第一章过程控制系统概述

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1、过程控制及自动化仪表过程控制及自动化仪表长沙理工大学电气与信息工程学院长沙理工大学电气与信息工程学院潘潘 维维 加加 工业生产过程工业生产过程：把原材料转变成产品，并：把原材料转变成产品，并具有一定生产规模的过程。具有一定生产规模的过程。工业生产过程工业生产过程连续生产过程（流程工业）连续生产过程（流程工业）离散制造过程（制造工业）离散制造过程（制造工业） 过程控制过程控制：根据生产过程的特点，采用自动化仪：根据生产过程的特点，采用自动化仪表，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实表，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。现工业生产过程自动化。 自动化仪表自动化仪

2、表：实现工业生产过程自动化的控制：实现工业生产过程自动化的控制设备。设备。1 1. . 自动控制系统概述自动控制系统概述1.1 1.1 控制理论及仪表发展概述控制理论及仪表发展概述1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统1.3 1.3 控制系统过度过程及品质指标控制系统过度过程及品质指标1.1 1.1 控制理论及仪表发展概述控制理论及仪表发展概述1.1.1 1.1.1 控制理论的发展控制理论的发展PID控制是经典控制理论最辉煌的成果之一。控制是经典控制理论最辉煌的成果之一。 经典控制理论经典控制理论 20世纪世纪40年代年代20世纪世纪60年代。年代。主要内容：主要内容： Nyquist（19

3、32）频域分析技术、频域分析技术、Bode（1945）图、图、W.R.Evans（1948）根轨迹分析方法。根轨迹分析方法。特点特点： 主要从输出与输入的关系分析与研究问题。以传主要从输出与输入的关系分析与研究问题。以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计。行分析与设计。适用范围适用范围： 线性定常单输入单输出控制系统。线性定常单输入单输出控制系统。 现代控制理论现代控制理论 20世纪世纪60年代年代20世纪世纪90年代。年代。主要内容：主要内容： 线性系统理论、最优控制理论、最佳估计理论、系统线性系统理论、最优控制理论、最佳

4、估计理论、系统辨识理论、自适应控制理论等。辨识理论、自适应控制理论等。特点：特点： 从输入从输入- -状态状态- -输出的关系全面地分析与研究系统。输出的关系全面地分析与研究系统。适用范围：适用范围： 线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系统，线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系统，多输入多输出系统。多输入多输出系统。 智能控制理论智能控制理论 20世纪世纪90年代当代。年代当代。主要分支主要分支： 模糊控制、神经网络控制，专家控制、学习控制、模糊控制、神经网络控制，专家控制、学习控制、人工智能控制等。人工智能控制等。特点：特点： 定量与定性、智能算法、计算机作为控制器。定量与定性、

5、智能算法、计算机作为控制器。适用范围：适用范围： 线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系统，多输入多输出等各种系统。统，多输入多输出等各种系统。1.1.2 1.1.2 自动化仪表的发展自动化仪表的发展 自动化仪表的发展自动化仪表的发展 模拟仪表：采用模拟量模拟仪表：采用模拟量0 0 10mADC, 10mADC, 4 4 20mADC20mADC 数字仪表：采用数字量。数字仪表：采用数字量。 智能仪表：采用智能算法。智能仪表：采用智能算法。 控制系统结构的发展控制系统结构的发展 基地式：基地式：20世纪世纪50年代，适用于单回路。年代，适用于单回路

6、。 单元组合式（按功能）：单元组合式（按功能）：20世纪世纪60年代，年代，DDZ, QDZ。 计算机：计算机：20世纪世纪70年代，年代，DDC, DCS。 集散控制：集散控制：20世纪世纪80年代以后，年代以后，CIPS, FCS。使用模拟仪表的控制室使用模拟仪表的控制室200MW单元机组控制室单元机组控制室早期的早期的DD C 控制系统控制系统单元机组控制室单元机组控制室现在的现在的DCS控制系统控制系统单元机组控制室单元机组控制室现在的现在的DCS控制系统控制系统单元机组控制室单元机组控制室现在的现在的DCSDCS控制系统控制系统单元机组控制室单元机组控制室地铁调度控制室地铁调度控制室

7、现在的现在的DCSDCS控制系统控制系统电网调度控制室电网调度控制室现在的现在的DCSDCS控制系统控制系统1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 (1) 观察水位数值；观察水位数值；(2) 把观察到的实际数值与把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，的大小及变化情况做出判断，并发布命令。并发布命令。(3) 根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使水位回到设定值。使水位回到设定值。例例1 1 汽包锅炉水位控制。汽包锅炉水位控制。蒸汽蒸汽省煤器省煤器汽包汽包给水给水水位计水位计 人工调节人工调节1.2.1 1.2.1 人工调节与自动调节人

