过程控制第一章

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1、过程控制系统主讲教师：姜萍Date第一章 绪论1.1 什么是过程控制（Process Control）1.2 过程控制的组成结构1.3 过程控制系统的分类1.4 过程控制系统的特点1.5 过程控制系统的性能指标1.6 过程控制的内容及设计流程实现1.7 过程控制的发展历程与趋势Date本节主要内容： 1.什么是过程控制 2.组成结构 3.分类 4.特点 5.性能指标 6.任务及设计流程 7.发展历程及展望 8.本课程要求相关课程:自控原理、传感器技术、控制仪表、微机原理、计算机控制涉及多行业：电力、化工、石油、冶金、纺织等。Date*1.1 什么是过程控制系统（Process Control

2、System）过程控制系统:是以表征生产过程的参数为被控制量，使之接近设定值或保持在给定范围内的自动控制系统。 自动控制：指在没有人的直接参与情况下，利用控制装置使 机器、设备或生产过程自动地按照预定的规律运行的控制系统。 工业生产过程一般分为连续过程工业、离散过程工业和间隙 过程工业三大类。其中连续过程工业居多，如：电力、石油、化 工、冶金、造纸、医药等工业部门的生产过程。过程控制主要解 决连续生产过程的自动控制，应用范围广泛。 表征过程运行状态的参数通常有六大参数：温度、压力、流 量、液（物）位、成分（如:含氧量、浓度）、物性（物化性质 如：比热、熔点）。所以也称过程控制是针对所谓六大参数

3、的 控制系统（把六大参数作为被控量）。 控制系统的目标是：使被控量接近设定值或保持在给定范围 。Date过程控制的任务是在了解掌握工艺流程和生产过程的动静态特性基础上， 根据安全性、稳定性和经济性的要求，应用理论对控制系统进 行分析和综合，采用适宜的技术手段加以实现。 所以，过程控制是工艺知识、控制理论、仪器仪表、计算 机技术等知识相结合的一门应用科学，如图1-1所示。 图1-1 过程控制与相关技术之间的关系Date1.2 过程控制的组成结构首先以水箱液位的控制为例进行分析。手动控制如图所示，人对水箱水位 进行手动控制时，需要用眼睛 观测实际水位，将实际水位与 要求的水位值相比较，得出两 者偏

4、差。根据偏差的大小和方 向调节进水阀门的开度，当实 际水位大于要求值，关小进 水阀，否则加大进水阀，从而 改变水位，使之与要求保持一 致。 Date自动控制当实际水位小于要求水位，电位器输出电压值为正，且大小反映 其差值，放大器输出信号有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度 增加，直到实际水位与要求值相等为止。浮子：测量作用 连杆电位器：比较作用 放大器、伺服电机、减速器 ：调节作用 阀门：执行元件 Date手动控制与自动控制的比较 人的手动调节中人用眼睛完成观测、用大脑实现判断并给出调节的指令、用手执 行控制的任务。自动调节中则用测量单元、调节单元、执行单元完成，说明这些控制 仪表能够代替人

5、完成对水箱液位的控制，达到要求的目标。在人的手动调节中，是凭 经验支配双手实现操作，调节的效果在很大程度上取决于经验，而在自动控制中，调 节单元是根据偏差信号，按一定规律去控制调节阀的，其效果在很大程度上决定于调 节单元的调节规律选用是否恰当 Date典型的过程控制系统结构典型的过程控制系统属于反馈控制系统，最简单的是单回路闭环控制系统组组成部分主要是四个环节环节 ：所以，也可分为为两大组组成部分：过过程控制系统统=检测检测 控制仪仪表+被控过过程Date主要的变量（术语）：被控（调）量：表征生产过程是否符合工况的物理量/过程变量（ 温度、压力、流量、液位等六大参数），如上例中的水位；（设）给

