第1章過程控制系統(tǒng)概述

過程控制系統(tǒng)ProcessControlSystem內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院自動(dòng)化系張計(jì)科本章主要內(nèi)容1-1過程控制系統(tǒng)的組成1-2過程控制系統(tǒng)的分類1-3過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1-6控制工藝圖的組成及符號(hào)解釋傳感測(cè)量器：液位計(jì)+人眼控制器：大腦執(zhí)行機(jī)構(gòu)：手+手動(dòng)閥差壓傳感變送器電動(dòng)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)閥1-1過程控制系統(tǒng)的組成H:液位P:壓力F:流量T:溫度1-1過程控制系統(tǒng)的組成液位控制系統(tǒng)熱交換器的溫度控制系統(tǒng)1-1過程控制系統(tǒng)的組成一般的單回路控制系統(tǒng)1-1過程控制系統(tǒng)的組成被控對(duì)象：工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程設(shè)備或機(jī)器等。

如水箱、熱交換器。一般的單回路控制系統(tǒng)常見的被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數(shù)；1-1過程控制系統(tǒng)的組成被控變量/受控變量/過程變量（ControlledVariable-CV,ProcessVariable-PV）：被控對(duì)象中要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。如液位、蒸汽溫度。一般的單回路控制系統(tǒng)1-1過程控制系統(tǒng)的組成操縱變量/操作變量(ManipulatedVariable,MV)：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。如液體流出流量、蒸汽流量。擾動(dòng)/擾動(dòng)變量(DisturbanceVariable,DV)：除操縱變量之外，作用于被控對(duì)象并引起被控變量變化的因素。如液體流入流量、進(jìn)料量。一般的單回路控制系統(tǒng)1-1過程控制系統(tǒng)的組成設(shè)定值/給定值(Setpoint-SP,SetpointValue-SV)：被控變量的預(yù)定值。如水箱的期望液位、蒸汽的期望溫度?？刂?控制信號(hào)/控制變量（ControlVariable）：作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)以引起操縱變量變化的變量。如閥門開度。一般的單回路控制系統(tǒng)1-1過程控制系統(tǒng)的組成測(cè)量/測(cè)量信號(hào)/測(cè)量值(Measurement，MeasurementValue)：從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)被控變量通過測(cè)量和變送后得到的信號(hào)值，即被控變量的測(cè)量值。偏差/誤差（Deviation，Error）：被控變量給定值與實(shí)際值之差。通常把給定值與測(cè)量值之差作為偏差。1-2過程控制系統(tǒng)的分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法，站在不同的角度分類不同。分類特征控制方式特點(diǎn)按控制方式分開環(huán)控制按給定值操縱、按干擾補(bǔ)償閉環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)復(fù)合控制閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補(bǔ)償為輔按給定值變化規(guī)律分恒值系統(tǒng)保持輸出恒定隨動(dòng)系統(tǒng)輸出跟隨輸入變化程序控制系統(tǒng)輸出按照預(yù)先設(shè)定好的程序變化按被控變量分溫度控制系統(tǒng)以溫度為被控量壓力控制系統(tǒng)以壓力為被控量流量控制系統(tǒng)以流量為被控量…………液位控制系統(tǒng)以液位為被控量按系統(tǒng)性能分線性/非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)滿足疊加原理連續(xù)/離散性系統(tǒng)離散系統(tǒng)中包含數(shù)字量定常/時(shí)變性系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化1-3過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.生產(chǎn)過程的連續(xù)性

2.被控對(duì)象的多樣性

3.被控對(duì)象多屬慢過程且多屬參數(shù)控制

4.控制方案多樣性

5.定值控制是過程控制的主要形式1.手工操作階段（20世紀(jì)40年代以前）觀察火候、冷熱、色澤、形狀等

明宋應(yīng)星《天工開物》:“若造熟鐵,則生鐵流出時(shí)……其柳棍每炒一次燒折二三寸,再用則又更之。炒過稍冷之時(shí),或有就塘內(nèi)斬劃成方塊者,或有提出揮椎打圓后貨者。古代冶煉圖1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史2.簡(jiǎn)單儀表化階段（20世紀(jì)40年代中期－50年代）部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表控制和局部自動(dòng)化特點(diǎn)：采用基地式儀表和部分組合儀表；1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史被控參數(shù)：溫度、壓力、流量、液位；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：SISO

