第一章過程控制系統(tǒng)概述教材課件

2022/12/16趙小強過程控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2022/12/12趙小強過程控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信*2基本概念組成特點分類性能指標發(fā)展歷程第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*2基本概念組成特點分類性能指標發(fā)展歷程第1章過程控*3蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制與集散系統(tǒng)生產(chǎn)過程：

是指物料經(jīng)過若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過程.

生產(chǎn)過程的總目標：

將原物料加工成預(yù)期的產(chǎn)品.過程控制的任務(wù):

了解工藝流程和動靜態(tài)特性.實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標.過程控制的基本概念1.1

第1章過程控制系統(tǒng)概述*3蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制與集散系統(tǒng)生產(chǎn)過程：過程控*4蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院生產(chǎn)過程的要求：安全性,穩(wěn)定性,經(jīng)濟性

(1)安全性:生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備安全 是最重要和最基本的要求.

(2)穩(wěn)定性:系統(tǒng)抑制外部干擾、保持生產(chǎn)過程 長期穩(wěn)定運行的能力.

(3)經(jīng)濟性:低成本高效益是過程控制的另一個目標.

工業(yè)過程可以分為：連續(xù)過程工業(yè)、離散過程工業(yè)和間歇過程工業(yè).過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)的過程控制過程控制與集散系統(tǒng)第1章過程控制系統(tǒng)概述*4蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院生產(chǎn)過程的要求：安全性,穩(wěn)定性,經(jīng)濟*5過程控制（Processcontrol）：是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學(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。過程控制與集散系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過程控制系統(tǒng)概述*5過程控制（Processcontrol）：是指連續(xù)生產(chǎn)*6蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.2過程控制系統(tǒng)的一般性框圖

1．被控過程（或?qū)ο螅?/p>

2．檢測變送(用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表)；

3．控制器；

4．執(zhí)行器(機構(gòu)).過程控制與集散系統(tǒng)第1章過程控制系統(tǒng)概述*6蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.2過程控*7蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院名詞術(shù)語：（1）被控參數(shù)（變量）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù),如溫度、壓力、流量、液位、成分等；（2）控制參數(shù)（亦稱操作變量控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；（3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；（4）設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對應(yīng)的設(shè)定值；（5）反饋值z(t)：被控參數(shù)經(jīng)測量變送后的實際測量值；（6）偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。第1章過程控制系統(tǒng)概述*7蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院名詞術(shù)語：第1章過程控制系統(tǒng)概述*8蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院控制器（或稱調(diào)節(jié)器）根據(jù)系統(tǒng)輸出量測值與設(shè)定值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量，對被控過程進行控制。

執(zhí)行機構(gòu)（如：調(diào)節(jié)閥）接受控制器（調(diào)節(jié)器）送來的控制信息調(diào)節(jié)被控量，達到預(yù)期的控制目標。

過程的輸出信號通過檢測與變送儀表，反饋到控制器的輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第1章過程控制系統(tǒng)概述*8蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院控制器（或稱調(diào)節(jié)器）*91.開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loopcontrolsystem)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋(NegativeFeedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時間來定量描述。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。3.階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（stepfunction）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的﹔準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state)

第1章過程控制系統(tǒng)概述*91.開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop*10

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計閥門圖

室溫人工控制示意圖第1章過程控制系統(tǒng)概述例：圖為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。*10在此人的作用可分為三步：送風(fēng)回風(fēng)恒溫室*11眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設(shè)定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤５?章過程控制系統(tǒng)概述*11眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的*12

過程控制系統(tǒng)的定義：為實現(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。圖為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人?；仫L(fēng)恒溫室23送風(fēng)熱水M回水41圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT

過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。

第1章過程控制系統(tǒng)概述*12過程控制系統(tǒng)的定義：為實現(xiàn)對某個工藝參*13蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院

轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)中的一種設(shè)備。熔融的鐵水裝入轉(zhuǎn)爐后，通過氧槍供給轉(zhuǎn)爐一定的氧氣，進行吹氧。使鐵水中的碳氧化燃燒，不斷降低鐵水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧時間，可以獲得不同品種的鋼產(chǎn)品。圖可見，從節(jié)流裝置1采集到的氧氣流量，送入流量變送器FT2，再經(jīng)過開方器3，其結(jié)果送到流量控制器（調(diào)節(jié)器）FC4作為流量反饋值，與供氧量的設(shè)定值比較，得到偏差值，經(jīng)過流量控制器（調(diào)節(jié)器）FC4進行PID運算，輸出控制信號，去控制調(diào)節(jié)閥5的開度，從而改變供氧量的大小，以滿足生產(chǎn)工藝要求。

