過(guò)程控制系統(tǒng)1

1、過(guò)程控制系統(tǒng) 第一章 緒論 2 3 4 5 6 第二章 被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 2 3 第三章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 3 4 5 第四章 串級(jí)控制系統(tǒng) 2 3 4 5 第五章 前饋及復(fù)合控制系統(tǒng) 2 第六章 時(shí)間滯后控制系統(tǒng) 2 3 第七章 其它過(guò)程控制系統(tǒng) 2 3 4 第八章 過(guò)程控制中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用 2 3 4 參考書11-1 課程的性質(zhì)和教學(xué)安排 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)控制通稱為過(guò)程控制。(另有電力拖動(dòng)控制方向) 1、過(guò)程控制的概念2、過(guò)程控制是電氣自動(dòng)化專業(yè)的主要內(nèi)容之一 第一章 緒論1.2 1.3 1.4 1.5 1.624、主要參考書 (1)

2、 過(guò)程控制工程，馮品如，輕工業(yè)出版社 (2) 過(guò)程控制 ，金以慧，清華大學(xué)出版社 (3) 過(guò)程控制工程（第2版），邵裕森，機(jī)械工業(yè)出版社(1)、學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)、自修（28：16：4）(2)、內(nèi)容安排(2)、從實(shí)際應(yīng)用看(1)、從專業(yè)特點(diǎn)看返回3、教學(xué)安排3 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。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面： 1、初期階段(3040年代) 2、簡(jiǎn)單儀表化階段(4060年代) 3、綜合自動(dòng)化階段(6070年代中期) 4、全盤自動(dòng)化(及智能化)階段(70 90年代中期) 5、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ 90年代末

3、期自今）1-2 過(guò)程控制的發(fā)展概況41-3 過(guò)程控制的特點(diǎn) 及計(jì)算機(jī)的作用 過(guò)程控制的目的：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、被空對(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。5 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：一是數(shù)據(jù)檢測(cè)處理，二是形成微機(jī)控制系統(tǒng)。 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

4、將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。計(jì)算機(jī)在過(guò)程控制中的地位和作用6過(guò)程控制的步驟1、確定控制目標(biāo)2、選擇測(cè)量參數(shù)（被調(diào)量）3、操作量的選擇4、控制方案的確定5、選擇控制算法6、執(zhí)行器的選擇7、設(shè)計(jì)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)8、控制系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行71-1典型單回路控制系統(tǒng)1-4 過(guò)程控制的組成及術(shù)語(yǔ)1、控制原理以液體儲(chǔ)槽的水位控制為例進(jìn)行說(shuō)明。液位變送器液位控制器執(zhí)行器一、系統(tǒng)組成82、系統(tǒng)方塊圖9、每個(gè)方塊圖代表控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)、方塊圖中連線為信號(hào)線，不是物料線。、箭頭代表信號(hào)作用方向、控制系統(tǒng)具有單向性，輸入性影響輸出、信號(hào)沿箭頭方向前進(jìn)又回到原起點(diǎn)閉環(huán)特點(diǎn)：自控系統(tǒng)具有受控變量負(fù)反饋的閉合回路 10113、

5、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：儀表課中已做介紹。 (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 見的有氣動(dòng)和電動(dòng)兩種。 (5)、控制閥：控制進(jìn)料量。有氣開式和氣關(guān)式之別。 1、被控對(duì)象 (簡(jiǎn)稱對(duì)象或過(guò)程)：前已述及。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

6、：被控變量經(jīng)檢測(cè)變送后即是測(cè)量值。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)是被控量的測(cè)量值，故通常把給定值與測(cè)量值之差稱作為偏差。 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)器輸出亦稱控制作用。3、干擾: 其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。13有常規(guī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 1、按工藝參數(shù)分類： 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：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：1-5 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類一、一般分類145、按

7、是否形成閉合回路分類： 是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最大的一種過(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：有1、定值控制系統(tǒng)PPIPID位式開環(huán)閉環(huán)、。二、按設(shè)定值形式分類152、隨動(dòng)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)用程序控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機(jī)、電飯煲等。 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。3、程序控制系統(tǒng)16一、自動(dòng)控制

8、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程（一）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)1、系統(tǒng)的靜態(tài)：1）定義： 在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，把受控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)2）特點(diǎn)： 各個(gè)參數(shù)變化率為零 生產(chǎn)過(guò)程正常進(jìn)行1-6 控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)17一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程2、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)：1）定義：在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，把受控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)2）特點(diǎn)： 各個(gè)參數(shù)變化率不為0 生產(chǎn)過(guò)程正常進(jìn)行* 平衡和靜態(tài)是暫時(shí)的、相對(duì)的、有條件的，不平衡是和動(dòng)態(tài)是普遍的、絕對(duì)的、無(wú)條件的。干擾不斷產(chǎn)生，控制作用不斷克服干擾的影響，所以自控系統(tǒng)處在運(yùn)動(dòng)之中。18一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程（續(xù)）3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程1）定義：自動(dòng)控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)階段中，受控變量是

