過程控制-第一章

主編倪志蓮龔素文機(jī)械工業(yè)出版社過程控制與自動化儀表1過程控制與自動化儀表第一章過程控制系統(tǒng)了解過控系統(tǒng)的組成、分類和品質(zhì)指標(biāo)。能簡單使用MATLAB軟件。了解本課程定位及學(xué)習(xí)方法。3了解過程控制技術(shù)的開環(huán)、閉環(huán)概念。1242過程控制與自動化儀表1.1引言

所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加設(shè)備或控制裝置使生產(chǎn)過程或被控對象中的某一物理量或多個(gè)物理量自動地按照期望的規(guī)律去運(yùn)行或變化。所謂過程控制，是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采用測量儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化。3過程控制與自動化儀表1.1引言自動化技術(shù)的發(fā)展階段1）20世紀(jì)50年代，單輸入單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)，多采用基地式儀表、氣動組合儀表和氣動儀表控制器來完成簡單控制。2）20世紀(jì)60年代，集中控制及直接數(shù)字控制。電動儀表開始使用，并逐步取代氣動儀表，單元組合式儀表和組裝式儀表。3）20世紀(jì)70年代，集散控制系統(tǒng)（DCS）。先進(jìn)控制技術(shù)、數(shù)字化儀表、計(jì)算機(jī)，特別是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，體現(xiàn)“分散控制，集中管理”的理念。4）近30多年來，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、各種集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）不斷涌現(xiàn)，人工智能技術(shù)如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法等也有了長足進(jìn)步。

4過程控制與自動化儀表1.2開環(huán)與閉環(huán)的概念開環(huán)控制：不設(shè)反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制：設(shè)有反饋環(huán)節(jié)開環(huán)控制閉環(huán)控制5過程控制與自動化儀表1.2開環(huán)與閉環(huán)的概念1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式。它的特點(diǎn)是，僅有從輸入到輸出的前向通路，而沒有從輸出到輸入的反饋通路。缺點(diǎn)：控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度，因此對元器件的要求比較高。由于輸出量不能反饋回來影響控制部分，所以輸出量受擾動信號的影響比較大，系統(tǒng)抗干擾能力差。6過程控制與自動化儀表直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制當(dāng)調(diào)節(jié)電位器的滑臂位置時(shí)，可以改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動機(jī)的電樞電壓，最終改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。7過程控制與自動化儀表1.2開環(huán)與閉環(huán)的概念1.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路，還有一條從輸出端到輸入端的反饋通路。輸出量通過一個(gè)測量變送元件反饋到輸入端，與輸入量比較后得到偏差信號來作為控制器的輸入，反饋的作用是減小偏差，以達(dá)到滿意的控制效果。閉環(huán)控制又稱為反饋控制。如果輸入量和反饋量相減則稱為負(fù)反饋；反之，若二者相加，則稱為正反饋?？刂葡到y(tǒng)中一般采用負(fù)反饋方式。輸入量與反饋量之差稱為偏差信號。系統(tǒng)的輸出量能夠自動地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動信號的影響。8過程控制與自動化儀表直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制在原來開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由測速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的反饋回路，該回路檢測輸出轉(zhuǎn)速的變化并作反饋。9過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統(tǒng)的組成貯槽液位控制人工控制自動控制10過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)一般由自動化裝置及生產(chǎn)裝置兩部分組成。1）被控對象——又稱被控過程，是需要控制其工藝變量的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。2）變送器——將被控制的物理量檢測出來并轉(zhuǎn)換成工業(yè)儀表間的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)—信號。11過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)一般由自動化裝置及生產(chǎn)裝置兩部分組成。3）控制器——又稱為調(diào)節(jié)器。其作用是根據(jù)反饋量與輸入量比較得出的偏差，按一定的規(guī)律運(yùn)算后對執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控制信號或指令的裝置。4）執(zhí)行器——其作用是依據(jù)控制器發(fā)出的控制信號或指令，改變操縱變量，從而對被控對象產(chǎn)生直接的控制作用。12過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的各種作用量1）被控變量——是表征生產(chǎn)設(shè)備或過程運(yùn)行狀況，需要加以控制的變量，也是過程控制系統(tǒng)的輸出量。2）設(shè)定值——又稱給定值，是工藝要求被控變量需要達(dá)到的目標(biāo)值，也是過程控制系統(tǒng)的輸入量。3）測量值——是檢測元件與變送器的輸出信號值，也稱反饋量。4）擾動量——又稱干擾或“噪聲”，通常是指引起被控變量發(fā)生變化的各種因素。5）操縱變量——受執(zhí)行器操縱，具體實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。6）偏差——通常把設(shè)定值與測量值之差稱作偏差。13過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.1過程控制系統(tǒng)的分類1．定值控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，如果要求控制系統(tǒng)使被控變量保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求工藝參數(shù)的設(shè)定值不變，這類控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。2．隨動控制系統(tǒng)設(shè)定值是一個(gè)未知變化量的控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)的目的是使被控變量準(zhǔn)確快速地跟隨著設(shè)定值的變化而變化。這類控制系統(tǒng)又稱為自動跟蹤系統(tǒng)。3．程序控制系統(tǒng)也稱順序控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的設(shè)定值是時(shí)間的已知函數(shù)，即設(shè)定值按一定的時(shí)間順序變化。14過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.2過程控制系統(tǒng)的過渡過程穩(wěn)態(tài)：各個(gè)信號保持不變，被控變量不隨時(shí)間變化而變化的平衡狀態(tài)。動態(tài)：生產(chǎn)過程受到擾動時(shí)，被控變量隨時(shí)間變化而變化的不平衡狀態(tài)。過程控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程稱為過程控制系統(tǒng)的過渡過程。