8、工调节与自动调节汽包锅炉水位自动控制系统示意图汽包锅炉水位自动控制系统示意图 自动调节自动调节蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水LTLC例例2 加热炉的温度控制系统。加热炉的温度控制系统。加热炉温度自动控制系统加热炉温度自动控制系统TTTC燃油燃油被加热物料被加热物料加热炉加热炉被控过程（被控对象被控过程（被控对象）： 在自动控制系统中，在自动控制系统中，需要控制的生产过程、需要控制的生产过程、设备或机器。设备或机器。被控变量：被控变量： 被控过程内要求保被控过程内要求保持设定值的工艺参数。持设定值的工艺参数。被控过程：被控过程：汽包、省煤器及给水管道汽包、省煤器及给水管道被控变量：被控变量

9、：汽包水位汽包水位汽包锅炉水位自动控制系统示意图汽包锅炉水位自动控制系统示意图蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水LTLC常用术语：常用术语：操纵变量：操纵变量： 受控制器操纵的受控制器操纵的用以克服干扰的影响，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定使被控变量保持设定值的物料量或能量。值的物料量或能量。扰动：扰动： 除操纵变量外，除操纵变量外，作用于被控过程并引作用于被控过程并引起被控变量变化的因起被控变量变化的因素。素。操纵变量：操纵变量：给水流量给水流量扰动：扰动：给水压力、蒸汽流量等给水压力、蒸汽流量等蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水LTLC汽包锅炉水位自动控制系统示意图汽包锅炉水位

10、自动控制系统示意图设定值：设定值： 工艺参数所要求保工艺参数所要求保持的数值。持的数值。偏差：偏差： 被控变量设定值与被控变量设定值与实际值之差。实际值之差。负反馈：负反馈： 将被控变量送回输将被控变量送回输入端并与输入变量相减。入端并与输入变量相减。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水LTLC汽包锅炉水位自动控制系统示意图汽包锅炉水位自动控制系统示意图 闭环控制闭环控制 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差控制被控变量，这样整设定值进行比较，根据偏差控制被控变量，这样整个系统构成了一个闭环。个系统构成了一个闭环。闭环控制的优

11、点：按偏差进行控制，使偏差减小闭环控制的优点：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈振荡，甚至会使各环节配合不当，系统会引起剧烈振荡，甚至会使系统失去控制系统失去控制。1.2.2 1.2.2 闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制闭环控制举例：闭环控制举例：加热炉的温度自动控制系统。加热炉的温度自动控制系统。被控过程被控过程：加热炉加热炉被控变量：物料出口温度被控变量：物料出口温度操纵变量：燃油流量操纵变量：燃油流

12、量扰动：被加热的物料温度、燃油热值等扰动：被加热的物料温度、燃油热值等TTTC燃油燃油被加热物料被加热物料加热炉加热炉 开环控制开环控制 开环控制是指基于补偿原理，采用开环结构，开环控制是指基于补偿原理，采用开环结构，控制作用是外作用（设定值或扰动量）的函数。又控制作用是外作用（设定值或扰动量）的函数。又称扰动控制或前馈控制。称扰动控制或前馈控制。开环控制的优点：开环控制的优点：不需要对被控变量进行测量，不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，只根据输入信号进行控制，控制很及时。控制很及时。开环控制的缺点：开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与由于不测量被控变量，也不与设定值相比

13、较，所以系统受到扰动作用后，被控变设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差。量偏离设定值，并无法消除偏差。 汽包锅炉水位开环自动控制系统。汽包锅炉水位开环自动控制系统。开环控制举例：开环控制举例：1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水1.2.3 1.2.3 自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 闭环控制系统组成闭环控制系统组成控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值 根据系统结构的不同情况，自动控制系统分为三根据系统结构的不

14、同情况，自动控制系统分为三类类: : 反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系统。反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系统。 反馈控制系统反馈控制系统 系统的输出（被调量）反馈到系统的输入（调节系统的输出（被调量）反馈到系统的输入（调节量）所形成的控制系统称为反馈控制系统。量）所形成的控制系统称为反馈控制系统。 前馈控制系统前馈控制系统 控制系统根据扰动量或给定值的大小进行工作，控制系统根据扰动量或给定值的大小进行工作，这样的控制系统称为前馈控制系统。这样的控制系统称为前馈控制系统。 复合控制系统复合控制系统 反馈控制与前馈控制综合的控制系统称为复合控反馈控制与前馈控制综合的控制系统称为复合控制

15、系统。制系统。 1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 根据设定值的不同情况，自动控制系统分为三类根据设定值的不同情况，自动控制系统分为三类: : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统。统。 随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化且事先是不知道的，并要求系统设定值不断变化且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化，这样的控制系统称的输出（被控变量）随之而变化，这样的控制系统称为随动控制系统。为随动

16、控制系统。 程序控制系统程序控制系统 设定值是变化的但它是一个已知的时间函数，这设定值是变化的但它是一个已知的时间函数，这样的控制系统称为程序控制系统。样的控制系统称为程序控制系统。 静态：静态：当输入不变时，整个系统若能建立平衡，系统当输入不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。性。动态：动态：由于输入的变化，输出也随时间变化，在这段由于输入的变化，输出也随时间变化，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变

