過程控制儀表及系統(tǒng)第1章-緒論

1、1,過程控制儀表及系統(tǒng),主講教師：李飛所屬專業(yè)：測控技術(shù)與儀器授課班級：測控1101～1104,課 表,實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)：信息學(xué)院136室,3,使用教材,《過程控制系統(tǒng)與儀表》 王再英,機(jī)械工業(yè)出版社“十一五”國家規(guī)劃教材,4,主要參考書,過程控制系統(tǒng)與儀表 王再英 過程控制儀表及控制系統(tǒng) 林德杰 過程控制與自動化儀表 潘永湘 計算機(jī)控制系統(tǒng)

2、 張德江 過程控制工程 邵裕森,5,課程主要內(nèi)容及學(xué)時安排,6,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1. 過程檢測儀表實(shí)驗(yàn) 2. 過程控制儀表實(shí)驗(yàn) 3. 鍋爐液位定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 4. 進(jìn)水流量定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),7,第1章 緒論,本章

3、主要內(nèi)容：1.1 過程控制的特點(diǎn)1.2 過程控制的發(fā)展概況1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)：掌握過程控制及系統(tǒng)的特點(diǎn)；掌握過程控制系統(tǒng)的組成及其性能指標(biāo)。,8,1.1 過程控制的特點(diǎn),過程控制： 過程控制通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的連續(xù)生產(chǎn)過程自動控制。,,連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是： 生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（

4、或間歇）的流動過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。例如：室內(nèi)溫度的控制等。連續(xù)生產(chǎn)過程要求苛刻的工藝條件： 高溫、高壓；現(xiàn)場存在易燃易爆或有害物泄漏等危險；需要保護(hù)人身與生產(chǎn)設(shè)備安全的措施。,,9,1.1 過程控制的特點(diǎn),過程控制的主要任務(wù)： 是對生產(chǎn)過程的有關(guān)參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度、pH值和物性等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和生

5、產(chǎn)安全的前提下，使連續(xù)型生產(chǎn)過程自動地進(jìn)行下去。,過程控制系統(tǒng)的定義： 指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統(tǒng)。 （為實(shí)現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設(shè)備構(gòu)成的 一個整體。）,,10,1.1.1 過程控制系統(tǒng)的組成,舉例：電廠鍋爐過熱蒸氣溫度控制系統(tǒng),,由鍋爐汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器，加熱成過熱蒸汽。

6、 而過熱蒸汽的溫度是保證電廠氣輪機(jī)組正常運(yùn)行的重要參數(shù)之一，必須對其進(jìn)行嚴(yán)格控制。 為達(dá)到此目的，設(shè)計如圖所示控制系統(tǒng)，在過熱器之前串接一個減溫器，通過改變減溫水流量大小來控制過熱蒸汽的溫度。,11,1.1.1 過程控制系統(tǒng)的組成,舉例：電廠鍋爐過熱蒸氣溫度控制系統(tǒng),,控制原理： 為了克服內(nèi)外擾動的影響，保證過熱蒸汽的溫度穩(wěn)定，利用溫度檢測變送器檢測，并轉(zhuǎn)換成便于遠(yuǎn)傳的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，與溫度調(diào)節(jié)器的給定信號

7、進(jìn)行比較，其偏差送給調(diào)節(jié)器運(yùn)算后控制調(diào)節(jié)閥的開度，增大或減小冷卻水的流量，從而使過熱蒸汽的溫度穩(wěn)定在給定值的附近。,12,1.1.1 過程控制系統(tǒng)的組成,舉例：電廠鍋爐過熱蒸氣溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)框圖：,13,1.1.1 過程控制系統(tǒng)的組成,系統(tǒng)中的名詞術(shù)語：1）被控過程：生產(chǎn)過程中被控制的工藝設(shè)備或裝置（即從被控 參數(shù)檢測點(diǎn)至調(diào)節(jié)閥之間的管道或設(shè)備）。2）檢測變送器：檢測量轉(zhuǎn)換為