第1章過程控制系統(tǒng)概述*13蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)中的一種*14蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過程控制系統(tǒng)概述過熱蒸汽控制*14蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過程控制系統(tǒng)概述過熱蒸汽控*15蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院一．過程工業(yè)的特點過程控制是指連續(xù)過程工業(yè)，特點主要指連續(xù)過程生產(chǎn)，過程工業(yè)是十分復(fù)雜的大系統(tǒng)，存在不確定性、時變性以及非線性等因素，過程控制的難度是顯而易見的，工業(yè)過程生產(chǎn)環(huán)境惡劣，生產(chǎn)條件苛刻，采用智能控制方法和計算機控制技術(shù)。過程控制系統(tǒng)特點第1章過程控制系統(tǒng)概述*15蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院一．過程工業(yè)的特點過程控制系統(tǒng)特*16蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院二.過程控制系統(tǒng)的特點

1．控制對象復(fù)雜、控制要求多樣石油化工過程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過程、核工業(yè)中的動力核反應(yīng)過程。過程控制系統(tǒng)中的被控對象（被控量）是多樣的。2．控制方案豐富生產(chǎn)工業(yè)的特點、被控過程的多樣性決定控制方案的多樣性。系統(tǒng)硬件和控制算法、軟件設(shè)計。

3．控制對象大多屬于慢過程連續(xù)工業(yè)過程大慣性和大滯后的特點決定了被控過程為慢過程。4．大多數(shù)工藝要求定值控制被控參數(shù)的設(shè)定值為一個定值，減小或消除外界干擾，使被控量盡量保持接近或等于設(shè)定值。5．大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置第1章過程控制系統(tǒng)概述*16蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院二.過程控制系統(tǒng)的特點第1章過*17儀表控制系統(tǒng)：由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成?？刂品椒ㄉ?單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)。控制算法：PID控制、智能控制等。過程控制的目的：保持過程中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*17儀表控制系統(tǒng)：由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成。*18過程控制多種分類方法：

按被控參數(shù)分類：溫度、壓力、流量、液位或物位控制系統(tǒng)、物性控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)。按被控量數(shù)分類：單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)按參數(shù)性質(zhì)分類： 集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)按控制算法分類： 簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進或高級控制系統(tǒng)按控制器形式分類： 常規(guī)儀表過程制系統(tǒng)、計算機過程控制系統(tǒng)第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*18過程控制多種分類方法：第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理*19按設(shè)定值分類： 定值控制系統(tǒng)、隨動（伺服）控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)1、定值控制系統(tǒng)：是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的一種過程控制系統(tǒng)。在運行時，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時根據(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。定值控制系統(tǒng)在于恒定，要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準、快地保持接近或等于設(shè)定值。2、隨動控制系統(tǒng)：是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。隨動（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標是跟蹤，即穩(wěn)、準、快地跟蹤設(shè)定值。3、程序控制系統(tǒng)：其給定值按預(yù)定的時間程序來變化。如機械工業(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)用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機、電飯煲等。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*19按設(shè)定值分類：第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電*20按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類：1）反饋控制；2）前饋控制；3）復(fù)合控制。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*20按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類：1）反饋控制；2）前饋控制；3）復(fù)合控*211）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：

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－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*211）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）給定值被控變量干擾f*222）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*222）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）測量值被控量干擾f控*233）復(fù)合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器控制器2++前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*233）復(fù)合控制系統(tǒng)給定值被控變量干擾f控制器1*24過程控制系統(tǒng)的性能指標

1.3

控制系統(tǒng)的性能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標。單項性能指標以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*24過程控制系統(tǒng)的性能指標1.3控制系統(tǒng)的性能*25穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*25穩(wěn)態(tài)與動態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州*26靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*26靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡*27控制系統(tǒng)的過渡過程:

控制系統(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)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。

1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*27控制系統(tǒng)的過渡過程:第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理*28階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為

f(t)=

A(t)Atf（t）第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*28階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。*29在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：

