过程控制系统第一章讲解

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1、过程控制系统 方康玲，王新民等主编 讲授：王明霞 课程的性质和教学安排 凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或 某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。(另有电力 拖动控制方向) 1、过程控制的概念 2、过程控制是自动化专业的主要内容之一 3、教学安 排 4、主要参考书 (1)(1)、过程控制系统，黄德先，、过程控制系统，黄德先， 清华大学出版社清华大学出版社 (2) (2)、过程控制系统，方康玲，、过程控制系统，方康玲， 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社 (1)(1)、学时、实验情况、学时、实验情况 (2)(2)、内容安排、内容安排 (2)(2)、从实际应用看、从实际应用看 (1

2、)(1)、从专业特点看、从专业特点看 返回 生产过程自动化是保持生产稳定、降低 消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和 提高劳动生产率重要手段，一直起着极其重要 的作用。其发展经历了以下几个方面： 1、初期阶段(3040年代) 2、简单仪表化阶段(4060年代) 3、综合自动化阶段(6070年代中期) 4、全盘自动化(及智能化)阶段(70年代 中期自今) 过程控制的发展概况 过程控制的特点及计算机的作 用 过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一 定值或按一定规律变化。定值或按一定规律变化。 1 1、被空对象的、被空对象的多样性多样性 2 2、对象特性

3、的、对象特性的难辨性难辨性 白色系统、黑色系统、灰色系统的概念白色系统、黑色系统、灰色系统的概念 3 3、普遍存在、普遍存在滞后滞后 4 4、特性往往具有、特性往往具有非线性非线性： 如间歇式加温、齿轮运动等。如间歇式加温、齿轮运动等。 5、计算机在过程控制中的地位和作 用 计算机的应用不仅促进了现代控制理论的发展 ，而且也推动了自动化向深度与广度进军，使生产自 动化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步 迈进。 微型计算机控制生产过程，按不同的控制目的 ，可分为两类：一是数据检测处理，二是形成微机控 制系统。 微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减 少原料和能量消耗、控制和减少环境污染

4、、提高企业 的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。 1-1典型单回路控制系统 一、系统组成 过程控制系统的组成 1 1、控制原理、控制原理( (如下图如下图) ) 以液体储槽的水位控制为例进行说明。以液体储槽的水位控制为例进行说明。 液位变送器 液位控制器 执行器 2、系统方块图 3、主要组成部分 (1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置 。 (2)、检测变送单元：仪表课中已做介绍。 (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常 见的有气动和电动两种。 (5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。 (5)、报警、保护、

5、连锁等部件 1、被控对象 (简称对象或过程)：前已述及。 2、被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维 持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称 二、常用术语 ： 凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰 或扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。) 4、控制参数：即调节介质。如储水槽液位控制系 统的给水量。 5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。 6、给定值：即被控变量的设定值。 7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实 际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把 给定值与测量值之差称作为偏差。 8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值 。调节

6、器输出亦称控制作用。 3、干 扰: 其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。 有常规控制系统、计算机控制系统。有常规控制系统、计算机控制系统。 一、一般分类一、一般分类 1 1、按、按工艺工艺参数分类：参数分类： 有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统 、成分控制系统、物位控制系统等。、成分控制系统、物位控制系统等。 2 2、按系统的任务分类：、按系统的任务分类： 有比例控制、均匀控制、前馈控制等。有比例控制、均匀控制、前馈控制等。 3 3、按自动化装置的不同分类：、按自动化装置的不同分类： 过程控制系统的分类 1998。9。21 5、按是

7、否形成闭合回路分类： 是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。 在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产 工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动 。 二、按设定值形式分 类 4 4、按控制器的动作分类：、按控制器的动作分类： 有有 1 1、定值控制系统、定值控制系统 P P PIPI PIDPID 位式位式 、 。 2、随动控制系统 其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业 中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、 保 温、 逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控 制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。 是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制是一种

8、被控量的给定值随时间任意变化的控制 系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随 时跟踪给定值。时跟踪给定值。 3 3、程序控制系统、程序控制系统 1、衰减比 见图见图 一般认为，一般认为，:1=4:1:1=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过时稳定性好，但温度等慢变化过 程约取程约取10:110:1为好，应根据实际情况灵活处理。为好，应根据实际情况灵活处理。 2、衰减率 是衡量过度过程稳定性的一个动态指标是衡量过度过程稳定性的一个动态指标( (于递减比于递减比 含义相同含义相同).).一般取一般取=0.75=0.750.90.9。 控制系统的性能指标

9、 见图见图 1998。9。21 3、最大动态偏差（亦即超调 量） 为被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差值。 其它课程已做介绍，不再详述。 4、调节时间、静态偏差（即余差） 见以下见以下两图两图中的中的C C。 5、振荡频率 返回 误差积分性能指标 误差积分IE 绝对误差积分IAE 平方误差积分ISE 时间与绝对误差乘积积分ITAE 控制系统的性能指标 1、数学模型的有关概念 2-1 概述 数学模型:指过程在各输入量的作用下，其相应输出 量变化的函数关系数学表达式。 干扰:内干扰-调节器的输出量u(t)； 外干扰-其余非控制的输入量。 通道:输入量与输出量间的信号联系。 第二章过程控制系统建模分