8、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電信號。3）調(diào)節(jié)器（控制器）：實(shí)時地對被控系統(tǒng)施加控制用。4）執(zhí)行器：將控制信號進(jìn)行放大以驅(qū)動調(diào)節(jié)閥。,14,1.1.1 過程控制系統(tǒng)的組成,5）被控參數(shù)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)。6）控制參數(shù)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量。7）設(shè) 定 值：被控參數(shù)的預(yù)定值。8）測 量 值：測量變送器輸出的被控參數(shù)值 。9）偏 差：設(shè)定值與測量值之差。10）擾動作用：作用于被控對象并引起被控變量變化的作用。

9、11）控制作用：調(diào)節(jié)器的輸出（控制調(diào)節(jié)閥的開度）。,15,1.1.2 過程控制的特點(diǎn),特點(diǎn)歸納：1. 控制對象復(fù)雜、控制要求多樣;2. 控制方案豐富;3. 控制多屬慢過程參數(shù)控制;4. 定值控制是過程控制的一種主要控制形式;5. 過程控制系統(tǒng)由過程檢測、控制儀表組成。,16,1.1.2 過程控制的特點(diǎn),1. 控制對象復(fù)雜、控制要求多樣,生產(chǎn)過程多種多樣，規(guī)模大小不同，工藝要求各異， 生產(chǎn)產(chǎn)品千差萬別，被控過程（被控對象

10、）多種多樣； 機(jī)理不同，生產(chǎn)過程的控制參數(shù)不同，控制品質(zhì)不同； 過程參數(shù)變化規(guī)律不同，對生產(chǎn)過程影響不同； 大型設(shè)備的大慣性、大滯后及非線性。,例如：熱工過程中的鍋爐、熱交換器、動力核反應(yīng)堆，冶金過程中的平爐、轉(zhuǎn)爐，機(jī)械工業(yè)中的熱處理爐，石油化工中的精餾塔、化學(xué)反應(yīng)器等。,17,1.1.2 過程控制的特點(diǎn),2. 控制方案豐富,有單變量控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)； 有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，也有計算機(jī)集散控制系統(tǒng)； 有提高控制

11、品質(zhì)的控制系統(tǒng)，也有實(shí)現(xiàn)特殊工藝要 求的控制系統(tǒng)； 有傳統(tǒng)的PID 控制，也有新型的自適應(yīng)控制、預(yù)測 控制、推理控制、模糊控制等。,18,1.1.2 過程控制的特點(diǎn),3. 控制多屬慢過程參數(shù)控制,被控過程大多具有大慣性、大滯后等特點(diǎn)，因此，控制過程是一個慢變過程。 在石化、冶金、電力、輕工、建材、制藥等生產(chǎn)過程中，常用溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量參數(shù)表征生產(chǎn)過程是否正常，產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。,19

12、,1.1.2 過程控制的特點(diǎn),4. 定值控制是過程控制的一種主要控制形式,在多數(shù)過程控制系統(tǒng)中，其設(shè)定值是保持恒定的或在很小范圍內(nèi)變化。過程控制系統(tǒng)的主要目的： 是減小或消除外界擾動對被控參數(shù)的影響，使被控參數(shù)維持在設(shè)定值或附近，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗與生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定的目標(biāo)。,20,1.1.2 過程控制的特點(diǎn),5. 過程控制系統(tǒng)由過程檢測控制儀表組成,,測量值,偏差,控制變量,控制作用,,過程檢測控制儀表包括：

13、 測量元件、變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器。,21,1.2 過程控制的發(fā)展概況,1.2.1 過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展,1. 局部自動化階段（20世紀(jì)50～60年代）,2. 集中控制階段 （20世紀(jì)60～70年代）,3. 集散控制階段 （20世紀(jì)70年代中期至今）,22,1.2 過程控制的發(fā)展概況,1. 局部自動化階段（20世紀(jì)50～60年代）,過程控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是單入－單出系統(tǒng)；被控參數(shù)主要有溫度、壓力、流量和物位