6、定值：规定被调量需要须达到的参数、目标值，如上例中 的水位设定值； 调节量：由调节机构改变的流量(或能量)，用以控制被调量的变化 的物理量，如上例中的进水量；扰动：生产过程中引起被调量偏离设定值的各种因素，如上例中的 出水量变化会进水压力变化等，通常是多种扰动因素，并且是不希 望有的干扰；如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为 外扰。如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。其中，由于调节 机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。变更控制器的给定值的 扰动称为给定值扰动。偏差： 理论上，被调量实际值与设定值之差实际中，被调量测量值与设定值之差偏差是反馈控制系统进行调节的依据。生产过程运行中

7、，通常希望偏差越小越好，稳定时尽可能为0， 动态调节过程中的最大偏差也不能过大。Date1.3 过程控制系统的分类按被调量分：温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等。按控制系统处理的信号：模拟系统、数字系统。被控系统性能：线性系统与非线性系统、连续系统与离散系统、定 常系统与时变系统等。被控参数的数量：单变量系统与多变量系统。控制装置：常规仪表系统与计算机控制系统（DDC、DCS、FCS ）控制回路：单回路系统、多回路（串级）系统。设定值形式：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。控制系统结构：反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系统。 Date1.3.1 按设定值形式1、定（恒）值控

8、制系统2、随动控制系统3、程序控制系统给定值保持不变，从而被调量也相应保持不变，主要矛盾是克服扰 动对被调量的影响，最终使给定值与被调量相等。例如恒温箱的温度控制 系统，尽可能使温度保持等于设定值，尽量减小或消除外界干扰，使生产 过程稳定。给定值是变化的，要求被控参数准确而及时地跟随设定值的变化而变化。 作用：克服一切扰动，使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧 过程控制，控制系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动控制空气量 的大小从而保证达到最佳燃烧。被控量的给定值是按预定的时间程序（已知的时间函数）而变化的，希望 被控参数能尽快跟踪设定值。控制的目的：使被控量按规定的程序自动变化。例如

9、：机械工业中的退火炉的温度控制系统。汽机启动中，要求汽机转速按一定程序升降 间歇生产 Date1.3.2按系统结构特点（控制方式）1、反馈控制系统（闭环）反馈控制系统是根据系统被控量与给定值的偏差进行工作的，最后 达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据，又称闭环控制系统，是 过程控制系统中最基本的一种。反馈控制系统如图所示的框图，被控量信号反馈到控制设备的输入端，与设定值比较得 偏差是控制设备产生控制作用的依据。由反馈通道构成闭合回路。特点：Date2、前馈控制（开环）直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不 构成闭合回路，故也称为开环控制系统。由于前馈控制是一种开 环控制，

10、无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单 独应用的。根据扰动大小进行控制，扰动是控制的依据被调量没有反馈，在信号关系上没有形成闭合回路特点：3、前馈-反馈复合控制综合前馈对特定扰动及时补偿的优势，又保持反馈控制能克服 多种扰动对被控制参数的影响，使被控参数在稳态时能准确稳定在 SP的特点，综合各自优点可显著提高控制品质 Date1.4 过程控制系统的特点1、被控过程复杂性，控制要求多样对象涉及范围广，机理及特性各异，有的复杂，难以建立精确模 型；有的大惯性、大延时；有非线性特性；而有的非常迅速。要求也是多样化：2、控制方案的多样性 因为对象特性各异，要求不一，所以方案多样 如Date1

11、.4 过程控制系统的特点3、生产过程（对象）的特点多属慢过程，时间常数T和纯滞后时间较大，被 控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点；多属连续量控制；多为定值控制：减小或消除外界扰动对被控量的 影响，使被控量控制在给定值上，使生产稳定。Date1.5 过程控制系统控制品质的衡量1.5.1 对自动控制系统的基本要求 对定值控制系统和随动控制系统的性能要求不同：定值控制系统的控制要求：是克服扰动的影响，使被控变量保持在给定的范围；随动控制系统的控制要求：是使被控制量跟踪新给定值。这两类系统同样要求被控制量接近给定值。但控制要求不 完全相同，在定值控制系统中，突出的要求是克服扰动的性能 ，在扰动发生

