過程控制與自動化儀表

過程控制與自動化儀表湖南大學電氣與信息工程學院涂春鳴主要內容容緒論檢測儀表表調節(jié)器執(zhí)行器和和防爆柵柵調節(jié)對象象的特性性及實驗驗測定單回路調調節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)設計及及調節(jié)器器參數整整定復雜調節(jié)節(jié)系統(tǒng)主要內容容緒論檢測儀表表調節(jié)器執(zhí)行器和和防爆柵柵調節(jié)對象象的特性性及實驗驗測定單回路調調節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)設計及及調節(jié)器器參數整整定復雜調節(jié)節(jié)系統(tǒng)緒論

過程控制制發(fā)展概概況過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類過程控制制特點及及性能指指標過程控制制（Processcontrol）是是指用控控制手段段對連續(xù)續(xù)生產過過程的某某些物理理參數進進行自動動控制。采用各各種檢測測儀表、、調節(jié)儀儀表、控控制裝置置、計算算機等對對整個生生產過程程進行自動檢測測、監(jiān)督督和控制制。石油、化化工、水水利、電電力、冶冶金、輕輕工、紡紡織、制制藥、建建材、核核能、環(huán)環(huán)境工程程等許多多領域的的自動控控制系統(tǒng)統(tǒng)，都屬屬于過程程控制系系統(tǒng)。過程控制制定義過程控制制與運動動控制的的關系自動控制制專業(yè)課課過程控制制運動控制制過程控制制研究冶冶金、化化工、石石油、電電力等工工業(yè)過程程中的溫度、壓壓力、流流量、液液位、成成份PH值等六大參數數的控制運動控制制研究速速度、位位置控制制，如電電機調速速、航天天、機器器人等過程控制制發(fā)展概概況煉油

鋼鐵

煤氣

污水處理理電力石化過程控制制的發(fā)展展簡況儀表化與與局部自自動化階階段（20世紀紀50～60年代）綜合自動動化階段段（20世紀60-70年代中期期）

全盤自動動化階段段（20世紀紀70年代中期期至今））過程控制制發(fā)展概概況儀表化與與局部自自動化階階段（50～60年代）系統(tǒng)結構構大多為為單輸入入-單輸出的的單回路路定值控控制系統(tǒng)統(tǒng)。過程檢測測控制儀儀表為基基地式儀儀表和部部分單元元組合式式儀表，，大多為為氣動儀儀表。保持溫度度、壓力力、流量量、液位位等工藝藝參數的的穩(wěn)定，，確保生生產安全全運行。。分析和綜綜合的理理論基礎礎為經典典控制理理論。過程控制制發(fā)展概概況基地式儀儀表一般與檢檢測裝置置、顯示示裝置一一起組裝裝在一個個整體內內同時具有有檢測、、控制與與顯示的的功能結構簡單單、價格格低廉、、使用方方便通用性差差，信號號不易傳傳遞一般應用用于簡單單控制系系統(tǒng)過程控制制發(fā)展概概況壓力控制制器溫度控制器綜合自動動化階段段（60-70年代中期期）工業(yè)生產產過程出出現了一一個車間間甚至于于一個工工廠的綜綜合自動動化。過程檢測測控制儀儀表是單單元組合合儀表和和組裝式式儀表。。逐步采用用數字計計算機以以及以微微處理器器為基礎礎的集散散控制系系統(tǒng)，出出現了DDC和和SPC。各種復雜雜的控制制系統(tǒng)的的出現（（如串級級控制、、前饋——反饋復復合控制制、Smith預估控控制以及及比值、、均勻、、選擇性性控制等等）。分析和綜綜合的理理論基礎礎發(fā)展到到了現代代控制理理論。過程控制制發(fā)展概概況單元組合合儀表流量傳感感器流量控制制器執(zhí)行器全盤自動動化階段段（70年代中期期至今））實現了過過程控制制最優(yōu)化化與現代代化的集集中調度度管理相相結合智能儀表表（如數數字調節(jié)節(jié)器、可可編程控控制器等等），電電動單元元儀表實實現了本本質安全全防爆；；定值控制制－>最最優(yōu)控制制、自適適應控制制；單變量－－>多變變量；儀表控制制－>計計算機分分布式控控制。計算機集集成過程程控制系系統(tǒng)CIPS，，計算機機集成制制造系統(tǒng)統(tǒng)CIMS，集集散控制制系統(tǒng)DCS，，現場總總線控制制系統(tǒng)FCS，，企業(yè)資資源規(guī)劃劃ERP。經典控制制+現代代控制++智能控控制過程控制制發(fā)展概概況集中管理理，分散散控制基于數字字控制儀儀表和計計算機與與網絡技技術DCS，，DistributedControlSystemFCS，，FieldbusControlSystem由智能儀儀表構成成的現場總線線控制系系統(tǒng)控制功能能徹底下下放到現現場，依依靠現場場智能儀儀表便可可實現生生產過程程的檢測測、控制制開放的、、標準化化的通信信網絡過程控制制系統(tǒng)組組成過程控制制系統(tǒng)組組成：被控過程程（Process））過程檢測測控制儀儀表（Instrumentation））被控過程程是指運運行中的的多種多多樣的工工藝生產產設備過程檢測測控制儀儀表包括括：測量變送送元件（（Measurement））控制器（（Controller）執(zhí)行機構構（ControlElement）過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類圖1為人工控控制室溫溫。為保保證恒溫溫室溫符符合要求求，操作作人員要要隨時觀觀察溫度度計的指指示值，，并隨時時判斷和和決定如如何操作作閥門來來保證恒恒溫要求求，然后后進行操操作。人的動作作分三步步：眼看腦想手動圖1室室溫人人工控制制示意圖圖送風回風恒溫室溫度計閥門實例

