自動(dòng)化過(guò)程與儀表控制

1、第一章 過(guò)程控制基本概念教學(xué)要求：了解過(guò)程控制的發(fā)展概況及特點(diǎn)；掌握過(guò)程控制系統(tǒng)各部分作用，系統(tǒng)的組成；掌握管道及儀表流程圖繪制方法，認(rèn)識(shí)常見(jiàn)圖形符號(hào)、文字代號(hào)；學(xué)會(huì)繪制簡(jiǎn)單系統(tǒng)的管道及儀表流程圖；掌握控制系統(tǒng)的基本控制要求（穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確）； 掌握靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及過(guò)渡過(guò)程概念；掌握品質(zhì)指標(biāo)的定義，學(xué)會(huì)計(jì)算品質(zhì)指標(biāo)。重 點(diǎn)：自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及各部分的功能； 負(fù)反饋概念；控制系統(tǒng)的基本控制要求及質(zhì)量指標(biāo)。難 點(diǎn)：常用術(shù)語(yǔ)物理意義（操縱變量與擾動(dòng)量區(qū)別）；根據(jù)控制系統(tǒng)要求繪制方框圖；靜態(tài)，過(guò)渡過(guò)程概念。自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中起著十分重要的作用，自動(dòng)控制水平的高低也是衡量一

2、個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，其重要作用也越來(lái)越顯著。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制（簡(jiǎn)稱過(guò)程控制）-自動(dòng)控制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、輕工、紡織等生產(chǎn)過(guò)程的具體應(yīng)用，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。§1.1 過(guò)程控制的發(fā)展概況及特點(diǎn)一、過(guò)程控制的發(fā)展概況在過(guò)程控制發(fā)展的歷程中，生產(chǎn)過(guò)程的需求、控制理論的開(kāi)拓和控制技術(shù)工具和手段的進(jìn)展三者相互影響、相互促進(jìn)，推動(dòng)了過(guò)程控制不斷的向前發(fā)展。縱觀過(guò)程控制的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：20世紀(jì)40年代：手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測(cè)儀表用于生產(chǎn)過(guò)程，操作人員主要根據(jù)觀測(cè)到的反映生

3、產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)，用人工來(lái)改變操作條件，憑經(jīng)驗(yàn)去控制生產(chǎn)過(guò)程。20世紀(jì)40年代末50年代：過(guò)程控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)過(guò)程檢測(cè)：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動(dòng)型和電動(dòng)型）；部分生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化控制理論：以反饋為中心的經(jīng)典控制理論20世紀(jì)60年代：過(guò)程控制系統(tǒng)：串級(jí)、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)。自動(dòng)化儀表：?jiǎn)卧M合儀表（氣動(dòng)型和電動(dòng)型）成為主流產(chǎn)品60年代后期，出現(xiàn)了專門(mén)用于過(guò)程控制的小型計(jì)算機(jī)，直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域?？刂评碚摚撼霈F(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為基本特

4、征的現(xiàn)代控制理論,傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域， 、型、型20世紀(jì)7080年代：微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路制造成功且集成度越來(lái)越高（80年代初一片硅片可集成十幾萬(wàn)個(gè)晶體管，于是32位微處理器問(wèn)世），微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及應(yīng)用都促使控制系統(tǒng)發(fā)展。過(guò)程控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、模糊控制自動(dòng)化儀表：氣動(dòng)型和電動(dòng)型，以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器 (PLC) 、工業(yè)PC機(jī)、和數(shù)字控制器等，已成為控制裝置的主流。集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制分散、危險(xiǎn)分散，操作監(jiān)測(cè)和管理集中。 控制理論：形成了大系統(tǒng)理論和智能控制

