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1、过程过程控制系统控制系统的基本知识的基本知识第 一章 过程控制系统的基本知识一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成及分类及分类及分类及分类 二二二二、 过程控制系统过程控制系统过程控制系统过程控制系统过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 三、传三、传三、传三、传递函数递函数递函数递函数 四、方框图的等效变换四、方框图的等效变换四、方框图的等效变换四、方框图的等效变换 五、自动控制系统认识实习五、自动控制系统认识实习五、自动控制系统认识实习五、自动控制系统认识实习 第 一章 过程控制系统的基本知识 一一. .
2、过程控制的组成过程控制的组成 二二. . 过程控制系统的方框图及其术语过程控制系统的方框图及其术语 三三. . 过程控制系统的分类过程控制系统的分类第一节第一节 过程过程控制系统组成控制系统组成及分类及分类在锅炉正常运行中，在锅炉正常运行中，汽包液位的高低直汽包液位的高低直接影响着蒸汽的品接影响着蒸汽的品质及锅炉的安全。质及锅炉的安全。图图1-11-1所示的是锅炉所示的是锅炉汽包水位人工控制汽包水位人工控制的示意图。的示意图。 图图1-1 汽包液位人工控制汽包液位人工控制 一一. 过程控制的组成过程控制的组成操作人员所进行的工作有三方面操作人员所进行的工作有三方面: :检测检测运算、命令运算、
3、命令 执行执行 用眼睛观察玻璃管用眼睛观察玻璃管液液位计液位的高位计液位的高低低, ,并通过神经系统告诉大脑并通过神经系统告诉大脑. .大大脑脑根根据据眼眼睛睛看看到到的的液液位位高高度度, , 加加以以思思考考分分析析, , 然然后后根根据据操操作作经经验验, ,经思考决策后发出命令。经思考决策后发出命令。 根据大脑发出的命令根据大脑发出的命令 , , 通过通过双双手去手去改变阀门开度改变阀门开度. .自动化装置的三个部分分别是自动化装置的三个部分分别是 ：测量元件与变送器测量元件与变送器控制器控制器执行器（控制阀）执行器（控制阀）( (图片图片图片图片) )( (图片图片图片图片) )(
4、(图片图片图片图片) )图图1-2 1-2 锅炉汽包水位自动控制示意图锅炉汽包水位自动控制示意图 图图1-3 1-3 锅炉汽包水位过程控制原理图锅炉汽包水位过程控制原理图 液位变送器液位变送器带电气阀门定位器的气动薄膜控制阀带电气阀门定位器的气动薄膜控制阀 1自动控制系统自动控制系统的术语的术语 2 自动控制系统方自动控制系统方框框图图 3 反馈反馈 二. . 自动控制系统方块图及其术语 (1)(1)(1)(1)被控变量被控变量被控变量被控变量 y y y y(2)(2)(2)(2)干干干干扰扰扰扰( ( ( (或扰动或扰动或扰动或扰动) ) ) )作用作用作用作用 f f f f被控变量是表
5、征生产设备或被控变量是表征生产设备或过程运行过程运行状况状况, ,需要加以控制需要加以控制的的变变量量. .在生产过程中在生产过程中, ,凡是影响被控凡是影响被控变量的各种外来因素都叫干变量的各种外来因素都叫干扰扰( (或或扰动扰动) )作用作用. .(3)(3)(3)(3) 操纵变量操纵变量操纵变量操纵变量 q q在控制系统中，在控制系统中，在控制系统中，在控制系统中，具体实现控具体实现控具体实现控具体实现控制作用的变量叫做操纵变量。制作用的变量叫做操纵变量。制作用的变量叫做操纵变量。制作用的变量叫做操纵变量。(4)(4)(4)(4)设定值设定值设定值设定值 x x x x设定值是一个与设定