17、化的过时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为系统的动态。此时输入与输出程之中，这种状态称为系统的动态。此时输入与输出之间的关系称为系统的动态特性。之间的关系称为系统的动态特性。1.3 1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标1.3.1 1.3.1 静态与动态静态与动态 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另

18、一个平衡状态的过程。渡到另一个平衡状态的过程。 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统），要分析其稳定性、准确性和快速性，都是稳定系统），要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。入变化对系统来讲是比较严重的情况。 1.3.2 1.3.2 自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程定值控制系统过渡过程的几种形式定值控制系统过渡过程

19、的几种形式( (阶跃扰动阶跃扰动) ) 发散振荡发散振荡单调发散单调发散等幅振荡等幅振荡衰减振荡衰减振荡单调衰减单调衰减C(t)C(t)C(t)C(t)C(t)(a)发散振荡(b)单调发散(c)等幅振荡(d)衰减振荡(e)单调衰减ttttt 单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程） 稳定性、准确性和快速性。稳定性、准确性和快速性。1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标 综合控制指标（适用于衰减和无静差过程）综合控制指标（适用于衰减和无静差过程） 偏差绝对值积分、偏差绝对值乘时间积分、偏差绝对值积分、偏差绝对值乘时间积分、偏差平方积分

20、、时间乘偏差平方积分。偏差平方积分、时间乘偏差平方积分。 对对于于定定值值控控制制系系统统，过过渡渡过过程程的的最最大大动动态态偏偏差差是是指指阶阶跃跃扰扰动动作作用用下下被被控控变变量量第第一一个个波波的的峰峰值值与与设设定定值值之差。如图所示，最大偏差就是第一个波的峰值之差。如图所示，最大偏差就是第一个波的峰值A。 （1 1）最大动态偏差（）最大动态偏差（emax）或超调量（或超调量（ ）tyA0 最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。指标

21、。 在在随随动动控控制制系系统统中中，通通常常采采用用超超调调量量这这个个指指标标来来表表示示被被控控变变量量偏偏离离设设定定值值的的程程度度，一一般般超超调调量量以以百百分分数给出。数给出。超调量超调量： 给定值阶跃作用给定值阶跃作用时最大偏差与最终稳时最大偏差与最终稳态值之比，即态值之比，即ytBC0 衰衰减减比比是是衡衡量量过过渡渡过过程程稳稳定定性性的的动动态态指指标标，其其定定义为第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。义为第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。 （2 2）衰减比（）衰减比（n）tyBB0n1:n1:衰衰减减振振荡荡；n=1:n=1:等等幅幅振振荡荡；n1:n1

22、:发散振荡发散振荡。 n n越大，则控制系统的稳定度也越高，当越大，则控制系统的稳定度也越高，当n n趋于无穷趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。n n越小，越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低， 根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一根据实际操作经验，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到到10:1的范围内。的范围内。 衰减率：衰减率：衰减比衰减比4:14:1衰减率衰减率0.750.75衰

23、减比衰减比10:110:1衰减率衰减率0.900.90tyBB0（3 3）稳态误差（）稳态误差（e ） 稳态误差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，稳态误差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零或不超过预定的范围，其定义为控制系一般希望其为零或不超过预定的范围，其定义为控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。tyC0（4 4）过渡时间（）过渡时间（ts） 过渡时间表示控制系统过渡过程的长短，其定义为过渡时间表示控制系统过渡过程的长短，其定义为控制系统在受到阶跃扰动后，被控变量从原有稳态值达控制系统在受到阶跃扰动后，被控变量从原有

24、稳态值达到新的稳态值所需要的时间。到新的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。无限长的时间。 实际上，被控变量接实际上，被控变量接近于新稳态值的近于新稳态值的5%或或2%的范围内且不再越出的范围内且不再越出为止所经历的时间，可计为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。渡时间短一些。 (2 5)%tsty0（5 5）振荡周期（）振荡周期（T）或振荡频率（）或振荡频率（ ） 在衰减比相同条在衰减比相同条件下，周期与过渡时件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率间成正比；振荡频率

25、与回复时间成反比。与回复时间成反比。 过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期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。或工作周期，其倒数称为振荡频率。（6 6）振荡次数振荡次数 振荡次数是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。振荡次数是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。（7 7）上升时间）上升时间 上升时间是指从干扰开始到第一个波峰所需要的时间。上升时间是指从干扰开始到第一个波峰所需要的时间。Tty0例例3 3 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的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图所示。试分别求出最大偏差、衰过渡过程曲线如图所示。试

26、分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间减比、余差、过渡时间（设定值为（设定值为200200）。()()解解：(1)(1)最大偏差：最大偏差：(2)(2)余差：余差：()()(3)(3)衰减比：衰减比：( (4)4)过渡时间：过渡时间：()() 在新稳态值在新稳态值（205）两侧以限制范围两侧以限制范围4.1 为宽度画一区域，只要被控变量为宽度画一区域，只要被控变量不再不再越出越出即可。因此过渡过程为即可。因此过渡过程为22min。第第1 1章小结章小结主要指标：主要指标：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。 原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。应该优先保证。过程控制系统的组成：过程控制系统的组成：控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值