第一章過程控制系統(tǒng)基本概念

1、2022-5-181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2022-5-1821-1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(biāo)及要求過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求2022-5-1831. 1. 了解過程控制系統(tǒng)的分類及特點(diǎn)；了解過程控制系統(tǒng)的分類及特點(diǎn)；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(biāo)。量指標(biāo)。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(diǎn)重點(diǎn)：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(biāo)。質(zhì)量指標(biāo)。難點(diǎn)：常用術(shù)語的理解；方框圖的繪制難點(diǎn)：常用術(shù)語的理解；方框圖的繪制2022-5-184一、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(jìn)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(jìn)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(shí)例實(shí)例過程控制的作用：過程控制的作用：1 1、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)技術(shù)指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)技術(shù)指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。2 2、提高經(jīng)濟(jì)效益、提高經(jīng)濟(jì)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(hù)環(huán)境、保護(hù)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.wmv2022-5-185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2022-5-186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(jī)器?？刂频纳a(chǎn)過程設(shè)備或機(jī)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?cái)_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。 2022-5-1872 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(jìn)行比較獲得偏差，按某是將設(shè)定

6、值與測量信號進(jìn)行比較獲得偏差，按某種預(yù)定的控制規(guī)律計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為控制信號送執(zhí)種預(yù)定的控制規(guī)律計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為控制信號送執(zhí)行器。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制行器。比較機(jī)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2022-5-188三、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(diǎn)、分支點(diǎn)比較點(diǎn)、分支點(diǎn)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(diǎn)比較點(diǎn)2022-5-189實(shí)例：實(shí)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(diǎn)：繪制方框圖時應(yīng)注意幾點(diǎn)：（1 1）方框圖中每一個方框表示一個具體的實(shí)物。）方框圖中每一個方框表示一個具體的實(shí)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(diǎn)不是一個獨(dú)立的元件，而是控制器的一部分。）比較點(diǎn)不是一個

8、獨(dú)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2022-5-1810 管道及儀表流程圖是自控設(shè)計(jì)的文字代號、圖形符號管道及儀表流程圖是自控設(shè)計(jì)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(jì)、施工中采用的一種圖示形式。是在工藝流系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(biāo)出相應(yīng)的測量點(diǎn)、程圖的基礎(chǔ)上，按其流程順序，標(biāo)出相應(yīng)的測量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護(hù)系統(tǒng)等?？刂泣c(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護(hù)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(shí)例：實(shí)例：定義：定義：2022-5-18111-2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(diǎn)介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)重點(diǎn)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(diǎn)：特點(diǎn)：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(qiáng)的抗干很強(qiáng)的抗干擾能力擾能力 ；當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對當(dāng)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。 2022-5-1812l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)。2022-5-1813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?；氐捷斎攵说淖龇ń凶龇答?。負(fù)反饋負(fù)反饋引回到輸入端的信號是減弱輸入端作用的稱為負(fù)引回到輸入端的信號是減弱輸入端作用的稱為負(fù)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(diǎn)理解）（重點(diǎn)理解）正反饋正反饋引回到輸入端的信號是增強(qiáng)輸入端作用的稱為正引回到輸入端的信號是增強(qiáng)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2022-5-18143、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(jìn)行控制：按設(shè)定值進(jìn)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 ：2022-5-1815按擾動進(jìn)行控制：按擾動進(jìn)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) 2022-5-18161-3過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)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)2022-5-1817二二 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(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）當(dāng)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(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)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?yàn)殡A躍作用很用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)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(shí)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(yán)重的情況。比較嚴(yán)重的情況。2022-5-1818l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：2022-5-1819三三 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)l單

18、項(xiàng)控制指標(biāo)（控制的目標(biāo)）：單項(xiàng)控制指標(biāo)（控制的目標(biāo)）：穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性l綜合控制指標(biāo)（質(zhì)量指標(biāo)）綜合控制指標(biāo)（質(zhì)量指標(biāo)）2022-5-18202、 峰值時間峰值時間tp過渡過程曲線達(dá)到第一個峰值所需要過渡過程曲線達(dá)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(xí)慣上表示為習(xí)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（） 2022-5-18215、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(xiàng)控制指標(biāo)與綜合控制指標(biāo)的關(guān)系？單項(xiàng)控制指標(biāo)與綜合控制指標(biāo)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