过程控制仪表及控制系统第01章-绪论课件.ppt

1、第第1 1章章 绪论绪论 在现代生产过程中，为保证生产安全顺利进行，达到优质高产，提高经济效益和劳动生产率，节约能源，改善劳动条件和保护环境，必须对生产过程的各种参数，例如温度、压力、流量、物位、粘度、湿度、酸碱度（PH值）以及各种物料的成分等进行自动控制。因此，自动控制技术广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能以及航空航天等工业部门。1.1.1 过程控制系统的组成过程控制系统的组成过程控制系统是从人工控制发展而来的，为了便于理解，以图1-1a的液位人工控制为例作介绍。人工控制反应缓慢，液位波动较大。因此，用图1-1b所示的液位控制系统代替人工控制。1.1.1 过程控

2、制系统的组成过程控制系统的组成图1-1b的液位控制系统可画出组成框图，见图1-2。从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备，称为被控过程，可简称过程；作用于过程且使被控参数y(t)变化的作用称为扰动。控制参数q(t)的作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰动作用f(t)企图使被控参数y(t)偏离给定值x(t)，称为外部扰动。过程控制系统实例过程控制系统实例1锅炉是电力、化工、冶金、石油、轻工等工业部门常用的动力设备。锅炉输出的过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数，过热蒸汽温度的高低，会直接影响到生产过程能否顺利进行，严重时，会损坏生产设备。因此，必须对锅炉的过热蒸汽的温度进行自动控制

3、，控制系统组成的原理图见图1-3。图1-3 过热蒸汽温度控制系统1-温度检测元件 2-温度变送器 3-温度调节器 4-调节阀 过程控制系统实例过程控制系统实例2在石油、化工、印染和造纸等生产过程中会产生大量的污水。若不经过处理直接排放到江河湖泊，必将造成严重的环境污染，破坏生态平衡，影响生产和人民生活，危及人民身体健康。根据国家有关规定，必须对污水进行处理，使其酸碱度PH=7，才能排入江河湖泊，为此，组成图1-4 所示的PH控制系统。图1-4 PH控制系统1-贮液罐 2-PH变送器 3-PHC调节器 4-调节阀过程控制系统的组成过程控制系统的组成由上述三个过程控制系统实例可见，过程控制系统由检

4、由上述三个过程控制系统实例可见，过程控制系统由检测元件、变送器、调节器、调节阀和电子计算机（也可以测元件、变送器、调节器、调节阀和电子计算机（也可以看作一台仪表）及被控过程组成。看作一台仪表）及被控过程组成。若将检测元件、变送器、调节器、调节阀和电子计算机若将检测元件、变送器、调节器、调节阀和电子计算机看作过程测量控制仪表，则一个简单的过程控制系统由被看作过程测量控制仪表，则一个简单的过程控制系统由被控过程和过程测量控制仪表两部分组成。控过程和过程测量控制仪表两部分组成。1.1.2 过程控制系统的分类过程控制系统的分类1.按系统的结构特点分类：按系统的结构特点分类：反馈控制系统反馈控制系统 前

5、馈控制系统前馈控制系统 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统2.按给定值信号的特点分类按给定值信号的特点分类 定值控制系统定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统81系统由过程检测控制仪表组成系统由过程检测控制仪表组成 如前所述，一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。设计过程控制系统时，必须根据过程的特性和工艺要求，选用过程检测控制仪表组成控制系统，然后通过整定调节器的PID参数，使系统运行于最佳状态，实现对生产过程的最佳控制。2被控过程的多样性被控过程的多样性 在现代生产过程中，被控过程的形式是多种多样的。有些生产过程具有大惯性、大延时（大滞后）的

6、动态特性和严重的非线性的特点；有些生产过程的工作机理复杂（如发酵、生化过程等），至今尚未被人们所认识，因此很难用目前的解析方法或过程辨识方法求得其精确的动态数学模型，要设计出能适应各种过程的最佳控制系统是比较困难的。3控制方案的多样性控制方案的多样性 由于被控过程的多样性，且多数属于多变量、分布参数、非线性、大惯性和大时延。为了满足生产要求，过程控制中的控制方案十分丰富，常有单变量控制系统、多变量控制系统、常规仪表控制系统、计算机集散控制系统和现场总线控制系统等。4控制过程多属慢过程和参量控制控制过程多属慢过程和参量控制 如前所述，被控过程多属大惯性、大时延的过程，因此决定了控制过程是一个缓慢

7、的过程。另外，在石油、化工、冶金、电力、轻工、建材、制药等生产过程中，常用温度、压力、流量、液位（物位）、成分、PH值等参量来表征其生产过程是否正常，必须对这些参量进行自动检测和自动控制，因此过程控制多半属参量控制。5定值控制是过程控制的一种主要形式定值控制是过程控制的一种主要形式 目前，在生产过程中，多数生产工艺要求被控参数保持恒定或在很小范围内变化。因此，过程控制的主要目的是如何减小或消除外界扰动对被控参数的影响，使其稳定在给定值上，以达到优质高产、低消耗的目的，所以定值控制是过程控制的一种主要形式。一个性能良好的过程控制系统在给定值发生变化或受到外界扰动作用时，被控量应能平稳、迅速和准确

