E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y东华理工大学自动化专业课程东华理工大学自动化专业课程过程控制系统及其应用过程控制系统及其应用机电学院自动化系机电学院自动化系罗先喜罗先喜 （副教授）（副教授）xxluoecit.edu.cn.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y内内 容容 简介简介一、地位和作用一、地位和作用自动化专业的一门专业选修课。培养学生以自动控制为基础，用自动化仪表或以工业控制计算机构成过程控制系统分析与设计思想与能力。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y内内 容容 简介简介二、知识体系（理论二、知识体系（理论40+40+实验实验6 6）知识领域知识领域1：过程控制系统概述（：过程控制系统概述（2学时）学时）知识领域知识领域2：检测仪表（：检测仪表（6学时）学时） 过程执行器（过程执行器（2学时）学时）知识领域知识领域3：被控过程的动态特性与模型（：被控过程的动态特性与模型（8学时）学时）知识领域知识领域4：过程控制策略：过程控制策略 单回路控制系统（单回路控制系统（8学时）学时） 串级控制系统（串级控制系统（6学时）学时） 前馈反馈控制系统（前馈反馈控制系统（6学时）学时） 大延时与比值控制系统（大延时与比值控制系统（4学时）学时）知识领域知识领域5：计算机过程控制系统（：计算机过程控制系统（2学时）学时） 复习复习-（2 2学时学时）.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y第一章第一章 过程控制的基本概念过程控制的基本概念第一节 过程控制的发展概况第二节 过程控制系统的组成第三节 过程控制的分类第四节 生产对过程控制的要求和指标.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y第一节第一节 过程控制的发展概况过程控制的发展概况 自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发展首先从工业生产领域开始，而工业自动化的发展又与工业生产过程本身的发展有着密切的联系。随着生产从简单到复杂，从局部到全局，从低级到智能的发展，工业生产自动化也经历了一个不断发展的过程。 第一阶段第一阶段 第二阶段第二阶段 第三阶段第三阶段.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y第一阶段 以经典控制理论为基本方法，即用传递函数进行数学描述，对系统进行分析的基本方法为根轨道法和频率法。一般处理方法是将一个复杂过程分解为若干个简单的过程，然后采用单输入、单输出的控制系统。控制目标主要是保持整个生产的正常平稳和安全，实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器。自动化水平处于比较低级的阶段.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y第二阶段 生产过程向着大型化、连续性方向发展，原有简单控制的模式已不能满足要求。现代控制理论，提供了更好理论基础。以状态空间法、最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理和动态规划为基础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计三个部分。分析方法由外部现象深入到揭示系统的内在规律，从局部控制到全局最优控制。而自动控制的工具也产生了直接数字控制（DDC）和监督计算机控(SCC)。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y最大成就就是大规模集成电路和微处理器的产生，加速了工业计算机普及和发展。具有可靠性和灵活性的工业计算机，成为一种全新的工业控制工具。集散控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术于一体的计算机系统。控制理论和其它学科相互渗透，从而形成了以大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三代控制理论。第三阶段 .E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 20世纪80年代以后信息技术和网络技术在自动化技术领域产生极大的影响和推动作用，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统。而自动化的实现工具也由DCS系统发展到了现场总线控制系统（FCS）。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y第二节第二节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成过程控制通常用于各工业部门生产过程的自动化，过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、流量、压力、液位等这样一些过程变量时的系统。 下面以供热锅炉液位控制系统为例，介绍过程控制系统的组成。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 锅炉是整个供热系统中最重要的设备。锅炉在工作时必须将水位保持在一定的高度，水位过低，锅炉有可能烧干而酿成事故，如果水位过高，产生的蒸汽含水量太高，不成为过热蒸汽，造成供热管道积水。因此必须根据锅炉蒸汽负荷的大小调整锅炉的给水量，使水位始终维持在允许的范围内。 锅炉水位控制：人工方法锅炉水位控制：人工方法 锅炉水位控制：自动控制锅炉水位控制：自动控制.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 锅炉水位控制的人工方法:是靠人眼观察玻璃液位计，根据水位的变化，凭经验而去改变供水阀门的开度，使水位保持在规定的位置上(见图1-1 a)。