过程控制系统过程控制系统单回路控制系统单回路控制系统张清东，张晓峰张清东，张晓峰公共邮箱：公共邮箱：PC_720126.com 密密 码：码：processcontrol个人邮箱：个人邮箱：zxf1024ustb.edu.cn7/20/20241过程控制系统单回路控制系统课件“过程控制过程控制”是一门综合工艺、设备、控制，并与实是一门综合工艺、设备、控制，并与实际生产过程联系十分密切的学科。随着科学技术的飞际生产过程联系十分密切的学科。随着科学技术的飞速前进，过程控制也在日新月异地发展。面对当前全速前进，过程控制也在日新月异地发展。面对当前全球的能源危机和环境污染问题，在电子技术和计算机球的能源危机和环境污染问题，在电子技术和计算机网络等强大工具的支持下，它不仅在传统工业的运行网络等强大工具的支持下，它不仅在传统工业的运行和改建中起到提高质量、节约原材料和能源、减少环和改建中起到提高质量、节约原材料和能源、减少环境污染等不可替代的重要作用，而且正在成为新建的境污染等不可替代的重要作用，而且正在成为新建的规模大、参数多、结构复杂的工业生产过程中不可或规模大、参数多、结构复杂的工业生产过程中不可或缺的组成部分，发挥着重要作用。缺的组成部分，发挥着重要作用。7/20/20242过程控制系统单回路控制系统课件2.1.1 系统与自动控制系统系统系统/System:/System:为了达到某种目的的一组具有特定功能，彼此相互联系又相互作用的元素之间的有机组合。A system is a collection, set, or arrangement of elements (subsystems).2.1 过程控制系统基本概念过程控制系统基本概念元素元素/Element (component)/Element (component)An element (component) is the smallest part of a system that can be treated as a whole (entity).7/20/20243过程控制系统单回路控制系统课件控制系统控制系统/Control system/Control systemA control system is a group of physical components arranged to control themselves or another systems.自动控制系统自动控制系统/Automatic control systemAutomatic control systemAn automatic control system is a control system that is self-regulating, without any human intervention.7/20/20244过程控制系统单回路控制系统课件开环控制系统开环控制系统/Open-loop control system/Open-loop control system An open-loop control system is a control system in which the control (regulating) action is independent of the output.2.1.2开环控制系统与闭环控制系统7/20/20245过程控制系统单回路控制系统课件图1-1 温度控制系统1-控制器（自耦变压器） 2-被控对象（电阻炉） 例例1. 温度控制系统7/20/20246过程控制系统单回路控制系统课件图1-2 开环控制方块图（Block Diagram of Open Loop System）1-控制器（自耦变压器） 2-被控对象（电阻炉） 7/20/20247过程控制系统单回路控制系统课件v信号线(Signal Line)v环节(loop)v分支点(Starting Point)v相加点(Summing Point)方块图中的符号方块图中的符号7/20/20248过程控制系统单回路控制系统课件v开环控制开环控制(Open Loop Control)： 控制系统的输出量对系统没有控制作用。v特点：特点：输入量与输出量一一对应；信号传递是单方向的，即只有输入量对输出量产生控制作用；结构简单、价格便宜、容易维修；系统没有抗干扰能力，精度低；7/20/20249过程控制系统单回路控制系统课件闭环控制系统闭环控制系统/Closed-loop control system/Closed-loop control systemA closed-loop control system is a control system in which the control (regulating) action is influenced by the output.7/20/202410过程控制系统单回路控制系统课件图1-3 炉温闭环控制系统图1-热电偶 2-加热器 例2. 