一定的控制规律对偏差信号进行运算，产生控制信号输出到执行器

○5执行器：将控制信号进行放大，转换为控制操纵变量的执行信号，以驱动控制阀。气动调节阀，电动调节阀

○6控制阀：接受执行器的输出信号变换为控制进给量。有气开阀和气关阀○7干扰：凡是影响被控量的各种作用信号称为干扰或者扰动，内干扰，外干扰

○8偏差：被控量的给定量与实际量之差，但能够直接得到的信号是被控量的测量值，通常把给定值与测量值之差成为偏差

○9辅助装置：报警装置，连锁保护装置

过程控制系统的特点：

1.被控对象的多样性:过程控制设计各个工业领域（如石油，化工，冶金，

机械，电力，建材等领域）

2.对象特性的难辨性：过程控制被控对象的内在机理较为复杂，具有严重

的非线性，具有多变量过程，要想完全从机理上揭示其内在规律，几乎不可能，所以，根据过程输入、输出数据确定过程模型的结构和参数的系统辨识方法建模，构成白箱模型，黑箱模型和灰箱模型。

3.对象滞后与耦合：被控量具有较大的惯性，被控对象往往具有纯滞后性。滞后对于调节过程产生不利的影响，它将降低调节系统的稳定性，增大调节参数的偏差，延长调节时间。被控量与控制量之间呈现出交互影响的关系，每个控制量的变化引起几个被控量的变化，形成控制量的被控量的耦合。

4.特性往往具有非线性:客观世界本来就是非线性的，工业生产过程中，大多数是非线性的，非线性是控制系统中普遍存在的系统特性。

5.控制方案的多样性：控制对象的多样性决定了控制方案的多样性，出现了单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择性控制、智能控制（专家控制、模糊控制、神经网络控制等）、数字和计算机控制系统等

6.定制系统主要是控制形式：大多数生产过程中被控量的设定值为一定值，控制的目的是使系统尽快减小或消除干扰的影响，使被控量保持或接近设定值，即系统为定值控制

7.系统多属于慢变化过程：过程控制的被控对象往往具有很大的储蓄容积，导致被控量变化十分缓慢。

8.容错性：对复杂（如非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等）控制系统来说，能进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。 过程系统的性能指标：

○

1稳定性：稳定性是控制系统的首要要求，并且考虑到实际过程系统工作环境、参数、原料等的变化，对系统除要求稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量。

○

2准确性：系统过渡过程结束后，控制系统被控量与设定值之间的偏差是衡量系统性能的重要指标，通常希望静态偏差尽可能小。

○

3快速性：控制系统受到干扰影响后，系统是否可迅速做出响应，根据偏差调节操纵变量是被控量与设定值之间的偏差尽快地减小，并且被控量在工艺要求范围内变化。 时域控制性能指标：

以二阶系统的单位阶跃响应输出为例

222

1(s)2n n n C s s s

ωζωω=⋅++ ;(t)h = 1

(C(s))L - ；(t)1n p t h e ζω-=+ :为系统的无阻尼自然振荡角频率

：阻尼比

1

n

T ω=

：系统的振荡周期

上升时间

r T =

峰值时间:2

1p d

n k T π

ωωζ

==

- ( 为第 个峰值，峰值时间 为第一个峰

值时间)

最大超调量:p δ=

2

-

1-(t )()100%=100%()

n p

t p h h e

e h ζωζ--∞=⨯⨯∞ 过渡过程时间（调节时间）:211ln ln

1s n T ζωζ⎛⎫ ⎪=+ ⎪∆-⎝⎭

若取=5%∆ ，并忽略2

ln

1ζζ-（0<<0.9）

时，则得3

s n

T ζω≈

若取=2%∆ ，并忽略2

ln

1ζζ

-（0<<0.9）

时，则得4

s n

T ζω≈

Overshoot:超调量； ：稳态值； Peak time:峰值时间；

Rise time: 上升时间 Setting time:调节时间 y(t)：输出值 p M :峰值 1. 衰减比（稳定性）

定义为两个相邻的同相波峰值之比1

2

B n B =

,衰减比越大，系统越稳定 1n <系统的响应为衰减振荡1n =系统的响应为等幅振荡 1n >系统的响应为发散振荡