5、理論。模糊控制、專家系統(tǒng)控制、模式識(shí)別技術(shù)20世紀(jì)90年代至今：信息技術(shù)飛速發(fā)展過(guò)程控制系統(tǒng)：管控一體化現(xiàn)場(chǎng)，綜合自動(dòng)化是當(dāng)今生產(chǎn)過(guò)程控制的發(fā)展方向。自動(dòng)化儀表：總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過(guò)程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過(guò)程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、無(wú)紙紀(jì)錄儀人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制二、自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范疇1.宇航方面：（現(xiàn)代控制理論）同步衛(wèi)星與地面接收站直接對(duì)應(yīng)，偏差影響收看效果（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）衛(wèi)星的發(fā)射與回收（神州3號(hào)衛(wèi)星，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)）自動(dòng)關(guān)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)2.軍事方面：火炮自動(dòng)點(diǎn)火、巡航導(dǎo)彈3.其他方面：農(nóng)業(yè)（病蟲(chóng)害防治

6、、專家系統(tǒng)）社會(huì)科學(xué)（計(jì)劃生育，人口增長(zhǎng)模型）4.現(xiàn)代管理：辦公自動(dòng)化（以計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)為主體的綜合處理與辦公活動(dòng)相關(guān)的語(yǔ)言、數(shù)據(jù)、圖像、文字等人及信息系統(tǒng)。5.工業(yè)生產(chǎn)：自動(dòng)車床、加熱爐、發(fā)酵罐三、過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)與其他自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1.生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過(guò)程都是以長(zhǎng)期的或間歇形式運(yùn)行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動(dòng)的影響。2.被控過(guò)程的復(fù)雜性 過(guò)程控制涉及范圍廣：石化過(guò)程的精餾塔、反應(yīng)器；熱工過(guò)程的換熱器、鍋爐等。被控對(duì)象較復(fù)雜：動(dòng)態(tài)特性多為大慣性，大滯后形式，且具有非線性、分布參數(shù)和時(shí)變特性。3.控制方案的

7、多樣性被控過(guò)程對(duì)象特性各異，工藝條件及要求不同， 過(guò)程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富。包括：常規(guī)PID控制、改進(jìn)PID控制、串級(jí)控制、前饋-反饋控制、解耦控制；為滿足特定要求而開(kāi)發(fā)的比值控制、均勻控制、選擇性控制、推斷控制；新型控制系統(tǒng)，如模糊控制、預(yù)測(cè)控制、最優(yōu)控制等。四、過(guò)程控制的主要內(nèi)容1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用各種檢測(cè)儀表對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄如：加熱爐溫度、壓力檢測(cè)2.自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)：當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍，自動(dòng)發(fā)出聲光信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)：達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，打開(kāi)安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車如：反應(yīng)器溫度、壓力進(jìn)入危險(xiǎn)限時(shí)，加大冷卻劑量或關(guān)閉進(jìn)料閥3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)

8、開(kāi)停車系統(tǒng)自動(dòng)操縱系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作如：合成氨造氣車間煤氣發(fā)生爐，按吹風(fēng)、上吹、下吹、吹凈等步驟周期性地接通空氣和水蒸汽自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng)：按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)的投入運(yùn)行或自動(dòng)停車4.自動(dòng)控制系統(tǒng)： 利用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，使他們?cè)谑艿酵饨鐢_動(dòng)的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)的回到規(guī)定范圍。（本書(shū)介紹的重點(diǎn)內(nèi)容）§1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成利用自動(dòng)控制裝置構(gòu)成的過(guò)程控制系統(tǒng)，可以在沒(méi)有人直接參與的條件下，使這些工藝參數(shù)能自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律變化。一、 過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)例1. 鍋爐汽包水位控制。在鍋爐正常運(yùn)行中，汽包

9、水位是一個(gè)重要的參數(shù)，它的高低直接影響著蒸汽的品質(zhì)及鍋爐的安全。水位過(guò)低，當(dāng)負(fù)荷很大時(shí)，汽化速度很快，汽包內(nèi)的液體將全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒干甚至?xí)鸨?；水位過(guò)高會(huì)影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，降低了蒸汽的質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞后續(xù)設(shè)備。蒸汽 汽包 給水 蒸汽 加熱室 液位變送汽包 控制器加熱室 給水 執(zhí)行器 （a） (b)圖1.1 鍋爐汽包水位控制示意圖眼 檢測(cè)元件（變送器）要想實(shí)現(xiàn)對(duì)汽包水位的控制，首先應(yīng)隨時(shí)掌握水位的變化情況腦 控制器 控制器將接收到的測(cè)量信號(hào)與預(yù)先規(guī)定的水位高度進(jìn)行比較。如果兩個(gè)信號(hào)不相等，表明實(shí)際水位與規(guī)定水位有偏差，此時(shí)控制器將根據(jù)偏差的大小向執(zhí)行器輸出一