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 锅炉水位的自动控制由液位变送器测量得到水位的变化,信号输入到控制器中控制器将输入的信号和水位的设定的标准值信号运算后发出控制命令通过执行器改变阀门的开度以增减给水量，达到锅炉水位的平衡。实现了水位的自动控制。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 从以上例子中可以看出，要实现水位控制需要以下装置：1）测量水位变化的传感器或变送器。2）能将水位测量值和水位设定值进行比较并进 行控制运算的控制器。3）设定水位的定值器（可能包括在控制器内）。4）执行控制命令的执行器。5）调节给水量的调节阀。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 这些装置和被控对象锅炉本身组成了一个过程控制系统，见图1-2所示。 u a q 控制器控制器执行器执行器控制阀控制阀被控对象被控对象检测元件，变送器检测元件，变送器图1-2 过程控制系统原理方框图+-扰动扰动d被控量被控量y设定值设定值r偏差值偏差值e.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y过程控制系统中应该包括以下几个部分：一、被控对象被控对象 二、传感器和变送器、传感器和变送器 三、控制器三、控制器四四、执行器执行器 五、调节阀五、调节阀 .E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y一、被控对象被控对象被控对象是指生产过程被控制的工艺设备或装置。例如上述例子中的锅炉。当被控对象中所需控制的参数仅有一个（例如锅炉的水位控制），则工艺设备与被控对象的特性是一致的。当工艺设备的被控参数二个以上（例如锅炉水位控制实际上决定于给水量，蒸汽流量和压力等参数），则往往会使其特性相互制约，这时应有一套可能是互相关联的控制系统，这样的工艺设备作为被控对象，应对其中不同的过程作不同的分析。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y二、传感器和变送器、传感器和变送器 按生产工艺要求，被控对象的有关控制参数应通过自动检测以获得可靠的信息。信息的获得依靠传感器或变送器来完成。被控的工艺参数一般为非电量物理量，通过传感器将其变成相对应的电信号。而变送器还会将此信号转换为标准信号。目前的标准电信号主要有二种，一种为型的标准电信号，即0-10mA 直流电流信号，另一种为型的电信号，是4-20mA的直流电流信号或1-5V的直流电压信号。也可转换成1.961049.8104 Pa的标准气压信号。传感器或变送器的输出也就是被控量的测定值z。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y三、控制器三、控制器 扰动扰动：使被控量发生变化的任何作用称为扰动。内扰内扰：在控制通道内，在控制阀未动情况下，由于通道内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰。外扰外扰：而其他来自外部的影响统称为外扰。 扰动一经产生，控制器发出控制命令对系统实行控制。工艺要求规定的被控量的参数值称为设定值r。在系统中，传感器或变送器的测量值z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e，当 r时称为负偏差， r时称为正偏差。控制器根据e的大小，根据控制器规定的控制算法进行运算，输出一个相对应的控制信号u去推动执行器。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y四四、执行器执行器 执行器接收控制器的控制信号u，经变换或放大后推动调节阀。目前的执行器有气动执行器和电动执行器，如控制器是电动的，而执行器是气动的，则在控制器与执行器之间要有电气转换器。如用电动执行器，则控制器输出须经伺服放大器放大才能驱动执行器以推动调节阀。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y五、调节阀五、调节阀 控制器输出控制信号u，经气动或电动执行器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使被控量受到控制。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y第三节 过程控制的分类一、各种分类方法一、各种分类方法1 1）按被控量分类）按被控量分类：温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统，液位控制系统等。2 2）按控制系统回路分类）按控制系统回路分类：开环控制系统及闭环控制系统，单回路控制和多回路控制。3 3）按控制器的控制算法分类）按控制器的控制算法分类：比例控制系统，比例积分控制系统，比例积分微分控制系统及位式控制系统等。4 4）按控制系统的模式分类）按控制系统的模式分类：比值控制系统，均匀控制系统，前馈控制系统及自适应控制系统等。5 5）按控制器信号分类）按控制器信号分类：常规的仪表控制系统，计算机控制系统，集散控制系统和现场总线控制系统等。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 以上是人们视具体情况所采用的不同的分类，并没有什么严格的规定。而作为过程控制而言。主要是分析反馈控制的特性，这就和设定值有密切关系，因此按设定值来分类则更有意义。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y二、二、设定值分类设定值分类 ：1) 1) 定值控制系统定值控制系统 2) 2) 随动控制系统随动控制系统 3) 3) 程序控制系统程序控制系统.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y1) 1) 定值控制系统定值控制系统 将系统被控量的设定值保持某一定值（或在某一很小范围内不变）的控制系统称为定值控制系统。这样的系统是过程控制中应用最多的一种控制系统。前面所述的锅炉水位控制系统就是这样的定值控制系统。在定值控制系统中，设定值固定不变，引起系统变化的只是扰动信号。