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1、1第二讲第二讲 控制系统原理控制系统原理课课 题：题：1、闭环控制系统过渡过程及其品质、调节器参数的工程整定、串级控制系统教学目的：教学目的：1、闭环控制系统过渡过程概念、过渡过程的质量指标2、调节器参数的工程整定3、串级控制系统基本概念教学要求教学要求: 1、了解温度.压力仪表在我厂的使用情况2、掌握调节器参数的工程整定教学重点：教学重点：1、调节器参数的工程整定教学难点教学难点：串级控制系统、教学内容教学内容闭环控制系统的过渡过程 一个处于平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用后，被 控变量发生变化：与此同时，控制系统的控制作用将被被变量稳定下来，并力图使其回到 设定值附近，一个控制系统受到
2、干扰作用后，从原有稳定状态过渡到新的稳定状态的整个 过程，称为控制系统的过渡过程，它是衡量控制系统品质优劣的重要依据。 发散振荡过程等幅振荡过程衰减振荡过程非周期衰减过程。 过渡过程质量指标 从以上四种过渡过程情况可知，一个合格稳定的控制系统，当受 到外界干扰以后，被控变量的变化应是一条衰减曲线，常采用以下几个指标衡量控制系统 的好坏。 衰减比 表征系统受到干扰以后，被控变量衰减程度的指标。其值为前后两个相邻 峰值之比 余差 指控制系统受到干扰后，过渡过程结束时被控变量的残余偏差 最大偏差 表示被变量偏离给定值的最大程度。对一个衰减过渡过程，最大偏差就 是第一个波的波峰， 过渡过程时间 又称调
3、节时间，指从干扰产生时刻起，直至被控变量建立起新的平 衡状态为止的这一时间段，愈短愈好。 振荡周期 被控变量相邻两波峰之间的时间叫振荡周期，短好简单控制系统的投运 遵循先幅线调节后主线，先现场后遥控，选手动后自动的原则调节器参数整定， 临界比例度法 先将放到最大、置于，慢慢减小比例度，直到出现等幅振 荡为止，记下此时的比例度和振荡周期，分别作为临界比例度和临界振荡周期，将它们作 为参数整定的依据，不适用于工艺上不许出现等幅振荡的情况。衰减曲线法 ：衰减曲线法 使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用给定值改变的方法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小慢慢减小比例度，使其出现
4、：衰减为止，记录下此时的比例度及衰减周期。21.1 温度仪表温度仪表一、温度测量一、温度测量 概念：温度是表征物体的冷热程度的物理量。不能进行直接测量，目前所使用的测量 方式均为间接测量。单位有摄氏温标（摄氏度）和热力学温标（开尔文）两种，在工 程中常用摄氏温标，后者主要用于热力学计算。两者间存在如下运算关系。 控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程 控制不断的向前发展。纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段： 20 世纪 40 年代： 手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测 到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条
5、件，凭经验去控制生产 过程。 20 世纪 40 年代末50 年代： 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 过程检测：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动型和电动型） ； 部分生产过程实现了仪表化和局部自动化 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论 20 世纪 60 年代： 过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。 自动化仪表：单元组合仪表（气动型和电动型）成为主流产品 60 年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控 制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。 控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控 制理论
6、为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到 多输入多输出系统领域， 、型、型 20 世纪 7080 年代： 微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80 年代 初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是 32 位微处理器问世） ，微型计算机的 出现及应用都促使控制系统发展。 过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制 自动化仪表：气动型和电动型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装 置。集散控制系统（DCS） 、可编程逻辑控制器 (PLC) 、工业 PC 机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。 集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管
7、理集中。控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模 式识别技术 20 世纪 90 年代至今：信息技术飞速发展 过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上 的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上 的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪3人工智能、神经网络控制二、自动化技术的应用范畴二、自动化技术的应用范畴 1.宇航方面：（现代控制理论） 同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统） 卫星的发射与回收（神州 3 号卫星，哥伦比亚
8、号航天飞机）自动关机、点火系统 2.军事方面： 火炮自动点火、巡航导弹 3.其他方面：农业（病虫害防治、专家系统） 社会科学（计划生育，人口增长模型） 4.现代管理：办公自动化（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活 动相关的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。 5.工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐三、过程控制系统的特点三、过程控制系统的特点过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点： 1.生产过程的连续性生产过程的连续性在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中 被控变量不断的受到各种扰动的影响。 2.被控过程的复杂性被控过程的复杂性过