①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0θa②0θa第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*29在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)*30③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。④t0θa③θa0t第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*30③等幅振蕩過程④t0θa③θa0t第1章過程控制系統(tǒng)*31過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)過程的過渡過程較慢，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動的情況下才采用。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*31過渡過程的分類第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信*32（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*32（2）不穩(wěn)定過渡過程第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大*33第1章過程控制系統(tǒng)概述1。階躍響應(yīng)性能指標：蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*33第1章過程控制系統(tǒng)概述1。階躍響應(yīng)性能指標：蘭州理工*341）．衰減比和衰減率衰減比等于兩個相鄰?fù)虿ǚ逯抵取：饬空袷庍^程衰減程度的指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述衰減率經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數(shù)。衡量振蕩過程衰減程度的另一種指標。

是衡量過度過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(于遞減比含義相同).一般取=0.75～0.9。蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*341）．衰減比和衰減率第1章過程控制系統(tǒng)概述衰減率經(jīng)*35過程控制系統(tǒng)的衰減比為4：1到10：1，相當(dāng)于衰減率=0.75到0.9。若衰減率=0.75,大約振蕩兩個波系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)。

2）.最大動態(tài)偏差和超調(diào)量最大動態(tài)偏差是指在階躍響應(yīng)中，被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，表現(xiàn)在過渡過程開始的第一個波峰。超調(diào)量為最大動態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比。最大動態(tài)偏差是過程控制系統(tǒng)動態(tài)準確性的衡量指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*35過程控制系統(tǒng)的衰減比為4：1到10：1，第1章過程*363）.余差殘余偏差（穩(wěn)態(tài)誤差、靜差）

是指過渡過程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值的差值。它是過程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的衡量指標。4）.調(diào)節(jié)時間ts和振蕩頻率調(diào)節(jié)時間ts是從過渡過程開始到結(jié)束的時間。理論上它應(yīng)該為無限長。一般認為當(dāng)被控量進入其穩(wěn)態(tài)值的5%范圍內(nèi)，就算過渡過程已經(jīng)結(jié)束，這時所需時間就是調(diào)節(jié)時間.

調(diào)節(jié)時間是過程控制系統(tǒng)快速性的指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*36第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*37過渡過程的振蕩頻率是振蕩周期的倒數(shù)，即

在同樣的振蕩頻率下，衰減比越大則調(diào)節(jié)時間越短；當(dāng)衰減比相同時，則振蕩頻率越高，調(diào)節(jié)時間越短。振蕩頻率在一定程度上也可作為衡量過程控制系統(tǒng)快速性的指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*37過渡過程的振蕩頻率是振蕩周期的倒數(shù)，即*38控制系統(tǒng)的單項品質(zhì)指標小結(jié)穩(wěn)定性衰減比n=4:1~10:1最佳

準確性余差C小好最大偏差A(yù)

小好快速性

過渡時間Ts短好

振蕩周期T短好各品質(zhì)指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標應(yīng)優(yōu)先予以保證。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*38控制系統(tǒng)的單項品質(zhì)指標小結(jié)第1章過程控*39例：某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為45±5℃，現(xiàn)設(shè)計一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的曲線如下圖所示，試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調(diào)量和過渡過程時間。解：穩(wěn)態(tài)誤差=41-40=1℃衰減比=4:1

超調(diào)量=（45-41）/41=9.75%過渡過程時間=23min。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*39例：某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為45±5℃，現(xiàn)設(shè)計一定*40

[例]

某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。

解：最大偏差A(yù)=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=5:1第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*40[例]某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為20*41振蕩周期T

=20–5=15（min）設(shè)被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點Ts=22min第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*41振蕩周期T=20–5=15（min*422.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標——偏差積分單項指標雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個指標，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*422.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標——偏差積分圖1.3*43tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表達余差e(t)=y(t)-y(r)

如有余差則積分無窮大第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*43tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：I*44偏差積分指標有以下幾種形式：(1)偏差絕對值積分：

(2)偏差平方值積分：

(3)偏差絕對值與時間乘積積分：

(4)時間乘偏差平方積分:缺點：不能保證衰減率第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*44偏差積分指標有以下幾種形式：(1)偏差絕對值積分：*45①偏差積分IE（IntegralofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*45①偏差積分IE（IntegralofError）圖*46②絕對偏差積分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

排除了正負偏差抵消的可能。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*46②絕對偏差積分IAE圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的*47圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）對大偏差敏感

第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*47圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線y*48④時間與絕對偏差乘積積分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