10、個(gè)控制信號(hào)，手 執(zhí)行器執(zhí)行器即可根據(jù)控制信號(hào)來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)度，從而使進(jìn)入鍋爐的水量發(fā)生變化，達(dá)到控制鍋爐汽包水位的目的。2. 發(fā)酵罐溫度控制（參見(jiàn)教材P 4）發(fā)酵罐是間歇發(fā)酵過(guò)程中的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于微生物制藥、食品等行業(yè)。發(fā)酵罐的溫度是影響發(fā)酵過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)。因?yàn)槲⑸锞w本身對(duì)溫度非常敏感，只有在適宜的溫度下才能正常生長(zhǎng)代謝，而且涉及菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的酶也必須在一定的溫度下才能具有高的活性。溫度還會(huì)影響發(fā)酵產(chǎn)物的組成。因此，按一定的規(guī)律控制發(fā)酵罐的溫度就顯得非常重要。冷卻水 溫度變送控制器執(zhí)行器冷卻水 (a) (b)圖1.2 發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)示意圖影響發(fā)酵過(guò)程溫度的主要因素有微生

11、物發(fā)酵熱、電機(jī)攪拌熱、冷卻水的流量及本身的溫度變化以及周圍環(huán)境溫度的改變等。一般采用通冷卻水帶走反應(yīng)熱的方式使罐內(nèi)溫度保持工藝要求的數(shù)值。對(duì)于小型發(fā)酵罐，通常采用夾套式冷卻形式。如圖1.2（a）所示。實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵罐溫度的控制，可使用溫度檢測(cè)儀表（如熱電偶、熱電阻等）測(cè)量罐中的實(shí)際溫度，將測(cè)得的數(shù)值送入控制器,然后與工藝要求保持的溫度數(shù)值進(jìn)行比較。如果兩個(gè)信號(hào)不相等，則由控制器的輸出控制冷卻水閥門(mén)的開(kāi)度，改變冷卻水的流量，從而達(dá)到控制發(fā)酵罐溫度的目的。二、 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)一般由兩部分組成。需要控制的工藝設(shè)備或機(jī)器(被控過(guò)程) + 自動(dòng)控制裝置（反應(yīng)器、精餾塔、換熱器、壓力罐 （

12、控制器、執(zhí)行器、測(cè)量元件及變送器）儲(chǔ)槽、加熱爐、壓縮機(jī)、泵、冷卻塔）幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ)： 被控過(guò)程（對(duì)象）工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備或機(jī)器等。如鍋爐汽包，發(fā)酵罐。被控變量 被控對(duì)象中要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。如汽包水位、發(fā)酵溫度。操縱變量 受控制器操縱，用以克服擾動(dòng)的影響使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。如鍋爐給水量和發(fā)酵罐冷卻水量。擾動(dòng)量 除操縱變量外，作用于被控對(duì)象并引起被控變量變化的因素。如蒸汽負(fù)荷的變化、冷卻水溫度的變化等。設(shè)定值 被控變量的預(yù)定值。偏 差(e) 被控變量的設(shè)定值與實(shí)際值之差。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，能夠直接獲取的信息是被控變量的測(cè)量值而不是實(shí)際值，因此，通常把設(shè)定值與測(cè)量值

13、之差作為偏差。§1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)的兩種表示形式一、 方 框 圖方框圖是控制系統(tǒng)或系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的功能和信號(hào)流向的圖解表示，是控制系統(tǒng)進(jìn)行理論分析、設(shè)計(jì)中常用到的一種形式。1. 方框圖組成 方框-每一個(gè)方框表示系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分（也稱為環(huán)節(jié)），方框內(nèi)添入表示其自身特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式或文字說(shuō)明；信號(hào)線-信號(hào)線是帶有箭頭的直線段，用來(lái)表示環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系和信號(hào)的流向；作用于方框上的信號(hào)為該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，由方框送出的信號(hào)稱為該環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)。比較點(diǎn)-比較點(diǎn)表示對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算，“+”號(hào)表示相加，“-”號(hào)表示相減；引出點(diǎn)-表示信號(hào)引出， 從同一位置引出的信號(hào)在數(shù)值和性質(zhì)方