15過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.2過程控制系統(tǒng)的過渡過程過渡過程的基本形式16過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.3過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)評價(jià)指標(biāo)可概括為“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快”

平穩(wěn)：“穩(wěn)”即系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，這也是最重要、最基本的需求。準(zhǔn)確：“準(zhǔn)”是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。迅速：“快”是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。穩(wěn)定性靜態(tài)指標(biāo)動態(tài)指標(biāo)17過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.3過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)（1）余差C

（2）衰減比n

（3）最大偏差A(yù)或超調(diào)量σ（4）過渡過程時(shí)間（調(diào)整時(shí)間）ts（5）峰值時(shí)間tp（6）振蕩周期T

18過程控制與自動化儀表1.5過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求1.5.1過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1）系統(tǒng)由被控對象與系列化生產(chǎn)的自動化儀表組成。2）被控對象復(fù)雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)。3）控制方案豐富多彩，控制要求越來越高。4）控制過程大多屬于慢變過程與參量控制。5）定值控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)的主要形式。19過程控制與自動化儀表1.5過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求1.5.2過程控制系統(tǒng)的要求（1）安全性整個(gè)生產(chǎn)過程中，人身安全和設(shè)備安全是控制系統(tǒng)中最重要和最基本的要求。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，通常采用越限報(bào)警、事故報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)等措施來保證系統(tǒng)的安全性。（2）穩(wěn)定性工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中存在各種各樣的干擾以及生產(chǎn)原料的變化和波動，如何有效地抑制或減小系統(tǒng)外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)的又一要求。（3）經(jīng)濟(jì)性隨著市場競爭加劇和世界能源及原材料的匱乏，在滿足安全性和穩(wěn)定性的前提下，要求控制系統(tǒng)低成本、高效益。20過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件MATLAB是MatrixLaboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的英文縮寫。它是由美國MathWorks公司于1982年推出的一個(gè)軟件包。它從數(shù)值與矩陣運(yùn)算開始，經(jīng)過不斷更新與擴(kuò)充，已成為一個(gè)功能強(qiáng)、效率高、有著完善的數(shù)值分析、強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、復(fù)雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟件包；它有著一個(gè)方便實(shí)用、界面友好的、開放的用戶環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行科學(xué)分析和工程計(jì)算。21過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.1MATLAB界面簡介22過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件命令窗口常用控制命令

命令涵義命令涵義cd設(shè)置當(dāng)前工作目錄edit打開M文件編輯器clf清除圖形窗exit關(guān)閉/退出MATLABclc清除命令窗口的顯示內(nèi)容mkdir創(chuàng)建目錄clear清除MATLAB工作空間保存的變量quit關(guān)閉/退出MATLABdir列出指定目錄下的文件和子目錄清單type顯示指定M文件的內(nèi)容23過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作1．?dāng)?shù)值的表示MATLAB的數(shù)值采用十進(jìn)制，可以帶小數(shù)點(diǎn)或負(fù)號。2．變量命名規(guī)定1）變量名、函數(shù)名：字母大小寫表示不同的變量名。2）變量名的第一個(gè)字母必須是英文字母，最多可包含31個(gè)字符。3）變量名不得包含空格、標(biāo)點(diǎn)，但可以有下連字符。0-1000.00812.7521.8e-68.2e52舉例舉例A和a表示不同的變量名A21是合法的變量名，而3A21是不合法的變量名?！癆_b21”是合法變量名，而“A，21”是不合法的。24過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作3．基本運(yùn)算符數(shù)學(xué)表達(dá)式MATLAB運(yùn)算符MATLAB表達(dá)式加a+b+a+b減abab乘ab*a*b除ab/或\a/b或a\b冪ab^a^b25過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作4．表達(dá)式MATLAB書寫表達(dá)式的規(guī)則與“手寫算式”幾乎完全相同。1）表達(dá)式由變量名、運(yùn)算符和函數(shù)名組成。2）表達(dá)式將按相同的優(yōu)先級從左向右執(zhí)行運(yùn)算。3）優(yōu)先級規(guī)定為：指數(shù)運(yùn)算級別最高，乘除運(yùn)算次之，加減運(yùn)算級別最低。4）括號可以改變運(yùn)算的次序。舉例26過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作6．繪制二維圖形（1）在二維圖形繪制中，最基本的指令是plot（）函數(shù)。如果用戶將x和y軸的兩組數(shù)據(jù)分別在向量x和y中存儲，且它們的長度相同，則調(diào)用該函數(shù)的格式為plot(x,y)（2）在圖形上加注網(wǎng)格線、圖形標(biāo)題、x軸與y軸標(biāo)記繪制多條曲線時(shí)，plot（）的格式為plot(x1,y1,x2,y2……)grid(加網(wǎng)格線)；title(加圖形標(biāo)題)；xlabel(加x軸標(biāo)記)；y1abel(加y軸標(biāo)記)。27過程控制與自動化儀表舉例輸入以下命令>>t=0:0.1:4*pi>>plot(t,sin(t))>>grid>>title('正弦曲線')>>xlabel('time')>>ylabel('sin(t)')28過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.3MATLAB軟件在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例閉環(huán)傳遞函數(shù)

繪制該系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的MATLAB程序?yàn)閚um=[8]den=[1,4,8,8]step(num,den)gridonxlabel('t/s'),ylabel('c(t)')29過程控制與自動化儀表1.7課程定位與學(xué)習(xí)方法課程定位通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生