第1章过程控制基本概念

《第1章过程控制基本概念》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章过程控制基本概念（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、过程装备控制技术,李臻峰 18801809889 机械工程学院 B211,2,2018/11/8,讲课: 28学时（第9-15）(18学时过程控制，10学时PLC) 实验: 4学时 (第16周 时间？） 安排:上课,课堂讨论,习题,实验,课程设计 立即复习: 拉普拉斯变换 (提问、考试),3,2018/11/8,本课程的考核: 平时 (出勤、回答问题、作业等） 15% 实验 15% 期末考试 70%,4,2018/11/8,主要参考文献： 1.张早校主编，过程控制装置及系统设计.北京：北京大学出版社，2010.8 （第1、2、3、4章） 2.邓则民， 程良伦， 谢光汉 编，电器与可编程控制器应

2、用技术. 机械工业出版社，2008年10月 （第四、九、十一章）,第1章 基本概念,The Basic Concept of Control Systems 过程控制：连续量的控制 过程自动化 自动控制,反导系统 Missile Defense System,弹道导弹防御系统(ballistic missile defense system )，拦截敌方来袭的战略弹道导弹的武器系统。它包括弹道导弹预警系统、 目标识别系统、 反弹道导弹导弹、引导系统和指挥控制通信系统。反弹道导弹导弹是防御系统的拦截器，按拦截空域分为高空（大气层外）和低空（大气层内）拦截导弹。它是在地空导弹的基础上发展起来的，通

3、常是两级或三级有翼导弹，由发射井垂直发射，以对付全方位来袭的战略导弹。,6,2018/11/8,7,2018/11/8,8,2018/11/8,9,2018/11/8,10,2018/11/8,教学目标,通过本章的学习，了解过程自动化的主要内容并复习掌握一些基本概念。了解过程自动控制系统的组成、方框图、分类、过渡过程及其品质指标以及过程控制系统设计研究的基本内容。通过具体实例能够将理论与实际问题相对应，有助于更好的理解本章的内容。 PLC 、Process control、 Microprocessor、Embedded system （食品工业、汽车、钢铁、化工）,11,2018/11/8,

4、问题的提出 自动控制在实际过程中是如何进行的？ 如何设计一个性能良好的自动控制系统？ 除了自动控制原理，还需要了解哪些知识？ 对于复杂的过程对象，如何实施有效控制？ 现代化的工厂是如何自动控制的？ 。,12,2018/11/8,13,2018/11/8,14,2018/11/8,15,2018/11/8,16,2018/11/8,引例 （钢厂抡大铁锹-西门子自动化 漫灌-滴灌 熬稀饭-化工反应罐）,随着工业生产过程向大型化、规模化、集成化方向的发展，对生产过程的性能要求越来越高。 此外，随着资源的枯竭，以及日益严峻的环保和安全生产形势，对过程工业提出了更高的指标要求，由此导致一个现代化的过程生

5、产工厂在运行操作方面变得越来越复杂。 为此，采用安全可靠高效的过程控制装置实现对过程生产的优化控制就显得尤为重要。 从理论和实践方面掌握过程控制知识，了解过程检测与控制装置的基本工作原理以及过程控制的基本理论，对于从事过程工业生产及相关产品设计开发的人员具有重要意义。,17,2018/11/8,1.1 过程自动化的主要内容,过程工程：在各种各样的生产过程中，其具体的操作步骤以及流程等。 过程控制工程：工业中的过程控制是指对工业的生产过程中如温度、压力、流量、液位和成分(与离散量比较)等工艺参数加以要求，采用一定的方法对上述工艺参数加以调节控制，使得各个参数在生产过程中保持在所要求的（空调温度控