14、四種參數(shù)；過程檢測控制儀表多用氣動和電動單元組合儀表； 控制的目的是保持這些工藝參數(shù)的穩(wěn)定，確保生產(chǎn) 安全；控制方案為定值控制。,1.2.1 過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展,23,1.2 過程控制的發(fā)展概況,2. 集中控制階段（20世紀(jì)60～70年代）,半導(dǎo)體產(chǎn)品取代了電子真空管； 集成電路取代了分立元件； 電子儀表逐步代替了氣動儀表。,過程控制系統(tǒng)大量采用單元組合一般儀表和組裝式 儀表，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了車間范圍和大型

15、系統(tǒng)的集中 監(jiān)控。 控制方案：串級控制、前饋控制、比值控制、均勻 控制，選擇控制，并逐步采用計算機(jī)。,1.2.1 過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展,,24,1.2 過程控制的發(fā)展概況,3. 集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）,集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器 (PLC) 、 工業(yè)PC機(jī)、數(shù)字控制器等，成為控制裝置的主流。 過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由單變量控制系統(tǒng)發(fā)展到多變 量控制系統(tǒng)。 控制方案發(fā)展到最優(yōu)控

16、制、自適應(yīng)控制等。,1.2.1 過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展,25,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),1.3.1 過程控制系統(tǒng)的分類,1. 按設(shè)定值的形式不同劃分,（1）定值控制系統(tǒng) 在定值控制系統(tǒng)中設(shè)定值是恒定不變的，引起系統(tǒng)被控參數(shù)變化的就是擾動信號。,（2）隨動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)就是使被控參數(shù)準(zhǔn)確而及時地跟隨設(shè)定值的變化而變化。,（3）程序控制系統(tǒng) 在程序控制系統(tǒng)中，被控參數(shù)的設(shè)定值按預(yù)定的時間程序變化，被控參數(shù)自

17、動跟蹤設(shè)定值。,26,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),2. 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類,（1）反饋控制系統(tǒng) 是按照被控參數(shù)與設(shè)定值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到減小或消除偏差的目的，偏差值是系統(tǒng)調(diào)節(jié)的依據(jù)。,（2）前饋控制系統(tǒng) 根據(jù)擾動大小進(jìn)行控制，擾動是控制的依據(jù)。,（3）前饋-反饋控制系統(tǒng) 是將前饋控制與反饋控制結(jié)合在一起構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。,1.3.1 過程控制系統(tǒng)的分類,27,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),1.3.

18、2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),（1）穩(wěn)態(tài) 對于定值控制，當(dāng)控制系統(tǒng)輸入（設(shè)定值和擾動）不變時，整個系統(tǒng)若能達(dá)到一種平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中各個組成環(huán)節(jié)暫不動作，它們的輸出信號都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)（或靜態(tài)）?？刂七^程的靜態(tài)特性 穩(wěn)態(tài)時控制過程被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。,1.3.2.1 穩(wěn)態(tài)與動態(tài)（控制系統(tǒng)正常運(yùn)行中的兩種狀態(tài)）,28,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（2）動態(tài) 從外部擾動出現(xiàn)

19、、平衡狀態(tài)遭到破壞、自動控制裝置開始動作，到整個系統(tǒng)又建立新的穩(wěn)態(tài)（達(dá)到新的平衡）、調(diào)節(jié)過程結(jié)束的這一段時間，整個系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)和參數(shù)都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)?？刂七^程的動態(tài)特性 系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系即為控制過程的動態(tài)特性。,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.1 穩(wěn)態(tài)與動態(tài)（控制系統(tǒng)正常運(yùn)行中的兩種狀態(tài)）,29,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),1.3.2

20、過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.2 控制系統(tǒng)的過渡過程,控制系統(tǒng)的過渡過程： 系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。,階躍擾動下，定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種基本形式：,30,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（1）單調(diào)衰減過程,（2）振蕩衰減過程,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.2 控制系統(tǒng)的過渡過程,系統(tǒng)受到擾動后，被控參數(shù)從設(shè)定

