1、化工自動(dòng)化及儀表課程的重重要性：控制系統(tǒng)統(tǒng)在石油油、化工工、制藥藥、冶金金、造紙紙等工業(yè)業(yè)領(lǐng)域的的應(yīng)用非非常普遍遍。生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)程中中，對(duì)工工藝變量量，有著著一定的的控制要要求。如如：1）精餾塔塔的塔頂頂或塔釜釜溫度，在操作作壓力不不變的情情況下必必須保持持一定，才能得得到合格格的產(chǎn)品品。2）化學(xué)反反應(yīng)器的的反應(yīng)溫溫度必須須保持平平穩(wěn)，才才能使效效率達(dá)到到指標(biāo)。因此，工工藝技術(shù)術(shù)人員必必須充分分了解所所用的控控制系統(tǒng)統(tǒng)，以及及控制系系統(tǒng)的特特性。這這樣才能能設(shè)計(jì)出出合理、高效的的生產(chǎn)工工藝。使用常規(guī)規(guī)儀表的的中央控控制室DCS控制系統(tǒng)統(tǒng)1 自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)概述述本章的主主要內(nèi)容容：1.1自自動(dòng)化化

2、及儀表表發(fā)展概概述1.2自自動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)1.3控控制系系統(tǒng)過(guò)渡渡過(guò)程及及品質(zhì)指指標(biāo)1.1自自動(dòng)化化及儀表表發(fā)展概概述1.1.1控制理論論的發(fā)展展1）經(jīng)典控控制理論論:20世紀(jì)4050年代Nyquist(1932)頻域分析析方法Bode圖(1945)分析方法法根軌跡(1948)分分析方法法特點(diǎn)：主要從輸出與輸入量的關(guān)系來(lái)來(lái)分析與與研究問(wèn)問(wèn)題。適用范圍圍：線(xiàn)性定常常的單輸輸入、單單輸出控控制系統(tǒng)統(tǒng)。它是以傳傳遞函數(shù)數(shù)為基礎(chǔ)礎(chǔ)，在頻頻率域?qū)?duì)單輸入入單輸出出控制系系統(tǒng)進(jìn)行行分析與與設(shè)計(jì)。PID控制規(guī)律律是經(jīng)典典控制理理論最輝輝煌的成成果。2）現(xiàn)代控控制理論論:20世紀(jì)紀(jì)60年年代得到到迅猛發(fā)發(fā)展。

3、其主要內(nèi)內(nèi)容為：線(xiàn)性系統(tǒng)統(tǒng)理論，最優(yōu)控控制理論論，最佳佳估計(jì)理理論，系系統(tǒng)辨識(shí)識(shí)。特點(diǎn)：從從輸入-狀狀態(tài)-輸輸出的關(guān)系，全面地地分析與與研究系系統(tǒng)。適用范圍圍：不限限于線(xiàn)性性定常系系統(tǒng)，也也適用于于線(xiàn)性時(shí)時(shí)變，非非線(xiàn)性及及離散系系統(tǒng)，多多輸入、多輸出出系統(tǒng)。3）大系統(tǒng)統(tǒng)理論:20世紀(jì)紀(jì)70年年代開(kāi)始始將現(xiàn)代控控制理論論與系統(tǒng)統(tǒng)理論相相結(jié)合形形成大系系統(tǒng)理論論核心思想想：系統(tǒng)的分分解與協(xié)協(xié)調(diào)適用范圍圍：高維線(xiàn)性性系統(tǒng)1.1.2控制儀表表的發(fā)展展1）基地式式：20世紀(jì)50年代代，適用用于單回回路2）單元組組合式（按功能能）：DDZ（電動(dòng)）, QDZ（氣動(dòng)）20世世紀(jì)60年代，單元之之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一一

4、信號(hào)聯(lián)系系3）計(jì)算機(jī)機(jī)：DDC, DCS（20世紀(jì)70年代）自動(dòng)化儀儀表的發(fā)發(fā)展經(jīng)歷歷了如下下過(guò)程：模擬儀表表-數(shù)字儀表表-智能儀表表。1.1.3當(dāng)前自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)發(fā)展展的主要要特點(diǎn)生產(chǎn)裝置置實(shí)施先先進(jìn)控制制成為發(fā)發(fā)展主流流過(guò)程優(yōu)化化受到普普遍關(guān)注注DCS正在走向向國(guó)際統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的開(kāi)放放式系統(tǒng)統(tǒng)綜合自動(dòng)動(dòng)化系統(tǒng)統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方方向1.2自自動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)1.2.1自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包示意圖手動(dòng)控制制的步驟驟：(1)觀觀察液位位數(shù)值；(2)把把觀察到到的實(shí)際際數(shù)值與與設(shè)定值值加以比比較，根根據(jù)偏差差的大小小及變化化情況做做出判斷斷，并發(fā)發(fā)布命令令。(3)

