第一章過程控制系統(tǒng)基本概念

1、2022-3-171過程控制系統(tǒng)的基本概念過程控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章2022-3-1721-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式過程控制系統(tǒng)組成和表示形式本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容1-2過程控制系統(tǒng)主要類型過程控制系統(tǒng)主要類型1-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求2022-3-1731. 1. 了解過程控制系統(tǒng)的分類及特點；了解過程控制系統(tǒng)的分類及特點；2. 2. 理解過程控制系統(tǒng)常用的術(shù)語概念；能看懂簡單的理解過程控制系統(tǒng)常用的術(shù)語概念；能看懂簡單的管道及儀表流程圖；控制系統(tǒng)的基本控制要求及質(zhì)管道及儀表流程圖；控制系統(tǒng)的基本控制要求及質(zhì)量指標。量指標。3. 3. 掌握掌

2、握過程控制系統(tǒng)組成及各部分作用，方框圖的組過程控制系統(tǒng)組成及各部分作用，方框圖的組成及繪制；成及繪制；重點重點：過程控制系統(tǒng)組成及各部分的功能；方框圖繪制；：過程控制系統(tǒng)組成及各部分的功能；方框圖繪制；質(zhì)量指標。質(zhì)量指標。難點：常用術(shù)語的理解；方框圖的繪制難點：常用術(shù)語的理解；方框圖的繪制2022-3-174一、過程控制系統(tǒng)定義一、過程控制系統(tǒng)定義過程控制：過程控制：工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產(chǎn)過程自動控制。過程自動控制。過程控制系統(tǒng)：過程控制系統(tǒng)：在工業(yè)生產(chǎn)中在沒有人直接參與的條件下，在工業(yè)生產(chǎn)中在沒有人直接參與的條件下，工藝參數(shù)能自動

3、按照預(yù)定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。工藝參數(shù)能自動按照預(yù)定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。實例實例過程控制的作用：過程控制的作用：1 1、實現(xiàn)最優(yōu)技術(shù)指標，提高產(chǎn)品質(zhì)量。、實現(xiàn)最優(yōu)技術(shù)指標，提高產(chǎn)品質(zhì)量。2 2、提高經(jīng)濟效益、提高經(jīng)濟效益3 3、提高勞動生產(chǎn)率、提高勞動生產(chǎn)率4 4、改善勞動條件、改善勞動條件5 5、保護環(huán)境、保護環(huán)境1-1過程控制系統(tǒng)組成和表示形式過程控制系統(tǒng)組成和表示形式第一章第一章123分鐘分鐘.wmv2022-3-175圖圖1-1 1-1 鍋爐汽包水位控制示意圖鍋爐汽包水位控制示意圖2022-3-176被控過程被控過程（對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要（對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝

4、參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程設(shè)備或機器?？刂频纳a(chǎn)過程設(shè)備或機器。被控變量被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。二、過程控制系統(tǒng)組成二、過程控制系統(tǒng)組成給定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值。給定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值。 操縱變量操縱變量：受控制器操縱，用以克服干擾的影響使被：受控制器操縱，用以克服干擾的影響使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量（流過控制閥介質(zhì)控變量保持設(shè)定值的物料量或能量（流過控制閥介質(zhì)的流量）。的流量）。擾動量：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控擾動量：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素（使被控變量偏離給定值）。變

5、量變化的因素（使被控變量偏離給定值）。 1 1、控制系統(tǒng)常用術(shù)語（、控制系統(tǒng)常用術(shù)語（教材教材P4P4）偏差：測量值與設(shè)定值之差。偏差：測量值與設(shè)定值之差。 2022-3-1772 2、控制系統(tǒng)構(gòu)成、控制系統(tǒng)構(gòu)成一個簡單的過程控制系統(tǒng)由一個簡單的過程控制系統(tǒng)由被控對象被控對象、測量變送器、測量變送器、控制器、執(zhí)行器控制器、執(zhí)行器四個基本環(huán)節(jié)所組成。四個基本環(huán)節(jié)所組成。 被控對象被控對象是生產(chǎn)過程中被控制的工藝設(shè)備或裝置；是生產(chǎn)過程中被控制的工藝設(shè)備或裝置； 測量變送器測量變送器 是把被控變量轉(zhuǎn)化為測量值；是把被控變量轉(zhuǎn)化為測量值； 控制器控制器是將設(shè)定值與測量信號進行比較獲得偏差，按某是將設(shè)定