炉温闭环控制系统7/20/202411过程控制系统单回路控制系统课件 图1-4 闭环控制结构图 1-控制器（电压功率放大器、控制电机、减速器和调压器组成） 2-控制对象（恒温箱） 3-检测装置（热电偶）前向通道前向通道反向通道反向通道7/20/202412过程控制系统单回路控制系统课件v闭环控制（反馈控制：闭环控制（反馈控制：Feedback Control）： 闭环控制是把系统的输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到系统的输入端去与给定量进行比较（形成偏差），利用偏差量作为控制信号来纠正偏差。7/20/202413过程控制系统单回路控制系统课件SISOSISO系统系统/Single-input , single-output (SISO) system/Single-input , single-output (SISO) systemM MI IM MO O系统系统/ /MultMulti ip ple-input , le-input , m multiple-output (ultiple-output (M MI IM MO) O) systemsystemA multiple-input, multiple-output (MIMO) system is a system where several parameters may be entered as input and output is represented by multiple variables. A single-input, single-output (SISO) system is a system where only one parameter is entered as input and only one parameter represents the output.7/20/202414过程控制系统单回路控制系统课件2.1.3 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节 1-给定环节(Set Point)；2-比较环节(Comparator)；3-校正环节(Adjustor)；4-放大环节(Amplifier)；5-执行机构(Actuator)；6-被控对象(Plant)；7-检测装置(Sensor、Transducer)7/20/202415过程控制系统单回路控制系统课件例例3：冷轧厚度反馈控制系统：冷轧厚度反馈控制系统冷轧厚度反馈控制系统冷轧厚度反馈控制系统（FB-AGC）h1hh0l压下缸带钢+-测厚仪反馈控制器7/20/202416过程控制系统单回路控制系统课件例例4：厚度控制系统：厚度控制系统l压下缸带钢测厚仪前馈式厚度控制器厚差计算HactHref移位寄存器HSS冷轧厚度前馈控制系统冷轧厚度前馈控制系统（FB-AGC）7/20/202417过程控制系统单回路控制系统课件过程控制过程控制系统系统/Process control system/Process control system工业生产过程的自动控制与电力拖动、电机运转的自动控制分属两个范畴。2.2 过程控制系统与计算机过程控制系统过程控制系统与计算机过程控制系统本课程讲述工业生产过程的自动控制，即石石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织等流程工油、化工、冶金、电力、轻工、纺织等流程工业连续生产过程的自动控制业连续生产过程的自动控制，称之为过程控制系统 。其被控量主要是温度、压力、流量、料被控量主要是温度、压力、流量、料位和成分等位和成分等。7/20/202418过程控制系统单回路控制系统课件过程控制过程控制系统设计系统设计过程控制系统的设计工作，其实质是依据依据 不同的对象特性及控制系统的性能指标，应不同的对象特性及控制系统的性能指标，应用用 理论对控制系统进行分析和综合，确定理论对控制系统进行分析和综合，确定控制方案，并设计控制器控制方案，并设计控制器 ，最后采用，最后采用 适宜适宜的技术手段加以实现的技术手段加以实现。因此可以说，过程控制是 控制理论、控制理论、 控制对象（流程工业生产控制对象（流程工业生产过程）工艺知识过程）工艺知识 、计算机技术、计算机技术等知识相结合而构成的一门应用科学。7/20/202419过程控制系统单回路控制系统课件近20年来，随着计算机技术的发展，已将计算机用于过程控制系统，称之为计算机过程控制系统。计算机过程控制是当代大型机械设备自动化控制的基本形式。