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y2) 2) 随动控制系统随动控制系统 随动控制系统是被控量的设定值随着时间任意变化的控制系统。其主要作用是克服一切扰动，使被控量及时跟踪设定值变化。 .E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 3 3）程序控制系统）程序控制系统 程序控制系统被控量的设定值是按预定的时间程序变化的。控制的目的是使被控量按规定的程序自动变化。如工业热处理炉等周期作业的加热设备，一般都有升温，保温和降温等按时间变化的规律，设定值按此程序进行控制，以达到控制的目的。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y第四节第四节 生产对过程控制的要求生产对过程控制的要求和指标和指标一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标 .E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y一、生产对过程控制的要求一、生产对过程控制的要求 1.安全性 安全性指的是在生产的整个过程中，确保人身安全和设备的安全。这是最重要的要求。 2.经济性 经济性指在使系统在生产相同质量和产量的条件下，所消耗的能源和材料最少，做到生产成本低，生产效率高。 3.稳定性 稳定性即要求系统具有抑止外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y二、过程控制系统的品质指标二、过程控制系统的品质指标过程控制系统在运行时有两种状态，一种称为稳态，系统的设定值保持不变，也没有受到整个外来的任何干扰，被调量保持不变，整个系统处于平衡稳定状态。另一种为动态，系统的设定值发生了变化，或者是系统受到了外来的干扰，原来的稳定遭到了破坏，系统的各部分将作出相应的调整，改变操纵量的大小，使被控量重新回复到设定值，使系统稳定。过渡过程:从前一个稳定状态到另一个稳定状态的过程。大多数系统经常处于动态过程中，评价一个系统的品质，不能单评价其稳态，更重要的是应该考虑它在动态过程中被调量随时间变化的情况。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 在阶跃信号输入的情况下，整个过渡过程可能有不同的状态，见图1-3所示，图1-3 a为发散振荡过程，图1-3b为等幅振荡过程，图1-3 c为衰减振荡过程，图1-3 d为非周期过程。一般希望过渡过程为衰减振荡过程。图1-3 几种不同的过渡过程.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y 显然，控制过程就是克服和消除干扰的过程。系统受到一个扰动以后能否在控制器的控制作用下再稳定下来，克服扰动回到设定值的准确性和快慢程度是评价系统的重要标志。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y通常可以用以下几个指标来衡量。一、衰减比一、衰减比 二、动态偏差二、动态偏差 三、调整时间三、调整时间, ,过渡时间过渡时间T TC C 四、静态偏差四、静态偏差 A1B1A2B2C0.02或或0.05Td1.00.9T0TpTr0图1-4 过渡过程的品质指标.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y一、衰减比一、衰减比 衰减比n，即n=B1/B2。由图1-4可以看出，第一、二两个周期的振幅B1与B2的比值充分反映了振荡衰减的程度。 衰减比n表示曲线变化一个周期后的衰减快慢，一般用n：1表示。在实际控制中，衰减比习惯采用4：1。但对于象温度控制这样变化缓慢的过程，4：1的衰减比显得振荡过甚，是不适宜的，而采用10：1衰减比，效果可能会更好一些，因此衰减比需根据不同的对象来选取。衰减比也有用面积比表示的，如图1-4中阴影面积A1与A2之比，指标仍为4:1。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y二、动态偏差二、动态偏差 扰动发生后，被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差称为动态偏差，也称为最大过调量（超调量），见图1-4中第一波峰B1。过渡过程到达此峰值的时刻称为峰值时间TP。如果动态偏差比较大，峰值时间又较长，这样的系统是不允许的。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y三、调整时间三、调整时间T TC C 系统受到扰动后平衡状态被破坏，经控制器作用后，被控量返回到允许的范围之内。通常在稳定值的5%（或2%）以内，达到新的平衡状态所经历的时间，称为调整时间TC，也称为过渡过程时间或稳定时间。过阻尼系统过阻尼系统：一般以响应曲线由稳定值的a%上升到稳定值b%所经历的时间称为上升时间Tr。其中a一般为10或5，b一般取90或95。欠阻尼的系统欠阻尼的系统：一般从0算起，上升到100%所经历的时间为上升时间。延迟时间延迟时间：响应曲线第1次达到稳定值的50%的时间称为延迟时间Td。峰值时间峰值时间：响应曲线达到第一个峰值的时间成为峰值时间Tp.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y四、静态偏差四、静态偏差 经控制器控制以后，系统被控量将在规定的小范围内波动，被控量的稳态值与设定值之差称为静态偏差或残余偏差，简称余差。图1-4中的C，它是系统的一个静态指标，它的大小根据生产工艺过程的实际需要制订。从控制质量而言，自然是余差越小越好，但余差订得过小，对系统要求就提高了，系统投资将增加。.E EA AS ST T C CHHI INNA A I INNS ST TI IT TUUT TE E OOF F T TE EC CHHNNOOL LOOg gy y本章小结（考核要点）：过程控制的发展概况：三个阶段过程控制系统的组成及各部分的作用。过程控制系统的分类:定值控制系统，随运控制系统生产对过程控制的要求和指标：安全性、经济性、稳定性；衰减比、动态偏差、调整时间、静态偏差（重点，理解并掌握） .