6、值與測量信號進行比較獲得偏差，按某種預(yù)定的控制規(guī)律計算，將計算結(jié)果作為控制信號送執(zhí)種預(yù)定的控制規(guī)律計算，將計算結(jié)果作為控制信號送執(zhí)行器。比較機構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制行器。比較機構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器；器； 執(zhí)行器執(zhí)行器 是接受控制器的控制信號，相應(yīng)地去改變操縱變是接受控制器的控制信號，相應(yīng)地去改變操縱變量量2022-3-178三、過程控制系統(tǒng)的表示形式三、過程控制系統(tǒng)的表示形式 方框圖組成：方框圖組成：方框方框 、信號線信號線 、比較點、分支點比較點、分支點作用作用:見教材見教材P51、方框圖、方框圖設(shè)定值設(shè)定值偏差偏差控制控制作用作用操縱操縱變量變量被控變量被控

7、變量測量值測量值 控制器控制器 執(zhí)行器執(zhí)行器被控被控對象對象檢測元件檢測元件 變送器變送器圖圖1-2 1-2 控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖擾動量擾動量比較點比較點2022-3-179實例：實例：鍋爐汽包鍋爐汽包就是被控對象就是被控對象繪制方框圖時應(yīng)注意幾點：繪制方框圖時應(yīng)注意幾點：（1 1）方框圖中每一個方框表示一個具體的實物。）方框圖中每一個方框表示一個具體的實物。（2 2）方框之間帶箭頭的線段表示它們之間的信號聯(lián)系，與）方框之間帶箭頭的線段表示它們之間的信號聯(lián)系，與工藝設(shè)備間物料的流向無關(guān)。工藝設(shè)備間物料的流向無關(guān)。 （3 3）比較點不是一個獨立的元件，而是控制器的一部分。）比較點不是一個

8、獨立的元件，而是控制器的一部分。 圖圖1.3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方框圖鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方框圖2022-3-1710 管道及儀表流程圖是自控設(shè)計的文字代號、圖形符號管道及儀表流程圖是自控設(shè)計的文字代號、圖形符號在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過程控制的原理圖，是控制在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設(shè)計、施工中采用的一種圖示形式。是在工藝流系統(tǒng)設(shè)計、施工中采用的一種圖示形式。是在工藝流程圖的基礎(chǔ)上，按其流程順序，標出相應(yīng)的測量點、程圖的基礎(chǔ)上，按其流程順序，標出相應(yīng)的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護系統(tǒng)等?？刂泣c、控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護系統(tǒng)等。 2、管道及儀表流程圖

9、、管道及儀表流程圖 圖圖1.4 1.4 鍋爐汽包管道及儀表流程圖鍋爐汽包管道及儀表流程圖 圖圖1.5 1.5 發(fā)酵罐管道及儀表流程圖發(fā)酵罐管道及儀表流程圖 實例：實例：定義：定義：2022-3-17111-2過程控制系統(tǒng)主要類型過程控制系統(tǒng)主要類型按控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)形式按控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)形式-閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)和和開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。重點介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)重點介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)1 1、閉環(huán)控制系統(tǒng)：、閉環(huán)控制系統(tǒng)：（視頻播放：（視頻播放：2 20101：49274927） 定義：定義：閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間既有順向控閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向

10、聯(lián)系的控制系統(tǒng)；凡是系統(tǒng)的輸入端和輸出端制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)；凡是系統(tǒng)的輸入端和輸出端之間存在反饋支路，使得輸出變量對控制作用有直接影響之間存在反饋支路，使得輸出變量對控制作用有直接影響的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。特點：特點：有較高的控制精度和較好的適應(yīng)能力，有有較高的控制精度和較好的適應(yīng)能力，有很強的抗干很強的抗干擾能力擾能力 ；當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。擾動的克服不及時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。 2022-3-1712l定值控制系統(tǒng)：定值控制系統(tǒng)： 設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控設(shè)定值保持

11、不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 l程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：設(shè)定值也是變化的，但它是一個已知的時設(shè)定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化。間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化。l隨動控制系統(tǒng)：隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。閉環(huán)控制系統(tǒng)分類閉環(huán)控制系統(tǒng)分類注意它們的區(qū)別和聯(lián)系注意它們的區(qū)別和聯(lián)系分三類分三類: : 定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制

12、系統(tǒng)。2022-3-1713反饋反饋通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端，這種把系統(tǒng)的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)引的輸入端，這種把系統(tǒng)的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)引回到輸入端的做法叫做反饋。回到輸入端的做法叫做反饋。負反饋負反饋引回到輸入端的信號是減弱輸入端作用的稱為負引回到輸入端的信號是減弱輸入端作用的稱為負反饋，用反饋，用“” ” 號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減。變量相減。 （重點理解）（重點理解）正反饋正反饋引回到輸入端的信號是增強輸入端作用的稱為正引回到輸入端的信號是增強輸入端