5、根根據(jù)命令令操作給給水閥，使液位位回到設(shè)設(shè)定值。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包包自動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)加熱爐的的溫度自自動(dòng)控制制系統(tǒng)蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖術(shù)語(yǔ)被控過(guò)程程（被控控對(duì)象）：自動(dòng)控制制系統(tǒng)中中，針對(duì)對(duì)需要控控制的工工藝參數(shù)數(shù)的生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)程（設(shè)備或或機(jī)器特特性）。被控變量量：被控過(guò)程程內(nèi)需要要控制的的工藝參參數(shù)。被控過(guò)程程：汽包被控變量量：汽包液位位操縱變量量：受控制器器操縱的的用以克克服干擾擾的影響響，使被被控變量量保持設(shè)設(shè)定值的的物料量量或能量量。擾動(dòng)：除操縱變變量外，作用于于被控過(guò)過(guò)程并引引起被控控變量變變化的因因素。操縱變量量：水的流量量擾動(dòng)：水壓力、蒸汽壓壓力等

6、蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖設(shè)定值：工藝參數(shù)數(shù)所要求求保持的的數(shù)值。偏差：被控變量量設(shè)定值值與實(shí)際際值之差差。負(fù)反饋：將被控變變量送回回輸入端端并與輸輸入變量量相減（負(fù)反饋饋閉環(huán)的的才可以以獨(dú)立工工作）。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖加熱爐的的溫度控控制系統(tǒng)統(tǒng)被控過(guò)程程：加熱爐被控變量量：物料出口口溫度操縱變量量：燃料油流流量擾動(dòng)：被加熱原原料油溫溫度、燃燃料油熱熱值等1.2.2閉環(huán)環(huán)控制與與開(kāi)環(huán)控控制閉環(huán)控制制：在反饋控控制系統(tǒng)統(tǒng)中，被被控變量量送回輸輸入端，與設(shè)定定值進(jìn)行行比較，根據(jù)偏偏差控制制被控變變量，這這樣，整整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成了了一個(gè)閉閉環(huán)。閉環(huán)控制制

7、的特點(diǎn)點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)）：按偏差差進(jìn)行控控制，使使偏差減減小或消消除，達(dá)達(dá)到被控控變量與與設(shè)定值值一致的的目的。閉環(huán)控制制的缺點(diǎn)點(diǎn)：控制不不夠及時(shí)時(shí)；如果果系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部各環(huán)環(huán)節(jié)配合合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)會(huì)引起劇劇烈震蕩蕩，甚至至?xí)瓜迪到y(tǒng)失去去控制。開(kāi)環(huán)控制制：開(kāi)環(huán)控制制的特點(diǎn)點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)）：不需要對(duì)對(duì)被控變變量進(jìn)行行測(cè)量，只根據(jù)據(jù)輸入信信號(hào)進(jìn)行行控制，控制及時(shí)時(shí)。開(kāi)環(huán)控制制的缺點(diǎn)點(diǎn)：由于不測(cè)測(cè)量被控控變量，也不與與設(shè)定值值相比較較，所以以系統(tǒng)受受到擾動(dòng)動(dòng)作用后后，被控控變量偏偏離設(shè)定定值，并并無(wú)法消消除偏差差，這是是開(kāi)環(huán)控控制的缺點(diǎn)。開(kāi)環(huán)的液液位控制制系統(tǒng)（按擾擾動(dòng)控制制，又稱(chēng)稱(chēng)前饋控控制）開(kāi)環(huán)控制制舉例1F

8、f FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包包開(kāi)環(huán)控控制1.2.3自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)的組組成及方方框圖（第二二次課）在研究自自動(dòng)控制制系統(tǒng)時(shí)時(shí)，為了了更清楚楚的表示示控制系系統(tǒng)各環(huán)環(huán)節(jié)的組組成、特特性和相相互間的的信號(hào)聯(lián)聯(lián)系，一一般都采采用方框框圖。每每個(gè)方框框表示組組成系統(tǒng)統(tǒng)的一個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方方框之間間用帶箭箭頭的線(xiàn)線(xiàn)段表示示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)進(jìn)入方框框的信號(hào)號(hào)為環(huán)節(jié)輸入入，離開(kāi)方框框的為環(huán)節(jié)輸出出。閉環(huán)控制制系統(tǒng)組組成檢測(cè)元件件和變送送器的作用是是把被控控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)測(cè)量值y(t)。比較機(jī)構(gòu)構(gòu)的作用是是比較設(shè)設(shè)定值r(t)與測(cè)量值值y(