6、制随季节不同；外部温度随季节也不同）范围内。,18,2018/11/8,成本（便宜是首位）、产品标准化,过程自动化：是指在工业生产中广泛采用各种自动控制、自动检测和自动调节装置，对生产过程进行自动测量、检验、计算、控制、监视等，以代替“人”来操纵机器设备。 过程自动化一般包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动调节等方面的内容。（熬稀饭-化工罐） 人工-机器，哪个便宜用哪个。近10几年来世界生产力的部分倒退。 一个新技术应用到工业中的基本条件：设备成本、产品质量、长期稳定性 世界工业水平的阶梯分布,19,2018/11/8,1.1 过程自动化的主要内容,工业生产中对过程控制的要求总体上可以归纳为

7、三项基本要求：即安全性（爆炸、低温、粉尘）、经济性（成本）和稳定性（不容易损坏）。 过程自动化一般多用于产品结构较先进、工艺稳定、批量大、需要节约大量劳动力的工业生产，以及危险性场合的生产活动中。过程控制装置是生产过程自动化的核心内容部分，是实现过程自动化的硬件条件。 过程自动化在工业生产和科学技术发展中起到了越来越重要的作用。而过程自动化的程度已经成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。,20,2018/11/8,1.2 自动控制系统的组成,在日常的工业生产过程中，所有的生产过程都是在相应的温度、压力、流量、浓度、成分、厚度和液位等工艺条件下进行的。 因此，为了满足相对应的工艺要求，就必须

8、对其生产过程加以控制，使其能够稳定在保证生产要求的范围之内进行。 为了实现控制的要求，可以对其过程采用自动控制。,21,2018/11/8,1.2 自动控制系统的组成,下面以锅炉燃烧过程为例，来说明其自动控制系统的组成。,图1-1 锅炉燃烧控制系统框图,22,2018/11/8,1.2 自动控制系统的组成,锅炉燃烧过程自动控制系统有三大任务 第一，维持汽压恒定 第二，保证燃烧过程的经济性 第三，调节引风量与送风量以保证炉膛压力不变 锅炉燃烧控制系统一般有三个被控变量 蒸汽压 烟气含氧量 炉膛负压 一般有三个操纵变量 燃料量 送风量 引风量,23,2018/11/8,1.2 自动控制系统的组成,

9、完整的过程自动控制系统中各部分定义（锅炉、导弹） （过程）自动控制 （过程）自动控制系统 被控对象 测量元件和变送器 调节器 执行器 被控变量c(t) 给定值r(t) 测量值b(t) 操纵变量m(t) 干扰d(t) 偏差信号e(t),24,2018/11/8,25,2018/11/8,1.2 自动控制系统的组成,例1-1 图1-2所示为某厂的自力式储槽水位控制系统。其中储槽为被控对象；储槽中的水的液位为被控变量；进水流量为操纵变量。,图1-2 储槽水位控制系统,26,2018/11/8,1.2 自动控制系统的组成,在该系统中，当出水量突然增大时，出水量大于进水量，使水位下降，浮球下移，通过杠杆

10、装置带动针形阀下移，增大了进水量，使得出水量与进水量之差随之减小，水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定在某一位置，从而实现了水位自动控制。,27,2018/11/8,1.3 自动控制系统的方框图,在研究控制系统的过程中，为了能够更清楚更直观地表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息的联系，一般采用方框图来表示控制系统的组成以及每部分的作用。 所谓方框图就是表示系统各单元、部件之间（电）信号传递关系的一种数学图示模型，这是控制理论中描述复杂系统的一种简便方法。 方框图适用于线性和非线性系统。,28,2018/11/8,1.3 自动控制系统的方框图,方框图的组成和

11、绘制 方框图由信号线、分支点、相加点和方框图单元组成。,图1-3 方框图的基本组成单元,29,2018/11/8,1.3 自动控制系统的方框图,图1-3（d）中的方框图单元表示对信号进行拉普拉斯变换（拉氏变换），其输出量等于方框图单元的输入量与传递函数的乘积，即 传递函数定义为零初始条件下系统（或环节）的输出拉普拉斯变换与输入拉普拉斯变换之比。,30,2018/11/8,1.3 自动控制系统的方框图,环节的基本连接形式 串联 并联 反馈连接,图1-4 串联环节,图1-5 并联环节,图1-6 反馈连接,31,2018/11/8,1.3 自动控制系统的方框图,串联 根据图1-4可以得出以下的等式：