；

理論基礎(chǔ)：經(jīng)典控制理論。50年代中期，人們開始研究將計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過程控制!2.簡(jiǎn)單儀表化階段（20世紀(jì)40年代中期－50年代）1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1956年3月，TRW(ThomsonRomaWoolrige)航天工業(yè)公司和德克薩柯(Texaco)公司針對(duì)德克薩斯州的PortArthur(波特.阿瑟)煉油廠的一臺(tái)聚合裝置聯(lián)合研究出一個(gè)采用RW-300計(jì)算機(jī)控制該聚合裝置的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。RW-300Computer2.簡(jiǎn)單儀表化階段（20世紀(jì)40年代中期－50年代）1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1959年3月12日，系統(tǒng)在線運(yùn)行。?控制26個(gè)流量、72個(gè)溫度、3個(gè)壓力、3個(gè)成分?使反應(yīng)器壓力最小，確定5個(gè)反應(yīng)器進(jìn)料量的最優(yōu)分配，根據(jù)催化作用控制熱水流量和確定最優(yōu)循環(huán)2.簡(jiǎn)單儀表化階段（20世紀(jì)40年代中期－50年代）1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史3.單元組合儀表化階段（20世紀(jì)60年代）特點(diǎn)：企業(yè)界大量使用單元組合儀表及組裝儀表，出現(xiàn)了以4～20mA和0～10mA為統(tǒng)一信號(hào)的電動(dòng)模擬控制系統(tǒng)；1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史3.單元組合儀表化階段（20世紀(jì)60年代）控制策略：主要是PID控制以及串級(jí)、均勻、比值、分程和選擇性等常規(guī)復(fù)雜控制策略；現(xiàn)代控制理論產(chǎn)生并在某些尖端領(lǐng)域取得驚人成就；

在60年代中、后期，已出現(xiàn)用計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器的直接數(shù)字控制DDC和由計(jì)算機(jī)確定模擬調(diào)節(jié)器或DDC回路最優(yōu)設(shè)定值的監(jiān)督控制SCC！控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：MIMO

；

被控參數(shù)：多樣化；1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史3.單元組合儀表化階段（20世紀(jì)60年代）FerrantiArgus

Computer1962年，英國帝國化學(xué)工業(yè)公司(ImperialChemicalIndustries,Ltd）用一臺(tái)名為FerrantiArgus的計(jì)算機(jī)代替原來過程控制中的全部模擬儀表，計(jì)算機(jī)直接測(cè)量224個(gè)變量和控制129個(gè)閥門。1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史4.計(jì)算機(jī)控制階段（20世紀(jì)70年代至80年代）特點(diǎn)：適合工業(yè)自動(dòng)化的商品化系列控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)；DCS出現(xiàn)；DCS、PLC、工業(yè)PC等已成為控制裝置主流。現(xiàn)代控制理論向縱深發(fā)展，開始在過程控制中應(yīng)用。氣動(dòng)Ⅲ型和電動(dòng)Ⅲ型；1-4過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史5.綜合自動(dòng)化及先進(jìn)控制階段（20世紀(jì)90年代至今）特點(diǎn)：集常規(guī)控制、先進(jìn)控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理、經(jīng)營決策等功能于一體；在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫的支持下，實(shí)現(xiàn)信息與功能的集成；

形成一個(gè)能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場(chǎng)需求多變性的全局優(yōu)化的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。充分調(diào)動(dòng)人的因素的經(jīng)營系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)及組織系統(tǒng)。1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)穩(wěn)：1、工業(yè)過程對(duì)控制的要求準(zhǔn)：快：可靠：1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)穩(wěn)：動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。過程2過程11、工業(yè)過程對(duì)控制的要求1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)準(zhǔn)：系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后或系統(tǒng)受到擾動(dòng)后重新恢復(fù)平衡后，最終保持的精度，反映了動(dòng)態(tài)后期的性能。最大偏差05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6

h(t)t平衡點(diǎn)1、工業(yè)過程對(duì)控制的要求1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)快：動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長短，過程時(shí)間持續(xù)很長，將使系統(tǒng)長時(shí)間出現(xiàn)大偏差，同時(shí)也說明系統(tǒng)響應(yīng)很遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的信號(hào)。過程2過程11、工業(yè)過程對(duì)控制的要求1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.穩(wěn)定性?分析方法

直接求根：

判據(jù):

應(yīng)用雙線性變換(w變換)勞斯穩(wěn)定判據(jù)

朱利穩(wěn)定判據(jù)

?衡量指標(biāo)

相角裕度幅值裕度2、指標(biāo)1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2.能控性與能觀性3.動(dòng)態(tài)指標(biāo)

常用指標(biāo):

s域－

上升時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間超調(diào)量

z域－閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)

1-5過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)4.穩(wěn)態(tài)指標(biāo)

穩(wěn)態(tài)誤差5.積分型指標(biāo)1-6控制工藝圖的組成及符號(hào)解釋被控量的測(cè)量點(diǎn)，本例指反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)溫度儀表圈，代表廣義上的儀表（可以不止一種類型的儀表）1-6控制工藝圖的組成及符號(hào)解釋儀表圈，代表廣義上的儀表（可以不止一種類型的儀表）TRC_101順序號(hào)（一般兩位數(shù)字，也可三位數(shù)字）工序號(hào)（一般一位數(shù)字，也可兩位數(shù)字）儀表功能字母代號(hào)，C（Control）控制，R（Record）記錄，A（Alarm）報(bào)警，I（Indicate）顯示被測(cè)變量字母代號(hào)，