9、t)并輸出其其差值?？刂蒲b置置的作用是是根據(jù)偏偏差的正正負(fù)、大大小及變變化情況況，按某某種預(yù)定定的控制制規(guī)律給給出控制制作用u(t)。比較機(jī)構(gòu)構(gòu)和控制制裝置通通常組合合在一起起，稱(chēng)為為控制器器。執(zhí)行器的作用是是接受控控制器送送來(lái)的u(t)，相應(yīng)地去去改變操操縱變量量q(t)。 系統(tǒng)中控控制器以以外的各各部分組組合在一一起，即即過(guò)程、執(zhí)執(zhí)行器、檢測(cè)元元件與變變送器的組合稱(chēng)稱(chēng)為廣義對(duì)象象。閉環(huán)控制制系統(tǒng)組組成在分析控控制系統(tǒng)統(tǒng)的工作作過(guò)程時(shí)時(shí)，有幾幾個(gè)很重重要的概概念：（1）信信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是是實(shí)際的的物理量量，但它它們是作作為信息息來(lái)轉(zhuǎn)換換和作用用的。圖圖中的每每

10、一部分分稱(chēng)為一一個(gè)環(huán)節(jié)節(jié)，作用用于它的的信息稱(chēng)稱(chēng)為該環(huán)環(huán)節(jié)的輸輸入信號(hào)號(hào)，它送送出的信信息稱(chēng)為為輸出信信號(hào)。前前一環(huán)節(jié)節(jié)的輸出出就是后后一環(huán)節(jié)節(jié)的輸入入信號(hào)。每一環(huán)環(huán)節(jié)的輸輸出信號(hào)號(hào)與輸入入信號(hào)之之間的關(guān)關(guān)系僅僅僅取決于于該環(huán)節(jié)節(jié)的特性性。從整個(gè)系系統(tǒng)來(lái)看看，輸入入信號(hào)：設(shè)定值值和擾動(dòng)動(dòng)輸出信號(hào)號(hào)：被控控變量、測(cè)量值值（2）閉閉環(huán)：按信息的的流向來(lái)來(lái)說(shuō)（3）動(dòng)動(dòng)態(tài)：物理量是是時(shí)間的的函數(shù)、是不斷斷變化的的。擾動(dòng)動(dòng)作用使使被控變變量偏離離設(shè)定值值，控制制作用又又使它回回到設(shè)定定值。閉環(huán)控制制系統(tǒng)組組成1.2.4自自動(dòng)控制制系統(tǒng)的的分類(lèi)按設(shè)定值值的不同同情況，將自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)分為為三類(lèi):定值控制

11、制系統(tǒng)、隨動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)、程序序控制系系統(tǒng)。定值控制制系統(tǒng)設(shè)定值保保持不變變（為一一恒定值值）的反反饋控制制系統(tǒng)稱(chēng)稱(chēng)為定值值控制系系統(tǒng)。隨動(dòng)控制制系統(tǒng)設(shè)定值不不斷變化化，且事事先是不不知道的的，并要要求系統(tǒng)統(tǒng)的輸出出（被控控變量）隨之而而變化。程序控制制系統(tǒng)設(shè)定值也也是變化化的，但但它是一一個(gè)已知知的時(shí)間間函數(shù)，即根據(jù)據(jù)需要按按一定時(shí)時(shí)間程序序變化1.3自自動(dòng)控制制系統(tǒng)的的過(guò)渡過(guò)過(guò)程及品品質(zhì)指標(biāo)標(biāo)1.3.1靜態(tài)態(tài)與動(dòng)態(tài)態(tài)控制系統(tǒng)統(tǒng)的輸入入有設(shè)定定作用和和擾動(dòng)作作用。靜態(tài)（穩(wěn)穩(wěn)態(tài)、定定態(tài)、平平衡狀態(tài)態(tài)）：當(dāng)輸入入恒定不不變時(shí)，整個(gè)系系統(tǒng)若能能建立平平衡，系系統(tǒng)中各各個(gè)環(huán)節(jié)節(jié)將暫不不動(dòng)作，它們的的