21、值一側(cè)單調(diào)的變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。,系統(tǒng)受到擾動后，被控參數(shù)波動變化，波動幅值逐漸減小，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。,31,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（3）等幅振蕩過程,（4）振蕩發(fā)散過程,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.2 控制系統(tǒng)的過渡過程,系統(tǒng)受到擾動后，被控參數(shù)波動變化，波動幅值保持不變。,系統(tǒng)受到擾動后，被控參數(shù)波動變化，波動幅值不斷增大，沒有最后的穩(wěn)定值。,32,1.3 過程控制系統(tǒng)

22、分類及其性能指標(biāo),四種形式歸納為三類：一：穩(wěn)定系統(tǒng)的過渡過程二：不穩(wěn)定系統(tǒng)的過渡過程三：臨界穩(wěn)定系統(tǒng)的過渡過程,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.2 控制系統(tǒng)的過渡過程,33,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),評價控制系統(tǒng)的性能，主要看它在受到擾動影響偏離設(shè)定后，被控參數(shù)能否迅速、準(zhǔn)確且平穩(wěn)回到設(shè)定值；或者設(shè)定值發(fā)生變化后，被控參數(shù)能否迅速

23、、準(zhǔn)確且平穩(wěn)達(dá)到并穩(wěn)定在新的設(shè)定值或其附近。 性能指標(biāo)分為：單項性能指標(biāo)和偏差積分性能指標(biāo)量類。,34,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo),單項性能指標(biāo)包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評價。,,,35,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),衰減比n：表示振蕩過程衰減的程度，是衡量

24、過渡過程穩(wěn)定程度的動態(tài)指標(biāo)，等于兩個相鄰的同向波峰值之比。,：表示過渡過程為發(fā)散振蕩,：表示過渡過程為等幅振蕩,：表示過渡過程為衰減振蕩,衰減率：,（1）衰減比n和衰減率ψ,36,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（2）最大動態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量σ:描述被控參數(shù)偏離設(shè)定值的最大程度。,（1-3）,最大偏差A(yù) 是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差。,超調(diào)量,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.

25、系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo),37,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（3）殘余偏差C:是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。,過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達(dá)到的新穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設(shè)定值之間的偏差C稱為殘余偏差。,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo),38,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（4）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω：衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。,調(diào)節(jié)時間Ts

26、指系統(tǒng)從受擾動作用時起，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)歷的時間。,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo),39,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（4）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω,振蕩頻率ω過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率（記為，對應(yīng)的角頻率）。,,1

27、.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo),40,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),（4）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω,峰值時間Tp,,是指過渡過程開始至被控參數(shù)到達(dá)第一個波峰所需要的時間。,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo),41,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)—

28、—偏差積分,,,,,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),42,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分,（1）偏差積分IE,（2）絕對偏差積分IAE,（3）平方偏差積分ISE,（4）時間與絕對偏差乘積積分ITAE,,,,,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),43,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合

29、性能指標(biāo)——偏差積分,（1）偏差積分IE,,,,,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),,缺點(diǎn)： 不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。,44,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分,（2）絕對偏差積分IAE,,,,,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),,排除了正負(fù)偏差抵消的可能。,45,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指

30、標(biāo),2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分,（3）平方偏差積分ISE,,,,,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),,對大偏差敏感,46,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分,（4）時間與絕對偏差乘積積分ITAE,,1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),,對調(diào)節(jié)時間敏感,47,1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo),,1

31、.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),1.3.2.4 影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素,控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。 從第二章開始，將分別討論控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性、各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性及設(shè)計方法。,48,本章小結(jié),,重點(diǎn)掌握：過程控制系統(tǒng)的基本概念；過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；過程控制系統(tǒng)的分類；評價過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),49,思考題與習(xí)題,,1-2，1-4 ～1-8，1-10。