對調(diào)節(jié)時間敏感

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*48④時間與絕對偏差乘積積分ITAE對調(diào)節(jié)時間敏感圖1.*49過程控制的進展1.4在二十世紀40年代以前，處于手工操作狀態(tài)，操作工人通過對火候、冷熱、色澤、形狀等的觀察來調(diào)整生產(chǎn)過程。二十世紀50年代前后，實現(xiàn)儀表控制和局部自動化。采用的是基地式儀表和部分組合儀表，、氣動式，單輸入/單輸出、4大參數(shù)穩(wěn)定、經(jīng)典控制理論。自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。二十世紀60年代隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，采用單元組合儀表（包括氣動與電動）以及組裝儀表。以4～20mA和0～10mA電動模擬信號為統(tǒng)一標準信號的電動模擬控制系統(tǒng)。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*49過程控制的進展1.4在二十世紀40年代以前，處*501946年世界上第一臺計算機誕生。1959年工業(yè)控制計算機（ProcessControlComputer,如TR300等）便在化肥廠和煉油廠試用于控制生產(chǎn)過程。60年代中期，出現(xiàn)了用計算機實現(xiàn)的直接數(shù)字控制DDC（DirectDigitalControl）系統(tǒng)和計算機監(jiān)控SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)。二十世紀70年代中期，推出了分布式計算機控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem，集散系統(tǒng)）和可編程序控制器（PLC）.二十世紀80年代以來，一方面分布式計算機控制系統(tǒng)DCS成為流行的過程控制系統(tǒng)；另一方面，兼顧連續(xù)控制和邏輯控制/順序控制功能的復(fù)合控制系統(tǒng)HCS（HybridControlSystem）得到發(fā)展。它可以是基于DCS而增添邏輯順序功能的系統(tǒng)，也可以是基于PLC而增添連續(xù)控制功能的系統(tǒng)。另外，各廠家相繼推出了各種數(shù)字化智能變送器和智能化數(shù)字執(zhí)行器，以現(xiàn)場總線（Fieldbus）為標準，實現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS進一步將控制功能分散，增強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*501946年世界上第一臺計算機誕生。第1章過*51在控制裝置發(fā)展的同時，產(chǎn)生出許多智能傳感器和執(zhí)行器。能提供儀表狀態(tài)和診斷的信息，具有通訊功能，便于調(diào)試、投運、維護和管理。

一些重要的生產(chǎn)過程逐漸采用技術(shù)先進在線分析儀器，如：近紅外、質(zhì)譜、色譜、專用生化過程傳感器等等。隨著各種光、機、電傳感技術(shù)以及厚膜電路等先進加工工藝的廣泛應(yīng)用，使工業(yè)儀表顯得異彩紛呈。近年來，以太網(wǎng)技術(shù)逐漸滲入到工業(yè)自動化領(lǐng)域。隨著高速以太網(wǎng)的到來，智能以太網(wǎng)交換機的使用和耐工業(yè)環(huán)境（防塵、防潮、防爆、耐腐蝕、抗電磁干擾等）以太網(wǎng)器件的面市，工業(yè)以太網(wǎng)將會更加廣泛地在工業(yè)自動化中得到應(yīng)用，從而使過程控制系統(tǒng)更為靈活、方便和經(jīng)濟。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*51在控制裝置發(fā)展的同時，產(chǎn)生出許多智能傳感器和執(zhí)*52過程控制策略與算法的進展過程控制策略與算法出現(xiàn)了三種類型：

簡單控制、復(fù)雜控制與先進控制.通常將單回路PID控制稱為簡單控制。PID控制以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，主要用頻域方法對控制系統(tǒng)進行分析設(shè)計與綜合。目前，PID控制仍然得到廣泛應(yīng)用。在許多DCS和PLC系統(tǒng)中，均設(shè)有PID控制算法軟件，或PID控制模塊。從二十世紀50年代開始，過程控制界逐漸發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和Smith預(yù)估控制等控制策略與算法，稱之為復(fù)雜控制。二十世紀70年代中后期，出現(xiàn)了以DCS和PLC為代表的新型計算機控制裝置，為過程控制提供了強有力的硬件與軟件平臺。

第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*52過程控制策略與算法的進展第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州*53從80年代開始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的理論基礎(chǔ)上，針對工業(yè)過程本身的非線性、時變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之有效的解決方法，如解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，常統(tǒng)稱為先進過程控制。近十年來，以專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法為主要方法的基于知識的智能處理方法已經(jīng)成為過程控制的一種重要技術(shù)。先進過程控制方法可以有效地解決那些采用常規(guī)控制效果差，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程的控制問題。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*53從80年代開始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的*54蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*54蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*謝謝*謝謝2022/12/16趙小強過程控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2022/12/12趙小強過程控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信*57基本概念組成特點分類性能指標發(fā)展歷程第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*2基本概念組成特點分類性能指標發(fā)展歷程第1章過程控*58蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制與集散系統(tǒng)生產(chǎn)過程：

是指物料經(jīng)過若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過程.