计算机计算机过程控制过程控制系统系统/Computer Process control /Computer Process control systemsystem计算机过程控制系统主要由 被控对象、被控对象、 传感变传感变送器送器 、计算机装置和、计算机装置和 执行机构执行机构四部分组成。7/20/202420过程控制系统单回路控制系统课件图2-2-1 计算机过程控制系统基本结构7/20/202421过程控制系统单回路控制系统课件近20年来，随着计算机技术的发展，已将计算机用于过程控制系统，称之为计算机过程控制系统。计算机过程控制是当代大型机械设备自动化控制的基本形式。计算机计算机过程控制过程控制系统系统/Computer Process control /Computer Process control systemsystem计算机过程控制系统控制功能主要可分为 常规常规PIDPID控制控制 、 最优控制、自适应控制和智能控制最优控制、自适应控制和智能控制。7/20/202422过程控制系统单回路控制系统课件2.3.1 单回路控制系统特点与框图 单回路控制单回路控制系统定义系统定义2.3 单回路控制系统单回路控制系统也称简单控制系统，是指那些 只有一个被只有一个被控制量、一个控制量且只有一个控制器、一控制量、一个控制量且只有一个控制器、一个执行器个执行器所组成的控制回路。7/20/202423过程控制系统单回路控制系统课件2.3 单回路控制系统单回路控制系统 单回路控制单回路控制系统框图系统框图图2-4-1单回路控制系统框图7/20/202424过程控制系统单回路控制系统课件 反馈与负反馈反馈与负反馈p反馈反馈概念已经成为控制系统分析与设计的基础。对输出的测量值成为反馈信号。p负反馈指从参考输入信号中减去反馈输出信号，并以其差值作为控制器的输入信号的一种系统结构形式。7/20/202425过程控制系统单回路控制系统课件2.3.2 过程数学模型过程数学模型过程数学模型定义定义数学模型过程的动态数学模型2.3 单回路控制系统单回路控制系统数学模型：事物行为规律的数学描述。The mathematical model for an element or a system is an equation or set of equations that define the relationship between the input and output (variables).根据所描述的是事物在稳态下的行为规律还是动态下的行为规律，数学模型有静态静态模型模型和动态模型动态模型之分。过程的动态数学模型：表示输出向量（或变量）与输入向量（或变量）间动态关系的数学描述。7/20/202426过程控制系统单回路控制系统课件2.3.2 过程数学模型过程数学模型表达形式过程数学模型表达形式2.3 单回路控制系统单回路控制系统按系统的连续性划分为：连续系统模型；离散连续系统模型；离散系统模型系统模型。按系统的结构划分为：输入输出模型；状态空输入输出模型；状态空间模型。间模型。前者又可按论域划分为：时域表达模型 （如微分方程模型）；频域表达模型（如传递函数模型）7/20/202427过程控制系统单回路控制系统课件2.3.2 过程数学模型过程数学模型表达形式过程数学模型表达形式2.3 单回路控制系统单回路控制系统在控制系统的设计中，各种控制算法无不要求过程模型以某种特定形式表达出来，例如PID控制控制 二次型最优控制二次型最优控制 基于参数估计的自适应控制基于参数估计的自适应控制 预测控制预测控制 传递函数传递函数状态空间状态空间脉冲传递函数脉冲传递函数脉冲响应或阶跃响应脉冲响应或阶跃响应7/20/202428过程控制系统单回路控制系统课件2.3.3 控制系统的性能指标过程控制系统过程控制系统的的运行状态运行状态2.3 单回路控制系统单回路控制系统稳态：动态：7/20/202429过程控制系统单回路控制系统课件2.3.3 控制系统的性能指标过程控制系统过程控制系统的的性能指标性能指标2.3 单回路控制系统单回路控制系统通常，对系统动态性能的描述约定为：以系统对单位阶跃信号的响应为准，定义具体的指标，由于系统的响应与初始条件有关，为了便于比较，通常采样标准初始条件（即零初始条件，亦在输入加入以前，系统的输出及输出的各阶导数均为零）7/20/202430过程控制系统单回路控制系统课件典型初始状态典型初始状态这表明，在外作用加入系统之前系统是相对静止的，被控制量及其各阶导数相对于平衡工作点的增量为零。典型初始状态规定控制系统的初始状态均为零状态，即在 时7/20/202431过程控制系统单回路控制系统课件不失一般性，设系统的单位阶跃响应如图：(BP1516)7/20/202432过程控制系统单回路控制系统课件 系统达到稳态过程之前的过程称为瞬态过程。瞬态分析是分析瞬态过程中输出响应的各种运动特性。