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1、主 讲： 王 庆,过程装备控制,东北大学机械工程与自动化学院 真空与流体工程研究所,课程性质:自动化技术在过程装备的应用(考试课) 对象: 过程装备与控制专业本科,48学时： 授课40学时，实验4学时（2个实验） 考核： 期末闭卷考试 成绩： 考试80%+实验20%,课程特点,课程内容涵面广,自动控制原理,检测技术,控制仪表及装置,过程计算机控制,真空与化工过程控制实例,集散控制系统,内容以叙述性为主，理论推导较少,化工仪表及自动化例题习题集 厉玉鸣 化学工业出版社 工业过程仪表与控制 陈诗涛 轻工业出版社 自动控制原理 李友善 国防工业出版社 化工测量仪表 盛克仁 化学工业出版社 控制仪表及
2、装置 吴勤勤 化学工业出版社 控制仪表与装置 向婉成 机械工业出版社 化工过程控制工程 王骥程 化学工业出版社 过程控制工程 邵裕森 机械工业出版社 计算机过程控制系统 刘宝坤 机械工业出版社 过程计算机控制 王锦标 清华大学出版社,参考文献,第1章,1.1 自动控制概述,过程控制系统的发展状况及特点,生产过程自动控制,自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。,生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工、
3、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。,过程控制系统的发展状况及特点,过程控制系统发展状况,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。 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 自动化仪表：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）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论,过程控制系统的发展状况及特点,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
4、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。,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7080年代,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。,过程控制系统的发展状况及特点,过程控
5、制系统的发展状况及特点,控制理论：人工智能、神经网络控制,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,过程控制系统的发展状况及特点,过程控制系统特点,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。 被控过程的复杂性 过程控制涉及范围广，被控对象较复杂 控制方案的多样性 过程
6、控制系统的控制方案非常丰富,自动化技术的应用范畴,宇航方面： 同步卫星（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州5号飞船，航天飞机）自动关机、点火系统 军事方面： 火炮自动点火、巡航导弹 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） 现代管理：办公自动化 工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐,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 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 自动控制系统： 利用自动控制装置对生产中某些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
7、自动的回到规定范围。,过程控制的主要内容,过程控制系统的组成,过程控制系统,检测元件（装置）,控制器,执行器（装置）,检测被控制的物理量,将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间 的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计 算并将计算结果作为控制信号送给执行装置,作用是接受控制器的控制信号，直 接推动被控对象，使被控变量发生 变化,被控对象,要控制的的具体设备如加热炉，反应器,过程控制系统的表示形式,方框图,方框、信号线、比较点、引出点,组成,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,带有输入输出信号的方框 比较点 分支点,绘制方框图注意事项,过程控制系统的表示形式,通过测量变送装置将
8、被控变量的测量值送回到系统的输入端,反馈,负反馈,正反馈,过程控制系统的主要类型,闭环控制系统,指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。,闭环控制系统的优点：,不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会 产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。,闭环控制系统的缺点：,由于闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。,过程控制系统的主要类型,闭环控制系统分类,根据设定值分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。,定值控制系统,特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。,作用：
9、克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上,过程控制系统的主要类型,随动控制系统,特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。,作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化,自动平衡电位差计的方框图,过程控制系统的主要类型,程序控制系统,特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数,程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。,作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化,过程控制系统的性能指标及要求,常见典型信号,阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。,阶跃信号,数学表达式为：,当A=1时称为单位阶跃信号。,特 点,
10、易产生 对系统输出影响大 便于分析和计算,在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式,1.发散振荡过程曲线所示,5.非振荡发散过程曲线所示,3.等幅振荡过程曲线所示,4.衰减振荡过程曲线所示,2.非振荡衰减过程曲线所示,过程控制系统的性能指标及要求,评价方法： 1阶跃响应曲线的性能指标 2偏差积分性能指标,过程控制系统的性能指标及要求,阶跃响应曲线的性能指标,余差（静态偏差）C 指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。 描述系统稳态特性的唯一指标 一般要求余差不超过预定值或为零。,衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。,衰减比
11、n=B1/B2,控制系统的品质指标示意图,根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。 衰减率：U=(B1-B2)/B1 衰减比4:1衰减率0.75 衰减比10:1衰减率0.90,n1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:等幅振荡。 n1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，,最大偏差A（或超调量） 最大偏差A是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差 超调量：,过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值
12、5%（或2%）的范围内所经历的时间。 一般要求ts愈短愈好。,振荡频率（或振荡周期）,定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。,某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、振荡周期、过渡时间（设定值为200）。,(),(1)最大偏差：,(3)衰减比：,(2)余差：,(),(),(),第一个波的峰值,第二个波的峰值,衰减比,(5)过渡时间：,(4)振荡周期：,过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为 ，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为,(),那么，在新稳态值（205）两侧以限制范围
13、为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min.,性能指标之间的关系,有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间） 对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。 应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。,偏差积分性能指标,偏差绝对值积分（Integral of Absolute Error:IAE） 适用于衰减和无静差系统,偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE） 用以降低初始大误差对性能指标的影响； 同时强调了过渡过程后期的误差对指标的影响。,偏差平方值积分（ Integral of Squared Error: ISE）,时间乘偏差平方积分（ITSE）,本章完,