14、面完全相同。 帶有輸入輸出信號(hào)的方框 比較點(diǎn) 分支點(diǎn)圖1.3方框的組成單元示意圖系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)用一個(gè)方框來(lái)表示，四個(gè)方框分別表示：被控對(duì)象（鍋爐汽包）、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。每個(gè)方框都分別標(biāo)出各自的輸入、輸出變量。如被控對(duì)象環(huán)節(jié)，給水流量變化會(huì)引起汽包水位的變化，因此給水流量（操縱變量）作為輸入信號(hào)作用于被控對(duì)象，而汽包水位（被控變量）則作為被控對(duì)象的輸出信號(hào)；引起被控變量（汽包水位）偏離設(shè)定值的因素還包括蒸汽負(fù)荷的變化和給水管壓力的變化等擾動(dòng)量，它們也作為輸入信號(hào)作用于被控對(duì)象。圖1.4 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方框圖2. 負(fù)反饋概念：反饋通過(guò)測(cè)量變送裝置將被控變量的測(cè)量值送回到系統(tǒng)

15、的輸入端，這種把系統(tǒng)的輸出信號(hào)直接或經(jīng)過(guò)一些環(huán)節(jié)引回到輸入端的做法叫做反饋。分為和反饋-負(fù)反饋（引回到輸入端的信號(hào)是減弱輸入端作用的稱為負(fù)反饋）用“-” 號(hào)表示正反饋（引回到輸入端的信號(hào)是增強(qiáng)輸入端作用的稱為正反饋）用“+”號(hào)表示。在繪制方框圖時(shí)應(yīng)注意1. 方框圖中每一個(gè)方框表示一個(gè)具體的實(shí)物。2. 方框之間帶箭頭的線段表示它們之間的信號(hào)聯(lián)系，與工藝設(shè)備間物料的流向無(wú)關(guān)。方框圖中信號(hào)線上的箭頭除表示信號(hào)流向外，還包含另一種方向性的含義，即所謂單向性。對(duì)于每一個(gè)方框或系統(tǒng)，輸入對(duì)輸出的因果關(guān)系是單方向的，只有輸入改變了才會(huì)引起輸出的改變，輸出的改變不會(huì)返回去影響輸入。例如冷水流量會(huì)使汽包水位改變

16、，但反過(guò)來(lái)，汽包水位的變化不會(huì)直接使冷水流量跟著改變。3. 比較點(diǎn)不是一個(gè)獨(dú)立的元件，而是控制器的一部分。為了清楚的表示控制器比較機(jī)構(gòu)的作用，故將比較點(diǎn)單獨(dú)畫(huà)出。二、管道及儀表流程圖管道及儀表流程圖是自控設(shè)計(jì)的文字代號(hào)、圖形符號(hào)在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過(guò)程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工中采用的一種圖示形式。該圖在工藝流程圖的基礎(chǔ)上，按其流程順序，標(biāo)出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與連鎖保護(hù)系統(tǒng)等。由工藝人員和自控人員共同研究繪制。在管道及儀表流程圖的繪制過(guò)程中所采用的圖形符號(hào)、文字代號(hào)應(yīng)按照有關(guān)的技術(shù)規(guī)定進(jìn)行。下面結(jié)合化工部過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖形符號(hào)HG20505-92