12、輸出都都處于相相對(duì)靜止止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸輸入與輸輸出之間間的關(guān)系系稱(chēng)為系系統(tǒng)的靜靜態(tài)特性性。動(dòng)態(tài)：由于輸入入的變化化，輸出出隨時(shí)間間變化，其間的的關(guān)系稱(chēng)稱(chēng)為系統(tǒng)統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)特性。從輸入入開(kāi)始，經(jīng)過(guò)控控制直到到再建立立靜態(tài)，在這段段時(shí)間中中，整個(gè)個(gè)系統(tǒng)的的各個(gè)環(huán)環(huán)節(jié)和變變量都處處于變化化的過(guò)程程之中，這種狀狀態(tài)稱(chēng)為為動(dòng)態(tài)。1.3.2自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)的過(guò)過(guò)渡過(guò)程程當(dāng)自動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)的輸入入發(fā)生變變化后，被控變變量（即即輸出）隨時(shí)間間不斷變變化，它它隨時(shí)間間而變化化的過(guò)程程稱(chēng)為系系統(tǒng)的過(guò)過(guò)渡過(guò)程程。也就是系系統(tǒng)從一一個(gè)平衡衡狀態(tài)過(guò)過(guò)渡到另另一個(gè)平平衡狀態(tài)態(tài)的過(guò)程程。對(duì)于一個(gè)個(gè)穩(wěn)定的的系統(tǒng)（所有正正常工作作

13、的反饋饋系統(tǒng)都都是穩(wěn)定定系統(tǒng)）要分析析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性性和快速速性，常以階階躍作用用為輸入入時(shí)的被被控變量量的過(guò)渡渡過(guò)程為為例，因因?yàn)殡A躍躍作用很很典型，實(shí)際上上也經(jīng)常常遇到，且這類(lèi)類(lèi)輸入變變化對(duì)系系統(tǒng)的影影響是最最嚴(yán)重的的。定值控制制系統(tǒng)過(guò)過(guò)渡過(guò)程程的幾種種形式(階躍擾擾動(dòng))發(fā)散振蕩蕩單調(diào)發(fā)散散等幅振蕩蕩衰減振蕩蕩單調(diào)衰減減單項(xiàng)控制制指標(biāo)（僅適用用于衰減減振蕩過(guò)過(guò)程）穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性性和快速速性1.3.3自自動(dòng)控制制系統(tǒng)的的品質(zhì)指指標(biāo)綜合控制制指標(biāo)最大動(dòng)態(tài)態(tài)偏差或或超調(diào)量量是描述述被控變量量偏離設(shè)設(shè)定值最大程度度的物理理量，是是衡量過(guò)過(guò)渡過(guò)程程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)標(biāo)。對(duì)于定值值控制系系統(tǒng)，過(guò)

14、過(guò)渡過(guò)程程的最大大動(dòng)態(tài)偏偏差是指指被控變變量第一一個(gè)波的的峰值與設(shè)設(shè)定值之差。在在上圖中中，最大大偏差就就是第一一個(gè)波的的峰值。為A（1）最最大動(dòng)態(tài)態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量量（）CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性性最大偏差差表示系系統(tǒng)瞬間間偏離給給定值的的最大程程度。若若偏差越越大，偏偏離的時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)穩(wěn)定正常常生產(chǎn)越越不利。要求小。特別是對(duì)對(duì)于一些些有約束束條件的的系統(tǒng)，如化學(xué)學(xué)反應(yīng)器器的化合合物爆炸炸極限、觸媒燒燒結(jié)溫度度極限等等，都會(huì)對(duì)最最大偏差差的允許許值有所所限制。同時(shí)考慮慮到干擾擾會(huì)不斷斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝灰粋€(gè)干擾擾還未清清除時(shí)，第二個(gè)個(gè)干擾可可能又出出現(xiàn)了，偏差有可可能是疊疊加的，所以要要

15、限制最最大偏差差的允許許值。因因此，在決定最最大偏差差的允許許值時(shí)，要根據(jù)據(jù)工藝情情況慎重重選擇。在設(shè)定作作用下的的控制系系統(tǒng)（隨隨動(dòng)控制制系統(tǒng)）中，通通常采用用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)標(biāo)來(lái)表示示被控變變量偏離離設(shè)定值值的程度度，一般般超調(diào)量量以百分分?jǐn)?shù)給出出。A超調(diào)量定定義：第一個(gè)波波的峰值值與最終終穩(wěn)態(tài)值值之差（即B=A-C）與穩(wěn)態(tài)態(tài)值C之比。ytBBC0衰減比是是衡量過(guò)過(guò)渡過(guò)程程穩(wěn)定性性的動(dòng)態(tài)態(tài)指標(biāo)。定義：第第一個(gè)波波的振幅幅與同方方向第二二個(gè)波的的振幅之之比。（2）衰衰減比n衰減比nCtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性性衰減比nn1:衰減振蕩蕩。n越大，則則控制系系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定度也也越高，當(dāng)n趨于無(wú)窮窮大時(shí)，控

