化工仪表第一章 (俞金寿)过程自动化及仪表..
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闭环控制： 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设 定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量， 这样，整个系统构成了一个闭环。
闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏 差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。
闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各 环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统 失去控制。
大系统理论:20世纪70年代开始 将现代控制理论与系统理论相结合 核心思想： 系统的分解与协调 适用范围： 高维线性系统
智能控制理论
控制系统结构及仪表的发展
基地式：20世纪50年代，适用于单回路 单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ 20世纪60年 代，之间用标准统一信号联系 计算机： DDC, DCS 20世纪70年代
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
-
控制装置
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环控制系统组成
•检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测 量值y(t)。
•比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输 出其差值。 •控制装臵的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况， 按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构 和控制装臵通常组合在一起，称为控制器。
LC
汽包
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
加热炉的温度控制系统
TT
TC
T 被加热原料 出口温度
燃料油
蒸汽
术语
LT
LC
汽包
省煤器 给水
被控过程（被控 对象）：自动控 制系统中，工艺 参数需要控制的 生产过程、设备 或机器。
被控变量：被控 过程内要求保持 设定值的工艺参 数
锅炉汽包自动控制系统示意图
测量值 y(t)
检测元件、变送器
在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：
（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际 的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中 的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环 节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环 节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出 信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。
LT LC
汽包
省煤器 给水
偏差：被控变量 设定值与实际值 之差
锅炉汽包自动控制系统示意图
负反馈：将被控 变量送回输入端 并与输入变量相 减
加热炉的温度控制系统
TT TC
T 被加热原料 出口温度
燃料油
被控过程：加热炉 被控变量：物料出口温度
操纵变量：燃料油流量
扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等
1.2.2闭环控制与开环控制
1.2 自动控制系统
1.2.1自动控制系统 自动控制的必要性
蒸汽
手动控制的步骤： (1)观察液位数值；
汽包 省煤器 给水 图1-1 锅炉汽包示意图
(2)把观察到的实际数值 与设定值加以比较，根 据偏差的大小及变化情 况做出判断，并发布命 令。
(3)根据命令操作给水阀， 使液位回到设定值。
蒸汽
LT
•执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改 变操纵变量q(t)。 •系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执 行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
-
控制装置
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
闭环 控制 系统 组成
蒸汽
蒸汽
FT
LT
LC
汽包
LT
1F Fd C f
汽包
省煤器
给水 锅炉汽包自动控制系统示意图 给水
省煤器
1.2.3自动控制系统的组成及方框图
在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制 系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般 都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节， 两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方 框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。
使用常规仪表的中央控制室
早期的DCS控制系统
1 自动控制系统概述
本章的主要内容：
1.1 自动化及仪表发展概述 1.2 自动控制系统 1.3 控制系统过渡过程及品质指标
1.1 自动化及仪表发展概述
控制理论的发展 经典控制理论:20世纪40年～20世纪50年代 Nyquist(1932)频域分析技术 Bode(1945)图 根轨迹分析方法(1948) 特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究 问题。 适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。 以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控 制系统进行分析与设计 PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一
开环控制：
开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进 行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。
开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与 设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变 量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的 缺点。
开环控制举例 开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）
先进控制和优化控制：CIPS, FCS 20世纪80年代 以后 自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表数字仪表智能仪表。
当前自动控制系统发展的一些主要特点 •生产装臵实施先进控制成为发展主流 •过程优化受到普遍关注 •传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 •综合自动化系统（CIPS）是发展方向
现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展 其主要内容为： （基础）线性系统理论，最优控制理 论，最佳估计理论，系统辨识等。 特点： 从输入-状态-输出的关系全面地分析 与研究系统。 适用范围： 不限于线性定常系统，也适用于线 形 时 变 ， 非 线 性 及 离 散 系 统 ， 多 输 入、多输出的情况。
化工自动化及仪表
叶西宁 Yexining@ecust.edu.cn 64253330(o)
学习这门课的重要性： 控制系统在化工领域的应用很普遍，比 如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶 短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等 等。 工艺人员也应该充分了解所用的控制系 统，以及控制系统的特性。这样才能设计出 合理、高效的生产工艺。
被控过程：汽包
被控变量： 汽包液位
蒸汽
源自文库
LT
LC
汽包
操纵变量：受控 制器操纵的用以 克服干扰的影响， 使被控变量保持 设定值的物料量 或能量 扰动：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