17、，介紹一些常用的圖形符號(hào)和文字代號(hào)。1圖形符號(hào)過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)圖形符號(hào)包括測(cè)量點(diǎn)、連接線（引線、信號(hào)線）和儀表圓圈等。測(cè)量點(diǎn)測(cè)量點(diǎn) （2）連接線 (a) (b) (c)（3）儀表常規(guī)儀表圖形符號(hào)是直徑為12mm(或10mm)的細(xì)實(shí)線圓圈。執(zhí)行器執(zhí)行器的圖形符號(hào)是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的圖形符號(hào)組合而成。 2. 儀表位號(hào)在檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，構(gòu)成回路的每個(gè)儀表（或元件）都用儀表位號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。儀表位號(hào)由字母代號(hào)組合和回路編號(hào)兩部分組成。儀表位號(hào)中的第一個(gè)字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能；回路的編號(hào)由工序號(hào)和順序號(hào)組成，一般用三位至五位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，如下例所示：T RC 1 31 順序號(hào)（一般

18、用兩位數(shù)字，也可以用三位數(shù)字） 工序號(hào)（一般用一位數(shù)字，也可以用兩位數(shù)字） 功能字母代號(hào) 被測(cè)變量字母代號(hào)在管道及儀表流程圖中，儀表位號(hào)的標(biāo)注方法是：字母代號(hào)填寫(xiě)在儀表圓圈的上半圓中；回路編號(hào)填寫(xiě)在下半圓中。PI121TRC101(a)就地安裝 （b）集中盤(pán)面安裝3. 字母代號(hào)儀表信號(hào)中表示被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)見(jiàn)P9表1.3。 管道及儀表流程圖實(shí)例 二氧化碳精漿液TI PI 102102貯槽FICQ101HIC101LIC1O1 TI 101PI 101精漿液FICQ 101表示為第一工序第01個(gè)流量控制回路（帶累計(jì)指示），累計(jì)指示儀及控制器安裝在控制室。 HIC 101 表示為第一工

19、序第01個(gè)帶指示的手動(dòng)控制回路，手動(dòng)控制器（手操器）安裝在控制室。 LIC 101 表示為第一工序第01個(gè)帶指示的液位控制回路，液位指示控制器安裝在控制室。TI 102 TI 101 表示為第一工序第01、02個(gè)溫度檢測(cè)回路，溫度指示儀安裝在現(xiàn)場(chǎng)。 PI PI 101 102 表示為第一工序第01、02個(gè)壓力檢測(cè)回路，壓力指示儀安裝在現(xiàn)場(chǎng)。§1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的主要類型按系統(tǒng)功能-溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按系統(tǒng)性能-線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)；按被控變量的數(shù)量-單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)；按采用的控制裝置-常規(guī)儀

20、表控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；按控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)形式-閉環(huán)控制系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。一、 閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)-不管任何擾動(dòng)引起被控變量偏離設(shè)定值，都會(huì)產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應(yīng)能力，其應(yīng)用范圍非常廣泛。缺點(diǎn)-閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時(shí)，控制作用對(duì)擾動(dòng)的克服不及時(shí)，從而使其控制質(zhì)量大大降低。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)定值的不同形式，又可分為定值控制系統(tǒng)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1. 定值控制系統(tǒng)特點(diǎn)：設(shè)定

21、值是固定不變 作用：保證在擾動(dòng)作用下使被控變量始終保持在設(shè)定值上2. 隨動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：設(shè)定值是一個(gè)未知的變化量作用：保證在各種條件下系統(tǒng)的輸出（被控變量）以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。3. 程序控制系統(tǒng)特點(diǎn)：設(shè)定值是一個(gè)按一定時(shí)間程序變化的時(shí)間函數(shù)作用：保證在各種條件下系統(tǒng)的輸出（被控變量）以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。如：機(jī)械行業(yè)的數(shù)控車床、間歇生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制等都屬于這類控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特殊情況，其分析研究方法與隨動(dòng)控制系統(tǒng)相同。二、 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)-控制器與被控對(duì)象之間只有順向控制而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。操縱變量可以通