12、 由此，可以推得下面的函数： 因此，整个环节的传递函数为：,32,2018/11/8,1.3 自动控制系统的方框图,并联 并联环节输入量都相同，输出量的代数和作为环节组的输出。每个环节的输入量都等于X(s),环节组的总输出为 又因为 故 因此并联环节的传递函数为,33,2018/11/8,1.3 自动控制系统的方框图,反馈连接 在图1-6的反馈连接中，反馈连接环节总的传递函数G(s)的输出Y(s)在经过环节H(s)后成为反馈信号B(s),反馈信号又送到环节G(s)的输入端。在信号的合点上有： 即有 正反馈连接环节组成的传递函数，那么其分母是1-G1(s)H(s)。,34,2018/11/8,1

13、.3 自动控制系统的方框图,闭环控制系统的方框图 闭环控制系统是指在控制系统中将被控量反馈到系统输入端，对控制作用产生影响的一类控制系统。 R(s)表示给定输入量 D(s)表示扰动输入量 C(s)表示被控量 E(s)称为误差 G1(s)和G2(s)表示前向通道的传递函数 B(s)称为反馈 H(s)为反馈通道传递函数,图1-7 闭环控制系统方框图,35,2018/11/8,1.4 自动控制系统的分类,按给定值变化规律分类 恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统 按控制作用的形式分类 连续控制系统、离散控制系统以及继电作用控制系统 按系统的特性分类 线性控制系统和非线性控制系统 按系统参数是否随

14、时间变化分类 定常系统和时变系统 按控制系统的结构分类 闭环控制系统、开环控制系统和复合控制系统 按控制系统闭环回路的数目分类 单回路控制系统和多回路控制系统,自适应控制系统 预测控制系统 鲁棒控制系统 专家系统 模糊控制 人工神经网络 学习控制,36,2018/11/8,37,2018/11/8,1.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标（微波）,在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态(也称静态)； 被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。 当一个自动控制系统的输入(设定值与干扰)和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对平衡状态，即上面所讲的稳态。 当系统受到干

15、扰作用，平衡被破坏，使被控变量发生改变，系统的各个环节和输出信号都处于变动状态之中，这种状态就称为系统的动态。,38,2018/11/8,1.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标,自动控制系统的过渡过程 自动控制系统在动态过程中，被控变量随时间变化的过程称为自动控制系统的过渡过程或控制过程，也就是系统从一个平衡状态过渡到另一平衡状态的过程。 稳定的过渡过程 不稳定的过渡过程,图1-15 控制系统过渡过程几种基本形式曲线,39,2018/11/8,1.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标（股票、房产）,过渡过程的品质指标 衰减比：过渡过程曲线同方向的前后相邻两个波的幅值之比 余差：过渡过程结束后

16、，被控变量新的稳态值与设定值之差 最大偏差：整个过渡过程中，被控变量偏离设定值的最大值 过渡过程时间：从干扰使被控变量开始变化起，到控制系统又建立新的平衡状态，被控变量又重新稳定为止所经历的这段时间 振荡周期与振荡频率：过渡过程曲线从第一个波峰到第二个波峰之间的时间称为振荡周期，其倒数称为振荡频率,图1-16 过渡过程品质指标示意图,40,2018/11/8,1.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标（文章9）,对自动控制系统的性能基本要求 自动控制系统的基本任务是：根据被控对象和环境的特性，在各种扰动因素作用下，使系统的被控量能够按照预定的规律变化。 对于恒值系统来说，要求系统的被控量维持在期望值附近；对于随动控制系统而言，要求系统的被控量紧紧跟随输入量的变化。 稳定性：决定一个控制系统能否实际应用的首要条件 准确性：衡量系统稳态精度的重要指标 快速性：抗扰动时间,41,2018