1、1,過(guò)程控制系統(tǒng),東北大學(xué)秦皇島分校自動(dòng)化系,2,凡是采用數(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。(另有電力拖動(dòng)控制方向) 過(guò)程控制主要針對(duì)溫度，壓力，流量，液位（物流），成分和物性等參數(shù)的控制。它覆蓋石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，核能等領(lǐng)域。,第一章 緒論,1.1 過(guò)程控制的任務(wù)與目標(biāo),3,過(guò)程控制的要求： 1）安全性 整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，人身安全和設(shè)備安全是最重要和最基本的要求。 2）穩(wěn)定性 系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。 3）經(jīng)濟(jì)性 低成本高效益。 應(yīng)用理論知識(shí)，系統(tǒng)分析和綜合，采用先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制。,4,過(guò)程控制

2、的目的：保持過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。,1、被控對(duì)象的多樣性 2、對(duì)象特性的難辨性 3、普遍存在滯后 4、特性往往具有非線性： 如間歇式加溫、齒輪運(yùn)動(dòng)等。,1.2 過(guò)程控制的特點(diǎn)及計(jì)算機(jī)的作用,5,5.控制方案的多樣性 有單回路、串級(jí)、前饋-反饋、比值、均勻、分程、選擇性、時(shí)滯、數(shù)字和計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)等。 6.控制過(guò)程屬慢過(guò)程、多半屬參量控制 7.定值控制是主要控制形式,6,計(jì)算機(jī)的應(yīng)用不僅促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，而且也推動(dòng)了自動(dòng)化向深度與廣度進(jìn)軍，使生產(chǎn)自動(dòng)化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步邁進(jìn)。 微型計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程，按不同的控制目的，可分為兩類(lèi)：一是數(shù)據(jù)檢

3、測(cè)處理，二是形成微機(jī)控制系統(tǒng)。,7,微機(jī)控制在提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證安全運(yùn)行、減少原料和能量消耗、控制和減少環(huán)境污染、提高企業(yè)的管理水平方面正在并將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。,8,1-1典型單回路控制系統(tǒng),1、控制原理,以液體儲(chǔ)槽的液位控制為例進(jìn)行說(shuō)明。,液位變送器,液位控制器,執(zhí)行器,1.3 過(guò)程控制的組成及術(shù)語(yǔ),一、系統(tǒng)組成,9,2、系統(tǒng)方塊圖,單回路系統(tǒng)方框圖,10,3、主要組成部分,(1)、被控對(duì)象：生產(chǎn)過(guò)程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。 (2)、檢測(cè)變送單元：檢測(cè)量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。 (3)、控制器：實(shí)時(shí)地對(duì)被控系統(tǒng)施加控制作用。 (4)、執(zhí)行器：將控制信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)控制閥。常見(jiàn)的有氣

4、動(dòng)和電動(dòng)兩種。 (5)、控制閥：控制進(jìn)料量。有氣開(kāi)式和氣關(guān)式之別。,11,1、被控對(duì)象 (簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)象或過(guò)程)： 2、被控參數(shù)：按照生產(chǎn)過(guò)程要求，某些變量應(yīng)該維持在穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)，如果對(duì)其施加控制作用，就稱(chēng)其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。,二、常用術(shù)語(yǔ),12,凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動(dòng)。分內(nèi)干擾和外干擾。(內(nèi)干擾如原料成分變化等。) 4、控制參數(shù)：即調(diào)節(jié)介質(zhì)。如儲(chǔ)水槽液位控制系統(tǒng)的給水量。 5、測(cè)量值：被控變量經(jīng)檢測(cè)變送后即是測(cè)量值。,3、干擾:,13,6、給定值：即被控變量的設(shè)定值。 7、偏差值：準(zhǔn)確地說(shuō)，應(yīng)是被控量的給定值與實(shí)際值之差。但能夠直接得到的信號(hào)是被控

5、量的測(cè)量值，故通常把給定值與測(cè)量值之差稱(chēng)作為偏差。 8、調(diào)節(jié)器輸出：根據(jù)偏差值、經(jīng)一定算法得到的輸出值。調(diào)節(jié)器輸出亦稱(chēng)控制作用。,14,1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi),一、一般分類(lèi),1、按工藝參數(shù)分類(lèi)：,有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)等。,2、按系統(tǒng)的任務(wù)分類(lèi)：,有比例控制、均勻控制、前饋控制等。,3、按自動(dòng)化裝置的不同分類(lèi)：,有常規(guī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。,15,是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最多的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時(shí)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小范圍附近波動(dòng)。,4、按控制器的動(dòng)作分類(lèi)：,1、定值控制系統(tǒng),P

6、,PI,PID,位式,二、按設(shè)定值形式分類(lèi),16,2、隨動(dòng)控制系統(tǒng),是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值。,17,3、程序控制系統(tǒng),其給定值按預(yù)定的時(shí)間程序來(lái)變化。如機(jī)械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)，其給定值是按升溫、保溫、逐次降溫等程序變化的。家用電器中應(yīng)用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機(jī)、電飯煲等。,18,三.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)分 反饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng) 復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）,19,反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）,根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定值的偏差進(jìn)行工作， 偏差值是控制的依據(jù)，最后達(dá)到減小或消除偏差的目的 反饋