16、制系系統(tǒng)的過(guò)過(guò)渡過(guò)程程接近于于非振蕩蕩過(guò)程。n=1:等幅振蕩蕩。n1:發(fā)散振蕩蕩。n越小，意意味著控控制系統(tǒng)統(tǒng)的振蕩蕩過(guò)程越越劇烈，穩(wěn)定度度也越低低，根據(jù)實(shí)際際操作經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，為保持足足夠的穩(wěn)穩(wěn)定裕度度，一般般希望過(guò)過(guò)渡過(guò)程程有兩個(gè)個(gè)波左右右，與此對(duì)對(duì)應(yīng)的衰減比在在4:1到10:1的的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1衰減率0.75衰減比10:1衰減率0.90CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性性（3）余余差定義：控控制系統(tǒng)統(tǒng)過(guò)渡過(guò)過(guò)程終了了時(shí)設(shè)定定值與被被控變量量穩(wěn)態(tài)值值之差。余差是反反映控制制準(zhǔn)確性的一個(gè)重重要穩(wěn)態(tài)態(tài)指標(biāo)，一般希希望其為為零，或或不超過(guò)過(guò)預(yù)定的的范圍。上圖中，在控制系系統(tǒng)中，對(duì)余差的的要求取取決于

17、生生產(chǎn)過(guò)程程的要求求，并不不是越小小越好。例如儲(chǔ)儲(chǔ)槽液位位，余差差可大一一些；化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)器的溫溫度控制制要求高高，余差差就要小小一些。CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性性（4）回回復(fù)時(shí)間間（過(guò)渡渡時(shí)間）回復(fù)時(shí)間間表示控控制系統(tǒng)統(tǒng)過(guò)渡過(guò)過(guò)程的長(zhǎng)長(zhǎng)短。定義：控控制系統(tǒng)統(tǒng)在受到到階躍外外作用后后，被控控變量從從原有穩(wěn)穩(wěn)態(tài)值達(dá)達(dá)到新的的穩(wěn)態(tài)值值所需要要的時(shí)間間。理論上講講，控制制系統(tǒng)要要完全達(dá)達(dá)到新的的平衡狀狀態(tài)需要要無(wú)限長(zhǎng)長(zhǎng)的時(shí)間間。CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性性實(shí)際上，被控變量量接近于于新穩(wěn)態(tài)態(tài)值的或或或或的的范范圍內(nèi)且且不再越越出時(shí)為為止所經(jīng)經(jīng)歷的時(shí)時(shí)間，可可計(jì)為過(guò)過(guò)渡時(shí)間間。一般般希望過(guò)渡渡時(shí)間短短一些。yt

18、BB5%A0Ts（5）振振蕩頻率率（或振振蕩周期期）在衰減比比相同條條件下，周期與與過(guò)渡時(shí)時(shí)間成正正比；振振蕩頻率率與回復(fù)復(fù)時(shí)間成成反比。定義：過(guò)過(guò)渡過(guò)程程同向兩兩波峰之之間的時(shí)時(shí)間間隔隔稱(chēng)為振振蕩周期期或工作作周期。其倒數(shù)數(shù)稱(chēng)為振振蕩頻率率。其它一些些次要指指標(biāo)：振蕩次數(shù)數(shù)：是指在過(guò)過(guò)渡過(guò)程程內(nèi)被控控變量振振蕩的次次數(shù)?！袄硐脒^(guò)渡渡過(guò)程兩兩個(gè)波”：是指過(guò)渡渡過(guò)程振振蕩兩次次就能穩(wěn)穩(wěn)定下來(lái)來(lái)。上升時(shí)間間：是指干擾擾開(kāi)始作作用起到到第一個(gè)個(gè)波峰所所需要的的時(shí)間。CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性性總結(jié)：主要指標(biāo)標(biāo)有：最大偏差差、衰減減比、余余差、過(guò)過(guò)渡時(shí)間間。在實(shí)際的的系統(tǒng)中中如何確確定這些些指標(biāo)，要根據(jù)據(jù)實(shí)際情情況來(lái)定定。原則：對(duì)對(duì)生產(chǎn)過(guò)過(guò)程有決決定性意意義的主主要品質(zhì)質(zhì)指標(biāo)