理论上说，只有当时间趋于无穷大时，才进入稳态过程，但这在工程上显然是无法进行的。在工程上只讨论输入作用加入一段时间里的瞬态过程，在这段时间里，反映了主要的瞬态性能指标。 综上所述，对于稳定的系统，对于一个有界的输入，当时间趋于无穷大时，微分方程的全解将趋于一个稳态的函数，使系统达到一个新的平衡状态。工程上称为进入稳态过程。 如某系统的单位阶跃响应曲线如图所示：7/20/202433过程控制系统单回路控制系统课件过程控制系统过程控制系统(瞬态过程瞬态过程)的性能指标的性能指标 通常以阶跃响应来衡量系统控制性能的优劣和定义瞬态过程的时域性能指标。稳定的随动系统（不计扰动）的单位阶跃响应函数有衰减振荡和单调变化两种。（一）衰减振荡：具有衰减振荡的瞬态过程如图所示： 延迟时间 ：输出响应第一次达到稳态值的50%所需的时间。7/20/202434过程控制系统单回路控制系统课件 最大超调量（简称超调量） ： 上升时间 ： 峰值时间 ：7/20/202435过程控制系统单回路控制系统课件 调节时间或过渡过程时间 ： 振荡次数N：7/20/202436过程控制系统单回路控制系统课件稳态过程的性能指标稳态过程的性能指标（二）单调变化7/20/202437过程控制系统单回路控制系统课件E2-1 E2-1 过程控制系统过渡过程的性能指标包过程控制系统过渡过程的性能指标包括哪些主要内容括哪些主要内容? ?它们的定义是什么它们的定义是什么? ?E2-2 E2-2 由于在相同输入量作用下，如果误差由于在相同输入量作用下，如果误差愈小，且持续作用时间愈短，则系统的质愈小，且持续作用时间愈短，则系统的质量愈高，因此人们常用误差积分指标来判量愈高，因此人们常用误差积分指标来判断控制系统质量的优劣。请问常用的误差断控制系统质量的优劣。请问常用的误差性能指标有哪几种性能指标有哪几种? ?具体含义是什么？具体含义是什么？作业作业17/20/202438过程控制系统单回路控制系统课件过程控制系统的控制质量控制质量取决于组成该系统的各个环各个环节的特性节的特性和系统结构系统结构。一个单回路控制系统可一个单回路控制系统可看作由广义过程和控制器所构成。当一个系统组成后，过程各通道的静态与动态特性已定，此时，系统控制过程的品质取决于控制器各个参系统控制过程的品质取决于控制器各个参数值的设置。数值的设置。2.3.4 单回路控制系统控制器参数的整定7/20/202439过程控制系统单回路控制系统课件本课程中，控制系统均采用传递函数与方框图描述方法：本课程中，控制系统均采用传递函数与方框图描述方法：图2-3-3单回路控制系统框图7/20/202440过程控制系统单回路控制系统课件“广义对象”的概念特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。7/20/202441过程控制系统单回路控制系统课件工业自动化常用控制算法工业自动化常用控制算法pPIDPID类类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等），特点：特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。pAPCAPC类类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），特点：特点：主要适用于MIMO、大纯滞后、有约束系统，需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。7/20/202442过程控制系统单回路控制系统课件&为什么在工业过程控制中大都（将近为什么在工业过程控制中大都（将近90%以上）采用以上）采用PID控制器？控制器？ “PID控控制制器器作作为为工工业业控控制制中中的的主主导导控控制制器器结结构构，其其获获得得成成功功应应用用的的关关键键在在于于，大大多多数数过过程程可可由由低低阶阶动动态态环环节节（一一阶阶或或二二阶阶惯惯性性加加纯纯滞滞后后，简简记记作作：FOPDT及及SOPDT）近近似似逼逼近近，而而针针对对此此类类过过程程，PID控控制制器器代代表表了一个实用而廉价的解。了一个实用而廉价的解。”7/20/202443过程控制系统单回路控制系统课件vPID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自20世纪30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过计算机语言编程实现。由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和普适性。 