13、作用的稱為正反饋，用反饋，用“”號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入號表示。將被控變量送回輸入端并與輸入變量相加。變量相加。2反饋概念反饋概念2022-3-17143、開環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)定義：定義：控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯(lián)系控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。操縱變量可以通過控制對象去影響被控變量，的控制系統(tǒng)。操縱變量可以通過控制對象去影響被控變量，但被控變量不會通過控制裝置去影響操縱變量。從信號傳但被控變量不會通過控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關(guān)系上看，未構(gòu)成閉合回路。遞關(guān)系上看，未構(gòu)成閉合回路。 按設(shè)定值進行控制：按設(shè)定值進行控制：圖圖

14、1.6 1.6 按設(shè)定值控制的開環(huán)控制系統(tǒng)按設(shè)定值控制的開環(huán)控制系統(tǒng)分類分類 ：2022-3-1715按擾動進行控制：按擾動進行控制：（a a）原理圖）原理圖 （b b）方框圖）方框圖 圖圖1. 71. 7按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng) 2022-3-17161-3過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求過程控制系統(tǒng)的性能指標及要求 動態(tài)：動態(tài)：被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)，由于輸被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)，由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動入的變化，輸出隨時間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立態(tài)特性。也就是說，從輸

15、入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。 靜態(tài)（定態(tài)）：靜態(tài)（定態(tài)）：被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)。被控變量不隨時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)定值和擾動量）及輸出在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸入（設(shè)定值和擾動量）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（被控變量）都保持不變，系統(tǒng)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)都不改變其原來的狀態(tài)，其輸入、輸出信號的變化率為零。其原來的狀態(tài)，其輸入、輸出信號的變化率為零。 一、過程控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動

16、態(tài)一、過程控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)2022-3-1717二二 過程控制系統(tǒng)的過渡過程過程控制系統(tǒng)的過渡過程 當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過渡過程過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。的過程。 對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準確性和

17、快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是典型，實際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴重的情況。比較嚴重的情況。2022-3-1718l發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩 l非振蕩衰減非振蕩衰減 l等幅振蕩等幅振蕩 l衰減振蕩衰減振蕩 l非振蕩發(fā)散非振蕩發(fā)散 圖圖1.81.8階躍擾動下，被控變量隨時間變化的幾種過渡過程形式：階躍擾動下，被控變量隨時間變化的幾種過渡過程形式：過渡過程形式：過渡過程形式：2022-3-1719三三 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標l單

18、項控制指標（控制的目標）：單項控制指標（控制的目標）：穩(wěn)定性、準確性和快速性穩(wěn)定性、準確性和快速性l綜合控制指標（質(zhì)量指標）綜合控制指標（質(zhì)量指標）2022-3-17202、 峰值時間峰值時間tp過渡過程曲線達到第一個峰值所需要過渡過程曲線達到第一個峰值所需要的時間的時間 。 tp=5min3、過渡時間過渡時間ts控制系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量控制系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量從過渡狀態(tài)恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的最短時間。從過渡狀態(tài)恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的最短時間。 ts =22min （ 2% ）1、衰減比（、衰減比（n）同方向兩個相鄰波峰值之比。即同方向兩個相鄰波峰值之比。即 n =B/

19、B= （230-205）/（210-205）=5：1習慣上表示為習慣上表示為 n：1 ,一般一般 n 取取 4 10 之間。之間。4、最大偏差、最大偏差A(yù)被控變量偏離給定值的最大數(shù)值被控變量偏離給定值的最大數(shù)值 A=230-200=30（） 2022-3-17215、超調(diào)量、超調(diào)量B第一個波峰值與新穩(wěn)定值之差第一個波峰值與新穩(wěn)定值之差 B=230-205=25（）6、余差、余差C過渡過程終了時被控變量的新穩(wěn)定值過渡過程終了時被控變量的新穩(wěn)定值 與給定值之偏差與給定值之偏差 C=205-200=5（ ） C = 0 為無差調(diào)節(jié)系統(tǒng)為無差調(diào)節(jié)系統(tǒng) C0 為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng) 思考：思考：單項控制指標與綜合控制指標的關(guān)系？單項控制指標與綜合控制指標的關(guān)系？7、振蕩周期、振蕩周期T或頻率或頻率f過渡過程同向兩個波峰間間過渡過程同向兩個波峰間間 隔隔 時間為周期，周期的倒數(shù)為頻率。時間為周期，周期的倒數(shù)為頻率。 T=20-5=15（min） f=1/T=1/（6015）0.0011(Hz)2022-3-1722 因此，綜合以上指標，對控制過程的調(diào)節(jié)效果進行評價因此，綜合以上指標，對控制過程的調(diào)節(jié)效果進行評價時，一般