工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 1 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 電信學(xué)院2002級(jí)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 教師 王玉聯(lián)系方式 wyujue 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 2 課程安排 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制儀表典型控制系統(tǒng)實(shí)例過(guò)程控制單元 模擬式數(shù)字式 例 化工生產(chǎn) 選料 配料 輸送進(jìn)入反應(yīng)裝置 反應(yīng) 輸出產(chǎn)品 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 3 第一章緒論 過(guò)程控制的概念采用數(shù)字或模擬控制方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱(chēng)為過(guò)程控制 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 4 被控參數(shù)種類(lèi) 溫度壓力流量液位 容器中液體的高度或者液面的位置 成分 產(chǎn)品組成成份等 物性 粘度 密度等 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 5 20世紀(jì)40年代以前 工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作1 局部自動(dòng)化 20世紀(jì)50 60年代 單回路控制系統(tǒng)氣動(dòng)基地式儀表 氣動(dòng)組合儀表根軌跡法和頻率法1942年P(guān)ID ProportionIntegralDifferential 1 1過(guò)程控制的發(fā)展 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 6 2 集中控制階段 20世紀(jì)60 70年代 電子儀表計(jì)算機(jī)使用復(fù)雜的控制 串級(jí)控制 前饋控制 現(xiàn)代控制理論 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 3 集散控制階段 20世紀(jì)70 至今 DCS DistributedControlSystem 集散型控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化儀表先進(jìn)控制算法和優(yōu)化控制算法 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 7 現(xiàn)代過(guò)程控制 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 8 1 2工業(yè)生產(chǎn)中的過(guò)程控制系統(tǒng) 工業(yè)生產(chǎn)按加工原料分類(lèi) 氣體 液體 粉體 石油 化工 制藥 輕工 食品 建材 已成型的材料 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 9 1 2工業(yè)生產(chǎn)中的過(guò)程控制系統(tǒng) 1 2 1液位控制 圖1 1人工液位控制 圖1 2機(jī)械式液位控制 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 10 圖1 3實(shí)際生產(chǎn)中的液位控制系統(tǒng) LT 液位測(cè)量及信號(hào)變換裝置 浮球LC 液位調(diào)節(jié)器 杠桿閥門(mén) 可接受電信號(hào) 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 11 1 2 2溫度控制 圖1 4換熱器溫度控制系統(tǒng) TT 溫度測(cè)量裝置TC 溫度調(diào)節(jié)器 管道 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 12 1 3反饋原理 反饋 把輸出信號(hào)回送到系統(tǒng)的輸入端 并送加到輸入信號(hào)中幾乎所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都是負(fù)反饋控制系統(tǒng)正反饋 電子振蕩器 炸彈 圖1 5反饋原理 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 13 1 4過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和分類(lèi) 1 4 1過(guò)程控制的特點(diǎn)被控過(guò)程多樣性系統(tǒng)有眾多過(guò)程檢測(cè)儀表 控制儀表控制方案豐富多為慢過(guò)程參量控制過(guò)程控制主要控制形式為定值控制 圖1 6過(guò)程控制系統(tǒng)的框圖 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 14 1 4 2過(guò)程控制的分類(lèi) 按工藝分類(lèi) 不同被控參數(shù) 溫度控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) 流量控制系統(tǒng) 按系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律分類(lèi)比例控制 前饋控制 按給定值分類(lèi)按系統(tǒng)克服干擾方式分類(lèi) 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 15 一 給定值特點(diǎn)分類(lèi) 定值控制系統(tǒng) 給定值不變或者變化很小的控制系統(tǒng)例 空調(diào)控制系統(tǒng) 圖1 7空調(diào)室溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)溫度曲線 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 給定值變化的控制系統(tǒng)例1 火箭飛行控制例2 空調(diào)設(shè)定室內(nèi)溫度比室外溫度低5 