生產(chǎn)過程的總目標：

將原物料加工成預(yù)期的產(chǎn)品.過程控制的任務(wù):

了解工藝流程和動靜態(tài)特性.實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標.過程控制的基本概念1.1

第1章過程控制系統(tǒng)概述*3蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制與集散系統(tǒng)生產(chǎn)過程：過程控*59蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院生產(chǎn)過程的要求：安全性,穩(wěn)定性,經(jīng)濟性

(1)安全性:生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備安全 是最重要和最基本的要求.

(2)穩(wěn)定性:系統(tǒng)抑制外部干擾、保持生產(chǎn)過程 長期穩(wěn)定運行的能力.

(3)經(jīng)濟性:低成本高效益是過程控制的另一個目標.

工業(yè)過程可以分為：連續(xù)過程工業(yè)、離散過程工業(yè)和間歇過程工業(yè).過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)的過程控制過程控制與集散系統(tǒng)第1章過程控制系統(tǒng)概述*4蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院生產(chǎn)過程的要求：安全性,穩(wěn)定性,經(jīng)濟*60過程控制（Processcontrol）：是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學(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。過程控制與集散系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過程控制系統(tǒng)概述*5過程控制（Processcontrol）：是指連續(xù)生產(chǎn)*61蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.2過程控制系統(tǒng)的一般性框圖

1．被控過程（或?qū)ο螅?/p>

2．檢測變送(用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表)；

3．控制器；

4．執(zhí)行器(機構(gòu)).過程控制與集散系統(tǒng)第1章過程控制系統(tǒng)概述*6蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.2過程控*62蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院名詞術(shù)語：（1）被控參數(shù)（變量）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù),如溫度、壓力、流量、液位、成分等；（2）控制參數(shù)（亦稱操作變量控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；（3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；（4）設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對應(yīng)的設(shè)定值；（5）反饋值z(t)：被控參數(shù)經(jīng)測量變送后的實際測量值；（6）偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。第1章過程控制系統(tǒng)概述*7蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院名詞術(shù)語：第1章過程控制系統(tǒng)概述*63蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院控制器（或稱調(diào)節(jié)器）根據(jù)系統(tǒng)輸出量測值與設(shè)定值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量，對被控過程進行控制。

執(zhí)行機構(gòu)（如：調(diào)節(jié)閥）接受控制器（調(diào)節(jié)器）送來的控制信息調(diào)節(jié)被控量，達到預(yù)期的控制目標。

過程的輸出信號通過檢測與變送儀表，反饋到控制器的輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第1章過程控制系統(tǒng)概述*8蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院控制器（或稱調(diào)節(jié)器）*641.開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loopcontrolsystem)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋(NegativeFeedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時間來定量描述。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。3.階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（stepfunction）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的﹔準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state)

第1章過程控制系統(tǒng)概述*91.開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop*65

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計閥門圖

室溫人工控制示意圖第1章過程控制系統(tǒng)概述例：圖為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。*10在此人的作用可分為三步：送風(fēng)回風(fēng)恒溫室*66眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設(shè)定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂?。?章過程控制系統(tǒng)概述*11眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的*67

過程控制系統(tǒng)的定義：為實現(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。圖為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人。回風(fēng)恒溫室23送風(fēng)熱水M回水41圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT

過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。

第1章過程控制系統(tǒng)概述*12過程控制系統(tǒng)的定義：為實現(xiàn)對某個工藝參*68蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院

轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)中的一種設(shè)備。熔融的鐵水裝入轉(zhuǎn)爐后，通過氧槍供給轉(zhuǎn)爐一定的氧氣，進行吹氧。使鐵水中的碳氧化燃燒，不斷降低鐵水中的含碳量?？刂拼笛趿亢痛笛鯐r間，可以獲得不同品種的鋼產(chǎn)品。圖可見，從節(jié)流裝置1采集到的氧氣流量，送入流量變送器FT2，再經(jīng)過開方器3，其結(jié)果送到流量控制器（調(diào)節(jié)器）FC4作為流量反饋值，與供氧量的設(shè)定值比較，得到偏差值，經(jīng)過流量控制器（調(diào)節(jié)器）FC4進行PID運算，輸出控制信號，去控制調(diào)節(jié)閥5的開度，從而改變供氧量的大小，以滿足生產(chǎn)工藝要求。

第1章過程控制系統(tǒng)概述*13蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)中的一種*69蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過程控制系統(tǒng)概述過熱蒸汽控制*14蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過程控制系統(tǒng)概述過熱蒸汽控*70蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院一．過程工業(yè)的特點過程控制是指連續(xù)過程工業(yè)，特點主要指連續(xù)過程生產(chǎn)，過程工業(yè)是十分復(fù)雜的大系統(tǒng)，存在不確定性、時變性以及非線性等因素，過程控制的難度是顯而易見的，工業(yè)過程生產(chǎn)環(huán)境惡劣，生產(chǎn)條件苛刻，采用智能控制方法和計算機控制技術(shù)。過程控制系統(tǒng)特點第1章過程控制系統(tǒng)概述*15蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院一．過程工業(yè)的特點過程控制系統(tǒng)特*71蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院二.過程控制系統(tǒng)的特點

1．控制對象復(fù)雜、控制要求多樣石油化工過程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過程、核工業(yè)中的動力核反應(yīng)過程。過程控制系統(tǒng)中的被控對象（被控量）是多樣的。2．控制方案豐富生產(chǎn)工業(yè)的特點、被控過程的多樣性決定控制方案的多樣性。系統(tǒng)硬件和控制算法、軟件設(shè)計。

3．控制對象大多屬于慢過程連續(xù)工業(yè)過程大慣性和大滯后的特點決定了被控過程為慢過程。4．大多數(shù)工藝要求定值控制被控參數(shù)的設(shè)定值為一個定值，減小或消除外界干擾，使被控量盡量保持接近或等于設(shè)定值。5．大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置第1章過程控制系統(tǒng)概述*16蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院二.過程控制系統(tǒng)的特點第1章過*72儀表控制系統(tǒng)：由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成?？刂品椒ㄉ?單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)?？刂扑惴ǎ篜ID控制、智能控制等。過程控制的目的：保持過程中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*17儀表控制系統(tǒng)：由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成。*73過程控制多種分類方法：

按被控參數(shù)分類：溫度、壓力、流量、液位或物位控制系統(tǒng)、物性控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)。按被控量數(shù)分類：單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)按參數(shù)性質(zhì)分類： 集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)按控制算法分類： 簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進或高級控制系統(tǒng)按控制器形式分類： 常規(guī)儀表過程制系統(tǒng)、計算機過程控制系統(tǒng)第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*18過程控制多種分類方法：第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理*74按設(shè)定值分類： 定值控制系統(tǒng)、隨動（伺服）控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)1、定值控制系統(tǒng)：是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的一種過程控制系統(tǒng)。在運行時，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時根據(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。定值控制系統(tǒng)在于恒定，要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準、快地保持接近或等于設(shè)定值。2、隨動控制系統(tǒng)：是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。隨動（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標是跟蹤，即穩(wěn)、準、快地跟蹤設(shè)定值。3、程序控制系統(tǒng)：其給定值按預(yù)定的時間程序來變化。如機械工業(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)用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機、電飯煲等。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*19按設(shè)定值分類：第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電*75按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類：1）反饋控制；2）前饋控制；3）復(fù)合控制。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*20按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類：1）反饋控制；2）前饋控制；3）復(fù)合控*761）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：

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－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*211）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）給定值被控變量干擾f*772）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*222）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）測量值被控量干擾f控*783）復(fù)合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器控制器2++前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*233）復(fù)合控制系統(tǒng)給定值被控變量干擾f控制器1*79過程控制系統(tǒng)的性能指標

1.3

控制系統(tǒng)的性能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標。單項性能指標以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*24過程控制系統(tǒng)的性能指標1.3控制系統(tǒng)的性能*80穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*25穩(wěn)態(tài)與動態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州*81靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*26靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡*82控制系統(tǒng)的過渡過程:

控制系統(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)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。

1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*27控制系統(tǒng)的過渡過程:第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理*83階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為

f(t)=

A(t)Atf（t）第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*28階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。*84在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：