10、析 1998。9。21 扰动通道-扰动作用与被控量间的信号联系。 2。研究并建立数学模型的目的 (1)(1)、设计过程控制系统、整定调节器参数。、设计过程控制系统、整定调节器参数。 (2)(2)、指导生产工艺设备的设计。、指导生产工艺设备的设计。 (3)(3)、进行仿真实验研究。、进行仿真实验研究。 (4) (4)、培训运行操作人员。、培训运行操作人员。 3。单输入-单输出过程的常见模型 (1)(1)、线性时间连续模型、线性时间连续模型 (2)(2)、线性时间离散模型线性时间离散模型 4。有/无平衡能力的概念 ( (参见图参见图 1 1 2 2 ) ) 控制通道-控制作用与被控量间的信号联系；

11、 一。自衡过程的数学模型 自衡的定义自衡的定义：对象受到干扰作用后，平衡状态对象受到干扰作用后，平衡状态 被破坏被破坏 ，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动 平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为 平衡能力。平衡能力。 ( (一一) )、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型 1 1、单容过程的定义、单容过程的定义：只有一个储蓄容量的过程只有一个储蓄容量的过程 。如下页图如下页图所示。所示。 2-2 有自平衡能力对象特 性 1998。9。21 过程演示 返回 2、参量关系分析 讨论：(1)、静态时

12、， q1=q2=dh/dt=0 ; (2)、当q1变化 时h变化 q2变化。 经线性化处理，有 其中，其中，R R 2 2 为阀门为阀门2 2的阻力，称为液阻或流阻。的阻力，称为液阻或流阻。 3、建立数学模型 由式由式(*)(*)可画出框图可画出框图如图如图所示。即所示。即 AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s) , AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s) , 故故 式中，式中，T T O O =AR=AR 2 2 =R=R 2 2C C ,C,C为容量系数为容量系数( (或容量或容量) )。 由式由式(2-6)(2-6)和式和式(2-7)(2-7)，有，有 1998。9。21 2-2

13、 (1)(1)、容量、容量C C 含义：生产设备和传输管路都具有一定的储蓄物质含义：生产设备和传输管路都具有一定的储蓄物质 或能量的能力。被控对象储存能力的大小，称为容量或或能量的能力。被控对象储存能力的大小，称为容量或 容量系数，其意义是：引起单位被控量变化时，被控过容量系数，其意义是：引起单位被控量变化时，被控过 程储存量变化量。程储存量变化量。 4、容量和阻力的概念 返回 1、纯滞后的概念 纯滞后是普遍存在的，如下页图所示。 种类：有电容、热容、气容、液容等等。 (2) (2)、阻力、阻力 概念：凡是物质或能量的转移，都要克服阻力概念：凡是物质或能量的转移，都要克服阻力 ，阻力的大小，阻

14、力的大小决定于不同的势头和流率。决定于不同的势头和流率。 种类：电阻、热阻、气阻、流种类：电阻、热阻、气阻、流( (液液) )阻。阻。 2 2、数学模型、数学模型 (二)、具有纯滞后单容过程的数学模型 纯滞后单容过程及其响应曲线 无纯滞后 有纯滞后 (三)、多容过程的数学模型 1 1、多容过程、多容过程是工业生产中常见的，如下两是工业生产中常见的，如下两图图。 2-5 2、三容过程的微分方程模型: 如式(2- 10) 3、三容过程的方框图 由式(2-10)的拉氏变换，可得图2-6。 4 4、三容过程的数学模型、三容过程的数学模型 由图2-6，应用自控理论即可获得其模型。 无自衡过程的概念：如下

15、图。 2-3 2-3 无自平衡能力对象特性无自平衡能力对象特性 (一)、单容过程的数学模型 1 1、参量关系分析、参量关系分析 在自衡过程在自衡过程( (图图2-7)2-7)下，有下，有 图图2-82-8 返回 而在无自衡过程(图2-8)下，因q2=0， 故 2 2、传递函数、传递函数 二容、二容、三容过程形式：三容过程形式： 如图如图2-92-9、图、图2-102-10所示。所示。 ( (二二) )、多容过程的数学模型、多容过程的数学模型 1998。9。21 对正常生产影响小。转换成阶跃响应的方法如下图。对正常生产影响小。转换成阶跃响应的方法如下图。 一、响应曲线法 问题的提出：问题的提出：

16、大多数工业过程的机理模型是很大多数工业过程的机理模型是很 难建立的，只有采用实验建模。难建立的，只有采用实验建模。 是一种时域法辨识对象的动态特的方法。是一种时域法辨识对象的动态特的方法。 ( (一一) )、阶跃扰动法测定对象的响应曲线、阶跃扰动法测定对象的响应曲线 实验时往往会对正常生产造成影响。实验时往往会对正常生产造成影响。 ( (二二) )、矩形脉冲法测定对象的响应曲线、矩形脉冲法测定对象的响应曲线 2-4 时域辨识法 1998。9。21 将矩形脉冲看成正负两个等幅的阶将矩形脉冲看成正负两个等幅的阶 跃信号，据此而得到输出的阶跃跃信号，据此而得到输出的阶跃响应。即 转换的思路是 ： x(t)=x1 (t)+ x2(t) (见图2-11上) =x1 (t)- x1(t-a) (2-20) 则 y*(t)=y(t)-y(t-a) 或 y(t)=