12、以后，希望被控制量稳定、准确、快速地达到给 定值或新的平衡状态。在随动控制系统中突出的要求是跟踪性 能，希望被控制量稳定、准确、快速地跟踪新给定值。但从两类控制系统的要求中可见，“稳定、准确、快速”均 为控制系统性能优劣的评价。Date稳、准、快1、稳：对于恒值系统受扰动后能调整回原设定值；对于随动系 统能始终跟踪变化的设定值；稳定性的结构决定与外界因素 无关。当系统输入（设定值和扰动）不变时，系统能够达到 一种平衡状态（系统中各个组成环节不动作，它们的输出信 号都处于相对静止状态），则称系统是稳定的系统。2、准：用稳态误差来表示，衡量控制系统的精确程度。3、快：动态性能，对过渡过程的形式和快

13、慢提出要求。当系统输入（设定值和扰动）不变时，系统能达到一种 平衡状态（各组成环节不动作，输出信号处于相对静止状态 ），则称系统是稳定的。Date1.5.2 控制系统的运动过程1、稳态当控制系统输入系统扰动不变时，整个系统达到平衡状态， 被控参数不随时间而变化的平衡状态叫稳态或静态。（注意：各 个参数的变化率为零，并非没有物质与能量的流动，只是达到了 一种动态的平衡流入量流出量）稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系为静态特性 。 2、动态当原来处于平衡的系统受到扰动后，被控参数随时间而变化 的不平衡状态叫动态。所以，整个系统各个环节的状态和参数处于变化的过程中， 这种状态称为动态。动态过

14、程中，被控参数与控制变量之间的关 系为动态特性。Date3、控制系统的过渡过程当设定值变化或扰动作用下，系统从原来的平衡状态经历 动态过程进入（达到）另一个新的平衡状态的动态历程为过渡 过程。处于稳态的系统出现外部扰动时，平衡状态遭到破坏（流 入量流出量）被控参数偏离原来的稳态值，在控制作用下， 执行器等自动控制装置离开静态位置，产生响应的控制作用克 服扰动的影响，使系统趋于新的平衡（被控参数回到原设定值 或其附近），两个稳态中间系统的运动过程（参数变化过程） 称为系统的动态过渡过程。要评价一个过程控制系统的品质，只考察稳态（稳定运行 品质）是不够的，更重要的是要了解和掌握动态特性（扰动作 用

15、下的调节能力）。Date典型地，阶跃输入作用下定值控制系统的过渡过程的几种形式如图典型地，阶跃输 入作用下定值控制系统的过渡过程的几种形式如图1-7所示。(a)单调单调 衰减 (b)振荡荡衰减 (c)等幅振荡荡 (d)振荡发荡发 散 (e)非振荡发荡发 散Date1.5.3 过程控制系统的性能指标对于稳定的系统，控制性能指在受到外来干扰作用或给定值 发生变化后，被控量能否迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上 。稳态指标余差(静态偏差)C：系统过渡过程终了时给定 值与被控参数稳定值之差。它是一个准确性的重要指标，是一个 静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。评价控制动态性能好坏的质量指标通常

16、采用的两种质量指标： 系统过渡过程的单项性能指标综合性能指标Date1、系统阶跃响应的单项性能指标某系统的阶跃响应曲线如图所示，通常采用设定值阶跃变化时 被调量响应的曲线来定义控制系统的单项性能指标。x0 y0yx1 yy1y3yCTpTTstt0B衰减比n或衰减率 最大偏差A(或超调量) A=B+C 过渡过程时间Ts 峰值时间Tp振荡频荡频 率Date衰减比n：两个相邻邻同向波峰值值之比n取整数。是衡量系统过统过 渡过过程稳稳定性的一个动态动态 指标标，反映了振荡荡的 衰减程度。其中 y1偏离稳态值稳态值 的第一个波峰幅值值； y3偏离稳态值稳态值 的第三个波峰幅值值nl表示系统统是不稳稳定的，振幅愈来愈大。n1表示为为等幅振荡荡。n4表示系统为统为 4：1的衰减振荡荡。衰减率是经过经过