省煤器 给水 锅炉汽包自动控制系统示意图
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
蒸汽
设定值：工艺参 数所要求保持的 数值
闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏 差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。
闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各 环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统 失去控制。
大系统理论:20世纪70年代开始 将现代控制理论与系统理论相结合 核心思想： 系统的分解与协调 适用范围： 高维线性系统
智能控制理论
控制系统结构及仪表的发展
基地式：20世纪50年代，适用于单回路 单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ 20世纪60年 代，之间用标准统一信号联系 计算机： DDC, DCS 20世纪70年代
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
-
控制装置
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环控制系统组成
•检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测 量值y(t)。
•比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输 出其差值。 •控制装臵的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况， 按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构 和控制装臵通常组合在一起，称为控制器。
LC
汽包
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
加热炉的温度控制系统
TT
TC
T 被加热原料 出口温度
燃料油
蒸汽
术语
LT
LC
汽包
省煤器 给水
被控过程（被控 对象）：自动控 制系统中，工艺 参数需要控制的 生产过程、设备 或机器。
被控变量：被控 过程内要求保持 设定值的工艺参 数
锅炉汽包自动控制系统示意图
测量值 y(t)
检测元件、变送器
在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：
（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际 的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中 的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环 节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环 节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出 信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。
LT LC
汽包
省煤器 给水
偏差：被控变量 设定值与实际值 之差
锅炉汽包自动控制系统示意图
负反馈：将被控 变量送回输入端 并与输入变量相 减
加热炉的温度控制系统
TT TC
T 被加热原料 出口温度
燃料油
被控过程：加热炉 被控变量：物料出口温度
操纵变量：燃料油流量
扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等
1.2.2闭环控制与开环控制
1.2 自动控制系统
1.2.1自动控制系统 自动控制的必要性
蒸汽
手动控制的步骤： (1)观察液位数值；
汽包 省煤器 给水 图1-1 锅炉汽包示意图
(2)把观察到的实际数值 与设定值加以比较，根 据偏差的大小及变化情 况做出判断，并发布命 令。
(3)根据命令操作给水阀， 使液位回到设定值。
蒸汽
LT
•执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改 变操纵变量q(t)。 •系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执 行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
-
控制装置
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
闭环 控制 系统 组成
蒸汽
蒸汽
FT
LT
LC
汽包
LT
1F Fd C f
汽包
省煤器
给水 锅炉汽包自动控制系统示意图 给水
省煤器
1.2.3自动控制系统的组成及方框图
在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制 系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般 都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节， 两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方 框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。
使用常规仪表的中央控制室
早期的DCS控制系统
1 自动控制系统概述
本章的主要内容：
1.1 自动化及仪表发展概述 1.2 自动控制系统 1.3 控制系统过渡过程及品质指标
1.1 自动化及仪表发展概述
控制理论的发展 经典控制理论:20世纪40年～20世纪50年代 Nyquist(1932)频域分析技术 Bode(1945)图 根轨迹分析方法(1948) 特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究 问题。 适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。 以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控 制系统进行分析与设计 PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一
开环控制：
开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进 行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。
开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与 设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变 量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的 缺点。
开环控制举例 开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）
先进控制和优化控制：CIPS, FCS 20世纪80年代 以后 自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表数字仪表智能仪表。
当前自动控制系统发展的一些主要特点 •生产装臵实施先进控制成为发展主流 •过程优化受到普遍关注 •传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 •综合自动化系统（CIPS）是发展方向
现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展 其主要内容为： （基础）线性系统理论，最优控制理 论，最佳估计理论，系统辨识等。 特点： 从输入-状态-输出的关系全面地分析 与研究系统。 适用范围： 不限于线性定常系统，也适用于线 形 时 变 ， 非 线 性 及 离 散 系 统 ， 多 输 入、多输出的情况。
化工自动化及仪表
叶西宁 Yexining@ecust.edu.cn 64253330(o)
学习这门课的重要性： 控制系统在化工领域的应用很普遍，比 如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶 短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等 等。 工艺人员也应该充分了解所用的控制系 统，以及控制系统的特性。这样才能设计出 合理、高效的生产工艺。
被控过程：汽包
被控变量： 汽包液位
蒸汽
源自文库
LT
LC
汽包
操纵变量：受控 制器操纵的用以 克服干扰的影响， 使被控变量保持 设定值的物料量 或能量 扰动：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
省煤器 给水 锅炉汽包自动控制系统示意图
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
蒸汽
设定值：工艺参 数所要求保持的 数值