眼看——用傳傳感器將將溫度信信號轉換換為控制制器可接接受的信信號。腦想——控制制器將輸輸入的實實測溫度度信號和和要求值值比較（（相減求求偏差)),并并按偏差差值計算算出控制制量。手動——人工工閥門換換成控制制閥，按按控制信信號自動動改變開開度。人工控制制受制于于經驗和和注意力力，控制制不精確確。而自自動控制制按設定定好的方方案進行行計算控控制，可可以做到到精確的的、恰當當的控制制。過程控制制系統(tǒng)：：為實現對對某個工工藝參數數的自動動控制，，由相互互聯系、、制約的的一些儀儀表、裝裝置及工工藝對象象、設備備構成的的一個個整體。。圖2為室室溫自動動控制系系統(tǒng)，自自動化儀儀表代替替了人。。圖2室室溫自動動控制系系統(tǒng)示意意圖1—熱水水加熱器器；3——控制器器；2—傳感感變送器器；4——執(zhí)行器器回風恒溫室23送風熱水M回水41TCTT在討論控控制系統(tǒng)統(tǒng)工作原原理時，，為清楚楚地表示示自動控控制系統(tǒng)統(tǒng)各組成成部分的的作用及及相互關關系，一一般用原原理框圖圖來表示示控制系系統(tǒng)。如圖2的的室溫控控制系統(tǒng)統(tǒng)是由溫溫度變送送器、控控制器、、電動調節(jié)節(jié)閥和加熱器器及房間間組成。給定值被控變量干擾f