8、地趋近或回复到给定值上。在衡量和比较不同控制方案时，必须定出评价控制性能优劣的质量指标。常用的控制性能优劣的质量指标有下列两种。1.3.1系统过渡过程质量指标系统过渡过程质量指标 通常以阶跃信号作用下控制系统输出的过渡过程曲线来描述系统的各项指标，见图1-5。图1-5a为扰动值阶跃作用下的响应曲线；图1-5b为给定值阶跃作用下的响应曲线。图1-5 阶跃作用下控制系统过渡过程响应曲线a）定值控制系统 b）随动控制系统1.3.1系统过渡过程质量指标系统过渡过程质量指标1余差（静态偏差）余差（静态偏差）e 余差是指系统过渡过程结束后，被控参数新的稳定值y（）与给定值c之差，其值可正可负。它是一个静态

9、质量指标，对定值控制系统，给定值是生产的技术指标，希望余差愈小愈好。2衰减比和衰减率衰减比和衰减率衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比。衡量系统的稳定性也可用衰减率来表示，衰减率 为BBn BBB为了保证系统有足够的稳定度，通常取 0.750.9之间。1.3.1系统过渡过程质量指标系统过渡过程质量指标3最大偏差和超调量最大偏差和超调量 对于定值控制系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值c之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。由图1-5a可见，最大偏差A=B+e。随动控制系统常用超调量来衡量被控参数偏离给定值的程度。超调量 可定

10、义为()()100%()py tyy 最大偏差A和超调量 是衡量控制系统的重要质量指标。有些生产工艺规定了最大偏差的限制条件，不允许超出某一数值。1.3.1系统过渡过程质量指标系统过渡过程质量指标4过渡过程时间过渡过程时间 从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的5%或2%范围内所需的时间 ，称 为过渡过程时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，愈小，过渡过程进行得愈快。5峰值时间峰值时间 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需的时间 ，称 为峰值时间。值的大小反映了系统响应的灵敏程度。ststptpt1.3.1系统过渡过程质量指标系统过渡过程质量指标必须指出，上述各项质量指标是相互联系又相

11、互制约的，例如，一个系统的稳态精度要求很高时，可能会引起动态不稳定；解决了稳定问题后，又可能因反应迟钝而失去快速性。要高标准地同时满足各项质量指标是很困难的，因此，应根据生产工艺的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的质量指标。1.3.2 误差（偏差）性能指标误差（偏差）性能指标除了用上述各项指标来衡量控制系统质量外，也常用误差积分指标判断系统质量的优劣。因为在相同输入量作用下，如果误差愈小，且持续作用时间愈短，则系统的质量愈高；反之，误差愈大，且持续作用时间愈长，则质量愈差。常用的误差性能指标有下列几种。误差平方值积分(ISE)ISE=时间乘误差平方积分(ITSE)ITSE=误差绝

12、对值积分(IAE)IAE=时间乘误差绝对值积分(ITAE)ITAE=min)(02dttemin)(02dtttemin)(0dttemin)(0dttet 随着现代工业生产的迅速发展，作为自动控制技术重要部分的过程控制技术也得到迅猛发展，并达到新的水平。回顾工业生产自动化的发展历程，大致经历了下述几个阶段。1.4.1 仪表化与局部自动化阶段1.4.2 综合自动化阶段1.4.3 全盘自动化阶段1.4.1 仪表化与局部自动化阶段仪表化与局部自动化阶段20世纪5060年代，一些工厂企业实现了仪表化与局部自动化，这是过程控制发展的第一个阶段。这个阶段的主要特点是：检测和控制仪表主要采用基地式仪表和部

13、分单元组合仪表（多数是气动仪表），组成单输入-单输出的单回路定值控制系统，对生产过程的热工参数，如温度、压力、流量和液位进行自动控制。控制目的是保持这些参数的稳定。过程控制系统的设计、分析的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。1.4.2 综合自动化阶段综合自动化阶段20世纪6070年代中期，由于工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求。电子技术的发展也为生产过程自动化的发展提供了完善的条件，过程控制的发展进入第二个阶段。在这个阶段，出现了一个车间乃至一个工厂的综合自动化。在系统结构方面，为提高控制质量与实现一些特殊的控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，例如，串级、比值、均匀

14、和前馈-反馈控制等。在过程控制理论方面，除了采用经典控制理论外，开始应用现代控制理论以解决实际生产过程中遇到的更为复杂的控制问题。1.4.3 全盘自动化阶段全盘自动化阶段20世纪70年代以来，过程控制技术进入了飞速发展阶段，实现了全盘自动化。微型计算机（以下简称微机）广泛应用于过程控制领域，对整个工艺流程，全工厂，乃至整个企业集团公司进行集中控制和经营管理以及应用多台微机对生产过程进行控制和多参数综合控制，是这一阶段的主要特点。20世纪90年代，又出现了现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），它是继计算机技术、网络技术和通信技术得到迅猛发展后，是与自动控制技术和系统进一步结合的产物。它的出现使控制系统中的基本单元-各种仪表单元也进入了网络时代，从而改变了传统回路控制系统的基本结构和连接方式。