7/20/202444过程控制系统单回路控制系统课件v在实际工业控制中，大多数被控对象通常都有在实际工业控制中，大多数被控对象通常都有储能储能元件元件存在，这就造成系统对输入作用的响应有一定存在，这就造成系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外，在能量和信息的传输过程中，由于的惯性。另外，在能量和信息的传输过程中，由于管道和传输等原因管道和传输等原因会引入一些时间上的滞后，往往会引入一些时间上的滞后，往往会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，为了会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质，通常在系统中引入改善系统的调节品质，通常在系统中引入偏差偏差的的比比例调节例调节，以保证系统的，以保证系统的快速性快速性。引入。引入偏差的积分调偏差的积分调节节以以提高控制精度提高控制精度，引入，引入偏差的微分调节偏差的微分调节来来消除系消除系统惯性的影响，提高动态响应速度统惯性的影响，提高动态响应速度，这就形成了按，这就形成了按偏差偏差PID调节的系统。其控制结构如下图所示。调节的系统。其控制结构如下图所示。 7/20/202445过程控制系统单回路控制系统课件v模拟PID控制器的微分方程为 :vKp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数，KI为积分系数；KD为微分系数。 e(t)u(t)y(t)r(t)模拟PID控制系统G0(s)KPTI sKPKPTDs7/20/202446过程控制系统单回路控制系统课件PID控制算法形式：控制算法形式：7/20/202447过程控制系统单回路控制系统课件如前所述，一个单回路控制系统可如前所述，一个单回路控制系统可看作由广义过程和控制器所构成。当一个系统组成后，过程各通道的静态与动态特性已定，此时，系统控制过程的品质取决系统控制过程的品质取决于控制器各个参数值的设置。于控制器各个参数值的设置。2.3.4 单回路控制系统调节器参数的整定7/20/202448过程控制系统单回路控制系统课件调节器参数整定方法调节器参数整定方法p理论计算整定法p工程整定法p计算机仿真寻优整定法2.3.4 单回路控制系统调节器参数的整定理论计算整定法由于过分依赖过程的数学模型，而在建立数学模型时忽略了许多次要因素，故过程模型的精确度不高，计算所得的数据不可靠，而且计算所得的数据不可靠，而且计算繁琐，工作量很大，工程上很少用计算繁琐，工作量很大，工程上很少用。计算机仿真寻优整定法利用误差积分（ISE：平方误差积分； ITSE：时间乘平方误差积分； IAE：绝对误差积分；ITAE：时间乘绝对误差积分）最优准则，通过计算机仿真以求控制器的参数整定达到最优，该整定方法的应用越来越广泛应用越来越广泛。7/20/202449过程控制系统单回路控制系统课件2.3.4 单回路控制系统调节器参数的整定工程整定法工程整定法直接在控制系统中进行，且方法简单、实用，易于掌握，在工程实际中被广泛应用工程实际中被广泛应用。7/20/202450过程控制系统单回路控制系统课件4:1衰减曲线法（衰减比为衰减曲线法（衰减比为4：1或衰减率为或衰减率为75%）Step1：将控制器积分时间置于 ，微分时间 ，比例度 置于最大值，将系统投入闭环运行；7/20/202451过程控制系统单回路控制系统课件4:1衰减曲线法（衰减比为衰减曲线法（衰减比为4：1或衰减率为或衰减率为75%）Step2：待系统运行稳定后，对给定值作一适当幅值的阶跃扰动，并逐步减小比例度，直到记录曲线出现4：1衰减曲线为止，记录此时的比例度 和衰减曲线的第一个振荡周期Ts。7/20/202452过程控制系统单回路控制系统课件Step3：根据衰减曲线法整定计算公式，计算确定控制器PID参数的整定值。0.1Ts0.3Ts 0.8PID0.5Ts 1.2 PIPTD/minTI/min （%） 控制器参数控制规律4：1衰减法整定计算公式表衰减法整定计算公式表7/20/202453过程控制系统单回路控制系统课件4:1衰减曲线法应用范围衰减曲线法应用范围4:1衰减曲线法是应用较理想的衰减曲线法；由于过程特性的不同，4:1衰减曲线法并不一定得到最佳过渡过程曲线。此时，可采用10：1衰减曲线法；对于扰动较频繁和过程变化迅速的控制系统，不宜采用衰减曲线法整定。7/20/202454过程控制系统单回路控制系统课件E2-3 E2-3 请简述工业生产请简述工业生产过程中常用的过程中常用的PIDPID控制控制的的P P、I I和和D D作用？描述作用？描述P P、PI PI、PDPD和和PIDPID等基等基本本PIDPID控制算法。控制算法。作业作业27/20/202455过程控制系统单回路控制系统课件