控制器變送器調節(jié)閥加熱器及房間

+e實測值－用通用名名稱表示示為：給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－過程控制制系統(tǒng)的的主要任任務是：：對生產產過程中中的重要要參數（（溫度、、壓力、、流量、、物(液液)位、、成分、、PH值值等）進進行控制制，使其其保持恒恒定或按按一定規(guī)規(guī)律變化化。過程控制制系統(tǒng)原原理方框框圖廣義對象象過程控制制常用術術語被控過程程（Process))：工藝藝參數需需要控制制的生產產過程、、設備或或機器等等被控參數數（ControlledVariable))：被被控過程程內要求求保持設設定數值值的工藝藝參數控制參數數（ManipulatingVariable)：：受控控制器操操縱的，，使被控控參數保保持設定定值的物物料量或或能量擾動量（（Interference)：：作用于于被控過過程并引引起被控控參數變變化的因因素過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類過程控制制常用術術語設定值（（SetPoint:SP)：：被控參參數的預預定值當前值（（PresentValue:PV)：：被控參參數的當當前實際際值偏差（Error)：：被控控參數的的設定值值與當前前實際值值之差過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類過程控制制系統(tǒng)的的分類按系統(tǒng)的的結構特特點來分分反饋控制制系統(tǒng)前饋控制制系統(tǒng)復合控制制系統(tǒng)（（前饋-反饋控制制系統(tǒng)））按給定值值信號的的特點來來分定值控制制系統(tǒng)隨動控制制系統(tǒng)順序控制制系統(tǒng)過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類反饋控制制系統(tǒng)又稱為閉閉環(huán)控制制系統(tǒng)根據系統(tǒng)統(tǒng)被控量量與給定定值的偏偏差進行行工作，，偏差值是是控制的的依據，，最后達達到減小小或消除除偏差的的目的反饋信號號可能有有多個，，從而可可以構成成多回路路控制系系統(tǒng)（如如串級控控制系統(tǒng)統(tǒng)）過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類前饋控制制系統(tǒng)也稱為開開環(huán)控制制系統(tǒng)。。根據擾動動量的大大小進行行工作擾動是控控制的依依據在實際生生產中不不能單獨獨采用過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類復合控制制系統(tǒng)（（前饋-反饋控制制系統(tǒng)））過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類定值控制制系統(tǒng)定值控制制系統(tǒng)是是工業(yè)生生產過程程中應用用最多的的一種過過程控制制系統(tǒng)在運行時時，系統(tǒng)統(tǒng)被控量量（溫度度、壓力力、流量量、液位位、成份份等）的的給定值值是固定定不變的的有時在規(guī)規(guī)定的小小范圍附附近不變變過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類隨動控制制系統(tǒng)隨動控制制系統(tǒng)是是一種被被控量的的給定值值隨時間間任意變變化的控控制系統(tǒng)統(tǒng)它的主要要作用是是克服一一切擾動動，使被被控量隨隨時跟蹤蹤給定值值過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類順序控制制系統(tǒng)順序控制制系統(tǒng)是是被控量量的給定定量按預預定的時時間程序序來變化化的控制制系統(tǒng)過程控制制系統(tǒng)組組成與分分類過程控制制的主要要特點被控過程程的多樣樣性控制方案案的多樣樣性有單回路路、串級級、前饋饋-反饋、比比值、均均勻、分分程、選選擇性、、時滯、、數字和和計算機機過程控控制系統(tǒng)統(tǒng)等控制過程程屬慢過過程、多多半屬參參量控制制定值控制制是主要要控制形形式大多使用用標準化化的檢測測、控制制儀表及及裝置過程控制制特點及及性能指指標過程控制制的品質質指標決定過程程控制系系統(tǒng)品質質的環(huán)節(jié)節(jié)控制系統(tǒng)統(tǒng)結構被控過程程特性過程檢測測、控制制儀表性能良好好的過程程控制系系統(tǒng)，在在受到外外來擾動動作用或或給定值值發(fā)生變變化后，，應平穩(wěn)準確迅速地回回復（或或趨近））到給定定值過程控制制特點及及性能指指標t0y過程控制制的品質質指標過程控制制系統(tǒng)的的評價指指標可概概括為系統(tǒng)必須須是穩(wěn)定定的（平穩(wěn)）系統(tǒng)應能能提供盡盡可能好好的穩(wěn)態(tài)態(tài)調節(jié)（（準確）系統(tǒng)應能能提供盡盡可能好好的過渡渡過程（（迅速）控制性能能指標應應根據生生產工藝藝過程的的實際需需要確定定，通常常采用系系統(tǒng)階躍躍響應曲曲線的性性能指標標和偏差差積分性性能指標標過程控制制特點及及性能指指標階躍信號號的輸入入突然，，對被控控變量的的影響也也最大。。如果一一個控制制系統(tǒng)能能夠有效效地克服服這種干干擾，那那么對其其它比較較緩和的的干擾也也能很好好地克服服。階躍信號號的形式式簡單，，容易實實現，便便于分析析、實驗驗和計算算。故更更多使用用階躍信信號。如圖，輸輸入信號號在t=0時，階躍躍上升幅幅度為A，其后保保持。表表達為f(t)=A(t)Atf（t）在階躍輸輸入的擾擾動作用用下，定定值控制制系統(tǒng)過過渡過程程有四種形式：①單調衰衰減過程程被控變量量在給定定值的一一側作單單調變化化，最后后穩(wěn)定在在某一數數值上。。②振蕩衰衰減過程程被控變量量上下波波動，但但幅度逐逐漸減少少，最后后穩(wěn)定在在某一數數值上。。①t0θa②0θa③等幅振振蕩過程程被控變量量在給定定值附近近來回波波動，且且波動幅幅度保持持不變。。