7、信號(hào)可能有多個(gè)，從而可以構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)（如串級(jí)控制系統(tǒng)）。,20,前饋控制系統(tǒng),也稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作 擾動(dòng)是控制的依據(jù) 在實(shí)際生產(chǎn)中不能單獨(dú)采用。,21,復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）,22,決定過(guò)程控制系統(tǒng)品質(zhì)的環(huán)節(jié)： 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 被控過(guò)程特性 過(guò)程檢測(cè)、控制儀表 性能良好的過(guò)程控制系統(tǒng)，在受到外來(lái)擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng) 平穩(wěn)、 準(zhǔn)確、 迅速地回復(fù)（或趨近）到給定值上。,1.5 控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),23,過(guò)程控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可概括為： 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的； （平穩(wěn)） 系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)；（準(zhǔn)確） 系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能好的過(guò)渡過(guò)程。（迅速）

8、 控制性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過(guò)程的實(shí)際需要確定，通常采用系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的性能指標(biāo)和偏差積分性能指標(biāo)。,穩(wěn)，準(zhǔn)，好,24,階躍響應(yīng)性能指標(biāo),25,階躍響應(yīng)性能指標(biāo),26,衰減比越大系統(tǒng)越穩(wěn)定，一般認(rèn)為，隨動(dòng)系統(tǒng)n:1=10:1時(shí)穩(wěn)定性好，定值系統(tǒng)4:1為好，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活處理。,衰減比（Subsidence Ratio)它是相鄰的同向波峰值之比，即,1、衰減比,27,是衡量過(guò)度過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)(與衰減比含義相同).一般取=0.750.9，對(duì)應(yīng)n=4：110:1。,每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，波動(dòng)幅值衰減的百分?jǐn)?shù),2、衰減率,28,描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的唯一指標(biāo) 指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)

9、穩(wěn)態(tài)值之差。 一般要求余差不超過(guò)預(yù)定值或?yàn)榱恪?3.余差（靜態(tài)偏差）C,29,最大偏差A(yù)（或超調(diào)量） 最大偏差A(yù)是指被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差 超調(diào)量：,4、動(dòng)態(tài)偏差（亦即超調(diào)量）,30,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts 指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值5%（或2%）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。 一般要求ts愈短愈好。,5、調(diào)節(jié)時(shí)間（過(guò)渡過(guò)程時(shí)間）,31,性能指標(biāo)之間的關(guān)系,有些是相互矛盾的（如超調(diào)量與過(guò)渡過(guò)程時(shí)間） 對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，這些性能指標(biāo)各有其重要性。 應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿(mǎn)足主要的品質(zhì)指標(biāo)要求。,除上述單項(xiàng)性能指標(biāo)外，常采用偏差積分性能指標(biāo)來(lái)

10、衡量控制系統(tǒng)。,32,偏差積分性能指標(biāo),偏差絕對(duì)值積分（Integral of Absolute Error:IAE） 適用于衰減和無(wú)靜差系統(tǒng),33,偏差積分性能指標(biāo),偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分（ITAE） 用以降低初始大誤差對(duì)性能指標(biāo)的影響； 同時(shí)強(qiáng)調(diào)了過(guò)渡過(guò)程后期的誤差對(duì)指標(biāo)的影響。,34,偏差積分性能指標(biāo),偏差平方值積分（ Integral of Squared Error: ISE） 同IAE,35,偏差積分性能指標(biāo),時(shí)間乘偏差平方積分（ITSE） 同ITAE,36,生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，一直起著極其重要的作用

11、。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面：,1.6 過(guò)程控制的發(fā)展概況,37,過(guò)程控制的發(fā)展簡(jiǎn)況,手工操作狀態(tài)（20世紀(jì)40年代前后） 儀表化與局部自動(dòng)化階段（5060年代） 綜合自動(dòng)化（60-70年代中期）階段 全盤(pán)自動(dòng)化階段（70年代中期至今）,38,儀表化與局部自動(dòng)化階段（5060年代）,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多為單輸入-單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)。 過(guò)程檢測(cè)控制儀表為基地式儀表和部分單元組合式儀表。,39,基地式儀表,一般與檢測(cè)裝置、顯示裝置一起組裝在一個(gè)整體之內(nèi) 同時(shí)具有檢測(cè)、控制與顯示的功能 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便 通用性差，信號(hào)不易傳遞 一般應(yīng)用于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中。,40,單元組合式儀表,將儀表按其功

12、能分成若干單元 各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系 具有高度的靈活性和通用性，各個(gè)單元可以適當(dāng)組合，也可與計(jì)算機(jī)等設(shè)備配合，組合各種復(fù)雜的、新型的控制系統(tǒng)。 有氣動(dòng)組合儀表和電動(dòng)單元組合儀表（QDZ和DDZ儀表）兩類(lèi)。,41,氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ）,采用140kPa壓縮空氣為能源，以20100kPa標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)輸出 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、工作可靠、安全防火防爆 特別適用于石油、化工等易燃易爆場(chǎng)合,42,電動(dòng)單元組合儀表（DDZ）,采用0-10mA 或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào) 體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便、便于計(jì)算機(jī)接口 部分儀表（如DDZ-型）采取了先進(jìn)的安全防爆措施，能構(gòu)成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)，同樣能應(yīng)用于易燃易爆場(chǎng)合。,43,綜合自動(dòng)化階段（60-70年代中期）,工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)了一個(gè)車(chē)間甚至于一個(gè)工廠的綜合自動(dòng)化 過(guò)程檢測(cè)控制儀表是單元組合儀表和組裝式儀表 逐步采用數(shù)字計(jì)算機(jī)以及以微處理器為基礎(chǔ)的