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 16 程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng) 給定值是隨著事先設(shè)定好的程序變化例 電飯鍋 圖1 8電飯鍋溫度控制曲線 電飯鍋準(zhǔn)備啟動(dòng)加熱100 恒溫階段保溫自動(dòng)降溫 由程序控制完成的 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 17 二 按系統(tǒng)克服干擾的方法分類(lèi) 反饋控制 測(cè)量被控變量 進(jìn)行給定值比較前饋控制 測(cè)量干擾變量 也不進(jìn)行給定值比較前饋控制 反饋控制 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 18 1 5基本概念及術(shù)語(yǔ) 對(duì)象 被控制的物理裝置被控變量 對(duì)象的某個(gè)變量調(diào)節(jié)變量 對(duì)被控裝置的被控變量具有較強(qiáng)的直接影響且便于調(diào)節(jié)的變量 干擾 除了調(diào)節(jié)變量外 對(duì)被控變量具有影響作用的所有變量 給定值 設(shè)定值 期望值 人們希望控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 即被控變量的期望值 偏差 設(shè)定值或給定值與測(cè)量值之差 圖1 9控制系統(tǒng)方塊圖 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 19 還有幾個(gè)基本概念 系統(tǒng) 按某種劃分得到的若干元素的集合 反饋 將系統(tǒng)輸出信號(hào)引回并加入到輸入信號(hào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作方式 負(fù)反饋 使系統(tǒng)輸出信號(hào)趨于穩(wěn)定或者說(shuō)使系統(tǒng)的被控變量與給定值之差減少的反饋 負(fù)反饋控制系統(tǒng) 具有負(fù)反饋?zhàn)饔玫目刂葡到y(tǒng) 正反饋 使系統(tǒng)輸出變量單調(diào)變化趨于極限或者說(shuō)使系統(tǒng)的被控變量與給定值之差不斷增大的反饋 開(kāi)環(huán)控制 沒(méi)有反饋的簡(jiǎn)單控制 例 照明中的調(diào)光控制 電風(fēng)扇的多級(jí)速度調(diào)節(jié) 閉環(huán)控制 具有負(fù)反饋的控制 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 20 1 6過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)以被控參數(shù)有關(guān)的階躍干擾作為控制系統(tǒng)的輸入 得到被控參數(shù)的不同過(guò)渡過(guò)程曲線 建立統(tǒng)一的衡量指標(biāo) 過(guò)渡過(guò)程的性能指標(biāo)單位階躍輸入作用 圖1 10a過(guò)渡過(guò)程性能指標(biāo)示意圖 定值 階躍干擾 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 21 表1 1衰減比代表的過(guò)渡過(guò)程性質(zhì) 衰減比和衰減率 衡量振蕩的衰減程度 衰減比 衰減率 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 22 2 最大偏差和超調(diào)量 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo) 定值系統(tǒng)最大偏差 第一個(gè)波峰和新穩(wěn)定值y 的差隨動(dòng)系統(tǒng)超調(diào)量 圖1 10b過(guò)渡過(guò)程性能指標(biāo)示意圖 隨動(dòng) 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 23 3 余差 它是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo) 余差 指過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后 被控量新的穩(wěn)定值y 與給定值ys的差值 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 24 4 調(diào)節(jié)時(shí)間 回復(fù)時(shí)間 過(guò)渡時(shí)間 ts和振蕩頻率 調(diào)節(jié)時(shí)間ts 從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到這個(gè)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束的時(shí)間振蕩頻率 過(guò)渡過(guò)程中第一個(gè)波峰和第二個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為振蕩周期T 它的倒數(shù)就是振蕩頻率 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 25 兩個(gè)注意和一個(gè)提示 振蕩頻率同樣 衰減比 越大 調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)相對(duì)較短 衰減比 相同 振蕩頻率越高 振蕩周期就越短 調(diào)節(jié)時(shí)間就會(huì)越短 調(diào)節(jié)時(shí)間 振蕩頻率 衡量過(guò)程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo) 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 26 本章的主要掌握內(nèi)容 了解過(guò)程控制的發(fā)展歷史了解過(guò)程控制的幾個(gè)特點(diǎn)了解過(guò)程控制的分類(lèi)掌握過(guò)程控制 自動(dòng)控制 的基本概念掌握過(guò)程控制的性能指標(biāo) 過(guò)渡過(guò)程性能指標(biāo) 工業(yè)電氣自動(dòng)化 過(guò)程控制 27 例題 某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定 操作溫度為400