④振蕩發(fā)發(fā)散過程程被控變量量來回波波動，且且波動幅幅度逐漸漸變大，，離給定定值越來來越遠。。④t0θa③θa0t1.系系統(tǒng)階躍躍響應的的單項性性能指標標單項性能能指標包包含了對對控制系系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的的評價。。控制性能能指標有有單項指標標和綜合指標標兩類單項性能能指標以以控制系系統(tǒng)被控控參數過過渡過程程的單項項特征量量作為性性能指標標，而偏偏差積分分性能指指標則是是一種綜綜合性指指標。由由于在多多數情況況下，都都希望得得到衰減減振蕩過過程，所所以以衰衰減振蕩蕩的過渡渡過程形形式為例例，討論論控制系系統(tǒng)的品品質指標標。1）衰減減比n和衰減率率ψ設第一個個波振幅幅為y1、第三個個波振幅幅為y3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt階躍響應應性能指指標衰減比n和衰減率率ψ是表示系系統(tǒng)穩(wěn)定定程度的的指標。。n大于1，，則系統(tǒng)統(tǒng)是穩(wěn)定定的。隨隨著n的增大，，過渡過過程逐漸漸由衰減減振蕩趨趨向于單單調過程程。試驗證明明：衰減比在在4::1到到10::1之間間時，過渡過程程的衰減程度度合適，，過渡過程程較短。。衰減比n與衰減率率ψ之間有簡簡單的對對應關系系：n=4::1~10:1就相相當于ψ=75%～～90%%yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大動態(tài)態(tài)偏差是是控制系系統(tǒng)動態(tài)態(tài)準確性性指標。。2）最大大動態(tài)偏偏差A和超調量量σ最大動態(tài)態(tài)偏差表表示系統(tǒng)統(tǒng)瞬間偏偏離給定定值的最最大程度度。即::A=ymax-r閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA有時也采采用超調調量σ來來表示被被控參數數偏離設設定值的的程度，，σ的的定義是是第一個個波振幅幅與最終終穩(wěn)態(tài)值值y(∞∞)之比比。即閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt3）余差差C過渡過程程結束后后，被控控參數的的穩(wěn)態(tài)值值y(∞)與與設定值值之間的的殘余偏偏差叫做做余差，，也稱靜靜差。是是衡量控控制系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準準確性的的指標。。C=y(∞)--r閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt4）調節(jié)節(jié)時間Ts和振蕩頻頻率ωTs是指從過過渡過程程開始到到過渡過過程結束束所需的的時間。。當被控控參數與與穩(wěn)態(tài)值值間的偏偏差進入入穩(wěn)態(tài)值值的±5%（或±2%）范圍內內，就認認為過渡渡過程結結束。閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt調節(jié)時間間和振蕩蕩頻率是是衡量控控制系統(tǒng)統(tǒng)快速性性的指標標過渡過程程中相鄰鄰兩同向向波峰（（或波谷谷）之間間的時間間間隔叫叫振蕩周周期T，其倒數數稱為振振蕩頻率率f=1//T閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt另外還有有峰值時時間Tp（又稱上上升時間間），是是指過渡渡過程開開始，至至被控參參數到達達第一個個波峰所所需要的的時間。。也是衡衡量控制制系統(tǒng)快快速性的的指標。。閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)