22、過(guò)控制對(duì)象去影響被控變量，但被控變量不會(huì)通過(guò)控制裝置去影響操縱變量。從信號(hào)傳遞關(guān)系上看，未構(gòu)成閉合回路。1. 按設(shè)定值進(jìn)行控制控制方式的原理：需要控制的是被控對(duì)象中的被控變量，而測(cè)量的只是設(shè)定值。如圖1.12(a)所示的換熱器。換熱器的工作原理是：冷物料與載熱體（蒸汽）在換熱器中進(jìn)行熱交換，使冷物料出口溫度上升至工藝要求的數(shù)值。因此，系統(tǒng)中被控變量為冷物料出口溫度，操縱變量為蒸汽流量。操縱變量與設(shè)定值保持一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)設(shè)定值變化時(shí)，操縱變量隨之變化進(jìn)而改變被控變量。 (a) (b)圖1.12 按設(shè)定值控制的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2. 按擾動(dòng)進(jìn)行控制控制方式的原理-需要控制的仍然是被控對(duì)象中的被控變量

23、，而測(cè)量的是破壞系統(tǒng)正常進(jìn)行的擾動(dòng)量。利用擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，故稱按擾動(dòng)進(jìn)行控制。 由于測(cè)量的是擾動(dòng)量，這種控制方式只能對(duì)可測(cè)的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于不可測(cè)擾動(dòng)及對(duì)象，各功能部件內(nèi)部參數(shù)的變化對(duì)被控變量造成的影響，系統(tǒng)自身無(wú)法控制。因此控制精度仍然受到原理上的限制。§1.5. 過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求一、 過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程靜態(tài)-被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸入（設(shè)定值和擾動(dòng)量）及輸出（被控變量）都保持不變，系統(tǒng)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)都不改變其原來(lái)的狀態(tài)，其輸入、輸出信號(hào)的變化率為零。而此時(shí)生產(chǎn)仍在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出。因此靜態(tài)

24、反映的是相對(duì)平衡狀態(tài)。動(dòng)態(tài)-被控變量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)當(dāng)一個(gè)原來(lái)處于相對(duì)平衡狀態(tài)的系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用的影響后，其平衡狀態(tài)受到破壞，被控變量偏離設(shè)定值，此時(shí)控制器會(huì)改變?cè)瓉?lái)的狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，改變操縱變量去克服擾動(dòng)的影響，力圖恢復(fù)平衡狀態(tài)。過(guò)渡過(guò)程-在設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)將從原來(lái)的平衡狀態(tài)經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程進(jìn)入另一個(gè)新的平衡狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)控制系統(tǒng)的好壞在靜態(tài)時(shí)是難以判別的，只有在動(dòng)態(tài)過(guò)程中才能充分反映出來(lái)。系統(tǒng)在其進(jìn)行過(guò)程中，會(huì)不斷受到擾動(dòng)的頻繁作用，系統(tǒng)自身通過(guò)控制裝置不斷地施加控制作用去克服擾動(dòng)的影響，使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)上。因此，我們對(duì)系

25、統(tǒng)研究的重點(diǎn)應(yīng)放在控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程的幾種形式在階躍信號(hào)作用下，被控變量隨時(shí)間的變化有以下幾種形式。如圖1.15 所示。圖中，Y表示被控變量。1.發(fā)散振蕩過(guò)程如圖1.15 中曲線所示，它表明系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量上下波動(dòng)，且幅度越來(lái)越大，即被控變量偏離設(shè)定值越來(lái)越遠(yuǎn)，以致超越工藝允許的范圍。2. 非振蕩衰減過(guò)程如圖1.15 中曲線所示。它表明被控變量受到擾動(dòng)作用后，產(chǎn)生單調(diào)變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間最終能穩(wěn)定下來(lái)。3.等幅振蕩過(guò)程如圖1.15 中曲線所示。 它表明系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量做上下振幅穩(wěn)定的振蕩，即被控變量在設(shè)定值的某一范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)。4.衰減振蕩過(guò)程如圖1.15 中曲線所示，它表明系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量上下波動(dòng)，且波動(dòng)的幅度逐漸減小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間最終能穩(wěn)定下來(lái)。5. 非振蕩發(fā)散過(guò)程如圖1.15 中曲線所示。它表明系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量單調(diào)變化偏離設(shè)定值越來(lái)越遠(yuǎn)，以致超出工藝設(shè)計(jì)的范圍。y t ty t ty t ty t ty t t 圖1.15 過(guò)渡過(guò)程的基本形式上面五種過(guò)程