过程控制系统教学课件解析

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1、过程控制系统及工程过程控制系统及工程 第一章第一章 绪论绪论 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 第二章第二章 过程控制对象的特性过程控制对象的特性 2 2 3 3 第三章第三章 单回路控制系统单回路控制系统 2 2 3 3 4 4 5 5 第四章 第四章 串级控制系统串级控制系统 2 2 3 3 4 4 5 5 第五章第五章 比值控制系统比值控制系统 2 2 第六章 第六章 前馈控制系统前馈控制系统 2 2 3 3 第七章第七章 均匀控制系统均匀控制系统 2 2 3 3 4 4 第八章第八章 其他控制系统其他控制系统 2 2 3 3 4 4 第九章第九章 过程控制中的计算机应用过程控制中

2、的计算机应用 2 2 3 3 4 4 0-1 0-1 课程的性质和教学安排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。(另有运 动控制方向) 1 1、过程控制的概念、过程控制的概念 第第0 0章章 绪论绪论 1.21.2 1.31.3 1.41.4 1.51.5 1.61.6 3 3、教学安排、教学安排 4 4、主要参考书、主要参考书 (1)(1)、过程控制工程，孙洪程，化学化工出版社、过程控制工程，孙洪程，化学化工出版社 (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

3、、从实际应用看 (1)(1)、从专业特点看、从专业特点看 2 2、过程控制是自动化专业的主要内容之一、过程控制是自动化专业的主要内容之一 0-2 0-2 过程控制的发展概况过程控制的发展概况 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 过程控制系统在控制结构上经历了三个发展阶段：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。 从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个 阶段： 第一阶段 70 年代之前 初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基 础，采用常规气动、液动

4、和电动仪表，对生产过程中 的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系 统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同 的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使 物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith 预 估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段 的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生 产水平是相适应的。 第二阶段（70 年代90 年代初） 发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪 表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、 在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进 控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环

5、境干扰等不 确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测 控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的 工艺要求，提高控制质量。1975 年，世界上第一台分散控制系 统在美国Honeywell公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页 。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制 技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体 分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。 由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再 加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组 态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种)

6、、较 好的人机界面和故障检测报告功能。经过20 多年的发展，它 已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因 此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一 个里程碑。 第三阶段 90 年代后。 高级阶段。目前，过程控制正朝高级阶段走来，不论是从 过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性 、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展， 以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对 企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从 原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的 最优化。它表现的最大特征是仿人脑功能，这一点在某种 程度上是回复到初级

7、阶段的人工控制，但更多的是在人工 控制基础上的进步与飞跃。 0-3 0-3 过程控制的特点过程控制的特点 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。 1-1典型单回路控制系统 0-4 0-4 过程控制的组成及术语过程控

8、制的组成及术语 一、系统组成一、系统组成 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) (1)、被控对象：、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)(2)、检测变送单元：、检测变送单元：仪表课中已做介绍。 (3)(3)、控制器：、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)(4)、执行器：、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)(5)、控制阀：、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。 1、被控

9、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，就称其为被控参 数。如温度、压力、流量、液位、成分等。 二、常用术语二、常用术语 3 3、干扰、干扰: : 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 4、操纵量：、操纵量：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。 5 5、测量值：、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。 6 6、给定值、给定值：即被控变量的设定值。 7 7、偏差值：、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

10、控量的测量值，故通常把测量值与给 定值之差称作为偏差。 对于控制系统而言，外部输入为给定值，故偏差定义为： 给定值给定值- -测量值（测量值（sp-pvsp-pv） 对于控制器而言，外部输入为测量值，故偏差定义为： 给定值给定值- -测量值（测量值（pv-sppv-sp） 8 8、调节器输出：、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节 器输出亦称控制作用。 一、一般分类一、一般分类 1 1、按工艺参数分类：、按工艺参数分类： 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

11、、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。 0-5 0-5 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 二、按设定值形式分类二、按设定值形式分类 5 5、按是否形成闭合回路分类：、按是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。 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

12、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 1、衰减比、衰减比 见图见图 一般认为，一般认为，n:1=4:1n:1=4:1时稳定性好，但温度等慢变化时稳定性好，但温度等慢变化 过程约取过程约取10:110:1为好，应根据实际情

13、况灵活处理。为好，应根据实际情况灵活处理。 2 2、衰减率、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。 0-6 0-6 控制系统的质量指标控制系统的质量指标 见图见图 3 3、动态偏差（亦即超调量）、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 4、调节时间、静态偏差（即余差）、调节时间、静态偏差（即余差） 见以下两图中的见以下两图中的C C。 超调量 上升时间调节时间 数学模型的有关概念数学模型的有关概念 数学模

14、型数学模型: :指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化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。的函数关系数学表达式。 干扰干扰: :内干扰内干扰-调节器的输出量调节器的输出量u(t)u(t)； 外外干扰干扰-其余非控制的输入量。其余非控制的输入量。 通道通道: :输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。 控制通道控制通道-控制作用与被控量间的信号联系；控制作用与被控量间的信号联系； 扰动通道扰动通道-扰动作用与被控量间的信号联系。扰动作用与被控量间的信号联系。 0-7 0-7 过程控制对象的特性过程控制对象的特性 一。自衡过程的数学模型一。自衡过程

15、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 。如下页图所示。如下页图所示。 0-8 0-8 有自平衡能力对象特性有自平衡能力对象特性 过程演示 返回 2 2、参量关系分析、参量关系分析 讨论：(1)、静态时，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 3、建立数学模型、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 AsRAsR 2 2 H H( (s s) )+H+H( (s s) )=R=R 2 2Q Q1 1 ( (s s) ) , , 故故 式中，时间常数式中，时间常数T T O O = =ARAR 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) )。