9、不斷變化的，它隨時(shí)間變化的過(guò)程。2）影響過(guò)渡過(guò)程的因素 與干擾類型、幅值有關(guān) 與組成自動(dòng)控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)特性有關(guān)19一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程（續(xù)）4、過(guò)渡過(guò)程的幾種基本類型 20 二、性能指標(biāo)控制性能指標(biāo)：評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)）階躍響應(yīng)曲線的幾個(gè)特征參數(shù)作為性能指標(biāo)）偏差積分性能指標(biāo)（一）以階躍響應(yīng)曲線的幾個(gè)特征參數(shù)作為性能指數(shù)、初始條件）系統(tǒng)處于平穩(wěn)狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)），即輸出參數(shù)對(duì)時(shí)間各階系數(shù)為零）加單位階躍干擾以衰減震蕩過(guò)程為例：在單位階躍輸入情況下，對(duì)于定值、隨動(dòng)系統(tǒng)典型過(guò)程曲線如下： 21（一）以階躍響應(yīng)曲線的幾個(gè)特征參數(shù)作為性 能指數(shù) 1、性能指標(biāo)1）最大偏差A(yù)最大偏差： 受控變量

10、第一個(gè)波峰值與設(shè)定值之差工程意義：表示偏離設(shè)定值的程度（衡量） i）偏差愈大，時(shí)間域長(zhǎng)，離生產(chǎn)狀態(tài)愈遠(yuǎn)。 ii）工藝不希望，甚至引起生產(chǎn)事故。22 2）余差C余差：過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的殘余偏差工程意義：反映控制準(zhǔn)確性的重要指標(biāo) 生產(chǎn)中一般希望E愈小愈好（不超過(guò)某一個(gè)預(yù)定范圍） * 一般由工藝人員提出受控變量的波動(dòng)范圍 3）超調(diào)量B 超調(diào)量B：第一個(gè)波峰與穩(wěn)態(tài)值之差除以穩(wěn)定值工程意義：反應(yīng)過(guò)程穩(wěn)定性一個(gè)指標(biāo)（同A）C234 ）衰減比N定義：第一個(gè)波峰與第二個(gè)波峰之比工程意義：反映過(guò)程穩(wěn)定性一個(gè)指標(biāo) N1 衰減振蕩 N=1 等幅振蕩 N1 非周期 工程上希望4:1-10:15）過(guò)渡時(shí)間（恢復(fù)時(shí)間） T

11、s 定義：從系統(tǒng)受擾后至受控變量又建立新的平衡的最短時(shí)間為 止的理論上是無(wú)限長(zhǎng)，一般規(guī)定進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值 5% (或2%） 范圍內(nèi)經(jīng)歷的時(shí)間。工程意義：反映過(guò)程快慢、長(zhǎng)短標(biāo)志（快速性指標(biāo) 在N 一定相同情況下，Ts愈短，過(guò)程愈快，適應(yīng)性愈強(qiáng)，質(zhì)量愈好。246）振蕩周期T 定義：從第一個(gè)波峰到第二個(gè)波峰的時(shí)間f 周期倒數(shù)為振蕩頻率工程意義：在N 一定情況下周期短，頻率高,反映過(guò)程快慢的標(biāo)志25二）偏差積分性能指標(biāo) 1、引入階躍響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)i）初始條件為零ii）加階躍（干擾）輸入控制系統(tǒng)輸入信號(hào)非單一的，對(duì)于其它干擾情況下需建立一個(gè)廣義的評(píng)價(jià)函數(shù)偏差積分評(píng)價(jià)指標(biāo)積分性能指標(biāo) 它是以控制系統(tǒng)瞬時(shí)誤差函數(shù)e

12、(t) 為泛函數(shù)的積分評(píng)價(jià)系統(tǒng)的系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)。它是一個(gè)數(shù)（最?。┑暮饬恳粋€(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣是否處于最佳狀態(tài)的一種方法。262、常用的誤差性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1）誤差性能評(píng)價(jià)指標(biāo)A）偏差積分 (IE) B）偏差平方積分(ISE) C）偏差平方、時(shí)間積分(ITSE) D）偏差平方、時(shí)間平方積分(ISTSE) 272、常用的誤差性能評(píng)價(jià)指標(biāo)（續(xù)）E）偏差絕對(duì)值積分(IAE) F）偏差絕對(duì)值時(shí)間積分(ITAE) G）偏差絕對(duì)值、時(shí)間平方積分（ISTAE）282）性能指標(biāo)與關(guān)系 J(IE) =0 J(IE) =0 J(ISE) =0.5 J(ISE) =1 穩(wěn)態(tài)誤差=0.58 J(ITAE) =0.709 J(ITAE) =2.2 穩(wěn)態(tài)誤差=6 J(IAE) =0.7 J(IAE) =1.7 穩(wěn)態(tài)誤差=6分析：J數(shù)值不同，本身不能代表最佳性能之間的優(yōu)劣 確定控制系統(tǒng)的優(yōu)劣是系統(tǒng)參數(shù) 。以二階為例： 用不同指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)得不同意義下的最佳 293）性能指標(biāo)的選擇 性能指標(biāo)選擇: 應(yīng)從實(shí)用性和選擇性考慮。 實(shí)用性：分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、施工考慮 選擇性： d