①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0θa②0θa第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*29在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)*85③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。④t0θa③θa0t第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*30③等幅振蕩過程④t0θa③θa0t第1章過程控制系統(tǒng)*86過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)過程的過渡過程較慢，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動的情況下才采用。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*31過渡過程的分類第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信*87（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*32（2）不穩(wěn)定過渡過程第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大*88第1章過程控制系統(tǒng)概述1。階躍響應(yīng)性能指標：蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*33第1章過程控制系統(tǒng)概述1。階躍響應(yīng)性能指標：蘭州理工*891）．衰減比和衰減率衰減比等于兩個相鄰?fù)虿ǚ逯抵取：饬空袷庍^程衰減程度的指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述衰減率經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數(shù)。衡量振蕩過程衰減程度的另一種指標。

是衡量過度過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(于遞減比含義相同).一般取=0.75～0.9。蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*341）．衰減比和衰減率第1章過程控制系統(tǒng)概述衰減率經(jīng)*90過程控制系統(tǒng)的衰減比為4：1到10：1，相當(dāng)于衰減率=0.75到0.9。若衰減率=0.75,大約振蕩兩個波系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)。

2）.最大動態(tài)偏差和超調(diào)量最大動態(tài)偏差是指在階躍響應(yīng)中，被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，表現(xiàn)在過渡過程開始的第一個波峰。超調(diào)量為最大動態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比。最大動態(tài)偏差是過程控制系統(tǒng)動態(tài)準確性的衡量指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*35過程控制系統(tǒng)的衰減比為4：1到10：1，第1章過程*913）.余差殘余偏差（穩(wěn)態(tài)誤差、靜差）

是指過渡過程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值的差值。它是過程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的衡量指標。4）.調(diào)節(jié)時間ts和振蕩頻率調(diào)節(jié)時間ts是從過渡過程開始到結(jié)束的時間。理論上它應(yīng)該為無限長。一般認為當(dāng)被控量進入其穩(wěn)態(tài)值的5%范圍內(nèi)，就算過渡過程已經(jīng)結(jié)束，這時所需時間就是調(diào)節(jié)時間.

調(diào)節(jié)時間是過程控制系統(tǒng)快速性的指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*36第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*92過渡過程的振蕩頻率是振蕩周期的倒數(shù)，即

在同樣的振蕩頻率下，衰減比越大則調(diào)節(jié)時間越短；當(dāng)衰減比相同時，則振蕩頻率越高，調(diào)節(jié)時間越短。振蕩頻率在一定程度上也可作為衡量過程控制系統(tǒng)快速性的指標。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*37過渡過程的振蕩頻率是振蕩周期的倒數(shù)，即*93控制系統(tǒng)的單項品質(zhì)指標小結(jié)穩(wěn)定性衰減比n=4:1~10:1最佳

準確性余差C小好最大偏差A(yù)

小好快速性

過渡時間Ts短好

振蕩周期T短好各品質(zhì)指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標應(yīng)優(yōu)先予以保證。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*38控制系統(tǒng)的單項品質(zhì)指標小結(jié)第1章過程控*94例：某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為45±5℃，現(xiàn)設(shè)計一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的曲線如下圖所示，試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調(diào)量和過渡過程時間。解：穩(wěn)態(tài)誤差=41-40=1℃衰減比=4:1

超調(diào)量=（45-41）/41=9.75%過渡過程時間=23min。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*39例：某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為45±5℃，現(xiàn)設(shè)計一定*95

[例]

某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。

解：最大偏差A(yù)=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=5:1第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*40[例]某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為20*96振蕩周期T

=20–5=15（min）設(shè)被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點Ts=22min第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*41振蕩周期T=20–5=15（min*972.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標——偏差積分單項指標雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個指標，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*422.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標——偏差積分圖1.3*98tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表達余差e(t)=y(t)-y(r)

如有余差則積分無窮大第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*43tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：I*99偏差積分指標有以下幾種形式：(1)偏差絕對值積分：

(2)偏差平方值積分：

(3)偏差絕對值與時間乘積積分：

(4)時間乘偏差平方積分:缺點：不能保證衰減率第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*44偏差積分指標有以下幾種形式：(1)偏差絕對值積分：*100①偏差積分IE（IntegralofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。第1章過程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院*45①偏差積分IE（IntegralofError）圖*101②絕對偏差積分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)