9、程控制涉及范围广：石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等。 被控对象较复杂：动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和时 变特性。 3.控制方案的多样性控制方案的多样性 被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同， 过程控制系统的控制方案非常丰 富。 包括：常规 PID 控制、改进 PID 控制、串级控制、前馈-反馈控制、解耦控制； 为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制； 新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。四、过程控制的主要内容四、过程控制的主要内容 1.自动检测系统自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录 如
10、：加热炉温度、压力检测 2.自动信号和联锁保护系统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：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车 如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀 3.自动操纵及自动开停车系统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 如：合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等 步骤周期性地接通空气和水蒸汽 自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车44.自动控制系统：自动控制系统：利用自动控制装置对生产中某些
11、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，能自动的回到规定范围。 （本书介绍的重点内容）1.2 过程控制系统的组成过程控制系统的组成利用自动控制装置构成的过程控制系统，可以在没有人直接参与的条件下，使这些工 艺参数能自动按照预定的规律变化。 一、一、过程控制系统实例过程控制系统实例 1.锅炉汽包水位控制。 在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直接影响着蒸汽的品质及 锅炉的安全。水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化，导致 锅炉烧干甚至会引起爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，降低了 蒸汽的质量和产量，严重时会损
12、坏后续设备。（a） (b)图 1.1 锅炉汽包水位控制示意图眼 检测元件（变送器） 要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况脑 控制器 控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。如果两个 信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据偏差 的大小向执行器输出一个控制信号， 手 执行器执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。二、二、 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 一个过程控制系统一般由两部分组成。 需要控制的工艺设备或机器(被控过程) + 自动控制装置 （反应器、精馏塔、换热器、压力罐 （控制
13、器、执行器、测量元件及变送器） 储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）几个常用术语： 被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。如锅炉汽包，发酵罐。汽包 给水 蒸汽 加热室 汽包 给水 蒸汽 加热室 液位变送控制器执行器5被控变量 被控对象中要求保持设定值的工艺参数。如汽包水位、发酵温度。 操纵变量 受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能 量。如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。 扰动量 除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。如蒸汽负荷 的变化、冷却水温度的变化等。 设定值 被控变量的预定值。 偏 差(e) 被控变量的设定值与实际值之差。在实际控制
14、系统中，能够直接获取的信 息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。1.3 过程控制系统的两种表示形式过程控制系统的两种表示形式一、一、 方方 框框 图图 方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进行 理论分析、设计中常用到的一种形式。1.方框图组成 方框-每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节） ，方框内添入表示其 自身特性的数学表达式或文字说明；信号线-信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向； 作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称为该环 节的输出信号。比较点-比较点表示对两个或
15、两个以上信号进行加减运算， “+”号表示相加， “-” 号表示相减；引出点-表示信号引出， 从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。带有输入输出信号的方框 比较点 分支点图 1.3 方框的组成单元示意图系统中的每一个环节用一个方框来表示，四个方框分别表示：被控对象（锅炉汽包） 、 测量变送装置、控制器和执行器。每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。如被控对 象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入信号 作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控变量 （汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量
16、，它 们也作为输入信号作用于被控对象。6图 1.4 锅炉汽包水位控制系统方框图2.负反馈概念： 反馈通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出 信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。分为和 反馈-负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-” 号表示 正反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈）用“+”号表示。在绘制方框图时应注意 1. 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 2. 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。 方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。 对于每一个方框或系统，输入