6、值是一个与工艺工艺要要求的求的 ( ( 期望的期望的 ) ) 被控被控变量相对应的信号值。变量相对应的信号值。(5)(5)(5)(5)偏差值偏差值偏差值偏差值 e e e e控制系统中控制系统中, ,规定偏差值是规定偏差值是设定值与测量值之差设定值与测量值之差, , 即即e e = x - z = x - z 。指出什么是被控变指出什么是被控变量量?操纵变量操纵变量?干扰干扰?控制器控制器控制阀控制阀被控对象被控对象给定值给定值X测量值测量值Zepq被控被控变量变量y干扰干扰图图1-5 控制系统的方控制系统的方框框图图测量变送器测量变送器2 2 自动控制系统方自动控制系统方自动控制系统方自动控
7、制系统方框框框框图图图图 把系统把系统 ( ( 或环节或环节 ) ) 的输出信号直接或经过一的输出信号直接或经过一些环节又些环节又引引回到输入端的做法叫做回到输入端的做法叫做反馈反馈。按被控变量分类按被控变量分类按开闭环分类按开闭环分类按给定值分类按给定值分类定值控制系统定值控制系统定值控制系统定值控制系统: : : :给定值恒定给定值恒定随动控制系统随动控制系统随动控制系统随动控制系统: : : :给定值随机变化给定值随机变化程序控制系统程序控制系统: : 给定值按一定规律变化给定值按一定规律变化温度控制系统温度控制系统压力控制系统压力控制系统流量控制系统流量控制系统液位控制系统液位控制系统
8、开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统 一一. 控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态 二二. 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 三三. 控制系统的控制系统的品品质指标质指标 四四. 影影响响控制系统过渡过程控制系统过渡过程品品质的主要因素质的主要因素 第二节第二节 控制系统的过渡过程和品质指标控制系统的过渡过程和品质指标静态：静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态被控变量不随时间而变化的平衡状态动态：动态：被控变量随时间变化的不平衡状态被控变量随时间变化的不平衡状态一一. . 控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态定义定义: :系统由一个平衡状态过系统由一个平衡状态过渡渡到
9、另到另一一个平衡状个平衡状态的过程态的过程 , , 称为系统的过渡过程。称为系统的过渡过程。 二. 控制系统的过渡过程 图图图图1-9 1-9 过渡过程的几种基本形式过渡过程的几种基本形式过渡过程的几种基本形式过渡过程的几种基本形式 自动控制系统在阶跃干扰作用下的过自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡渡过程有过程有以下以下所所示的几种基本形式示的几种基本形式。非周期衰减非周期衰减过程过程衰减振荡过程衰减振荡过程等幅等幅振荡过程振荡过程发散发散振荡过程振荡过程第二节第二节 传递函数传递函数一、传递函数的定义一、传递函数的定义G(S)X(S)Y(S)Y(S=X(S)G(S)如何进行拉氏变换如何进行拉
10、氏变换?Y(t) Y(S)X(t) X(S)dy/dtsy(s)xdtX(s)/s（1 1）比例环节比例环节比例环节比例环节 又称又称放大环节放大环节放大环节放大环节或或无惯性环节无惯性环节无惯性环节无惯性环节。 数学表达式：数学表达式：数学表达式：数学表达式： 传递函数为：传递函数为：传递函数为：传递函数为：（2 2）积分环节积分环节积分环节积分环节 数学表达式：数学表达式：数学表达式：数学表达式： 传递函数为：传递函数为：传递函数为：传递函数为： （3 3 3 3）微分环节）微分环节）微分环节）微分环节 数学表达式数学表达式数学表达式数学表达式： 传递函数为传递函数为传递函数为传递函数为：
11、 （4 4 4 4）一阶滞后环节）一阶滞后环节）一阶滞后环节）一阶滞后环节 又称又称惯性环节惯性环节惯性环节惯性环节 数学表达式：数学表达式：数学表达式：数学表达式： 传递函数为：传递函数为：传递函数为：传递函数为： 为为时间常数时间常数时间常数时间常数， 为为环节放大系数环节放大系数环节放大系数环节放大系数。（4 4）一阶滞后环节）一阶滞后环节 又称又称惯性环节惯性环节惯性环节惯性环节 数学表达式：数学表达式：数学表达式：数学表达式： 传递函数为：传递函数为：传递函数为：传递函数为： 式中式中K K K K为为时间常数时间常数时间常数时间常数，T T T T为为环节放大系数环节放大系数环节放
12、大系数环节放大系数。（5 5）二阶滞后环节）二阶滞后环节 数学表达式：数学表达式：数学表达式：数学表达式： 传递函数为：传递函数为：传递函数为：传递函数为：（6 6）纯滞后环节）纯滞后环节 又称又称延迟环节延迟环节 数学表达式数学表达式数学表达式数学表达式： 传递函数为传递函数为传递函数为传递函数为： ( (一一一一) )、环节基本组合及其传递函数、环节基本组合及其传递函数、环节基本组合及其传递函数、环节基本组合及其传递函数1.串联串联Y2(S)Y(S)Y1(S)X(S)G1(S)G1(S)G2(S)G2(S)G3(S) Y (S)=Y2(S) G3(S) =Y1(S) G2(S) G3(S)
13、 =X(S) G1(S) G2(S) G3(S) G(S)=G1(S) G2(S) G3(S)结论结论结论结论: :串联环节的等效传递函数为串联各环节传递函数的乘积串联环节的等效传递函数为串联各环节传递函数的乘积串联环节的等效传递函数为串联各环节传递函数的乘积串联环节的等效传递函数为串联各环节传递函数的乘积Y (S)X(S)G (S)二二.方框图的等效变换方框图的等效变换2.2.并联并联并联并联Y (S)Y (S)X(S)X(S)G (S)G (S)G1(S)G2(S)G3(S)X(S)Y(S)Y1(S)Y2(S)Y3(S) Y (S)=Y1(S)+Y2(S)+Y3(S)Y (S)=Y1(S)
14、+Y2(S)+Y3(S) =X(S)G1(S)+X(S)G2(S)+X(S)G3(S)=X(S)G1(S)+X(S)G2(S)+X(S)G3(S) =X(S) =X(S) G1(S)+G2(S)+G3(S) G1(S)+G2(S)+G3(S) G(S)=G1(S)+G2(S)+G3(S)G(S)=G1(S)+G2(S)+G3(S)结论结论结论结论: : 并联环节的等效传递函数为并联各环节传递并联环节的等效传递函数为并联各环节传递并联环节的等效传递函数为并联各环节传递并联环节的等效传递函数为并联各环节传递 函数的和函数的和函数的和函数的和. .Y (S)Y (S)X(S)X(S)G (S)3.3
15、.负反馈连接负反馈连接负反馈连接负反馈连接G1(S)Z(S)H(S)X(S)Y(S)E(S) Y (S)=E(S)G1(S)Y (S)=E(S)G1(S) E(S)=X(S)-Z(S)E(S)=X(S)-Z(S) Z(S) =Y (S) H(S)Z(S) =Y (S) H(S) G(S)=G1(S)/1+G1(S) H(S)G(S)=G1(S)/1+G1(S) H(S) 负负反馈环节的等效传递函数为正向通道传函反馈环节的等效传递函数为正向通道传函 除以除以1+正向通道传函乘以反馈通道传函正向通道传函乘以反馈通道传函.结论结论结论结论: :G2(S)H(S)Y(S)X(S)G1 G1 (S)(S)求下列环节等效传递函数求下列环节等效传递函数求下列环节等效传递函数求下列环节等效传递函数Y(S)/X(S)Y(S)/X(S)G1(S)G2(S)G3(S)X(S)Y (S)G4 (S)G1(S)G2(S)G3(S)X(S)G4(S)Z(S)H(S)Y(S)
