過程控制基礎(chǔ)知識

過程控制基礎(chǔ)知識第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二任務(wù)一過程控制基礎(chǔ)知識

1.1自動控制系統(tǒng)的組成1.1.1人工控制與自動控制第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二自動控制系統(tǒng)的組成被控對象測量變送控制器執(zhí)行器被控制的生產(chǎn)過程或設(shè)備執(zhí)行控制器指令，改變操縱變量，對生產(chǎn)過程實(shí)施控制作用接收測量來的信號與給定值比較，作出控制決策送指令給執(zhí)行器對被控變量進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一號送控制器第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.1.2過程控制系統(tǒng)組成

在生產(chǎn)過程中有各種各樣的控制系統(tǒng)，下圖所示為幾個簡單控制系統(tǒng)的示例。

第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.1.3自動控制系統(tǒng)的方框圖第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二控制理論中的常用術(shù)語：給定值：生產(chǎn)過程中所期望的參數(shù)值。測量值：測量變送輸出值。偏差：給定值與測量值之差。被控變量：生產(chǎn)過程希望控制好的變量。操縱變量：控制閥操縱的變量。擾動量：破壞系統(tǒng)平衡狀態(tài)的外界因素。控制作用：控制器輸出對生產(chǎn)過程的影響。擾動作用：擾動量對生產(chǎn)過程的影響。第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.2自動控制的分類或控制方式1.2.1自動控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式：1．開環(huán)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的輸出信號對控制作用沒有影響，則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出信號不反饋到輸入端，不形成信號傳遞的閉合環(huán)路的控制系統(tǒng)。

舉例如下：下圖是數(shù)控加工機(jī)床中廣泛應(yīng)用的精密定位控制系統(tǒng)第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖2．閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出信號對控制作用有直接影響的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號通過反饋環(huán)節(jié)返回到輸入端，形成閉合環(huán)路，故又稱為反饋控制系統(tǒng)。如下圖第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.2.2自動控制系統(tǒng)按給定值變化分類

按設(shè)定值的變化將自動控制系統(tǒng)分為三類:1．定值控制系統(tǒng)設(shè)定值保持不變（為恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)的基本任務(wù)就是要克服擾動對被控變量的影響。第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二2．隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)也稱跟蹤控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是設(shè)定值在不斷變化.控制的目的是要使被控變量能夠及時而準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值的變化.第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二3．程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值是一個已知的時間函數(shù).在石油、化工、冶金、電力、陶瓷、輕工、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中，定值控制系統(tǒng)占大多數(shù)，是主要的控制系統(tǒng)，其次是程序控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng).第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.3.1控制系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)特性系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入與輸出的關(guān)系。1.3生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求自動控制系統(tǒng)的輸入設(shè)定值的變化（或稱設(shè)定作用)擾動的變化（或稱擾動作用）控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）在自動控制系統(tǒng)中，被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）.在保持平衡時環(huán)節(jié)的輸出與輸入關(guān)系稱為環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的靜態(tài)過程被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)控制系統(tǒng)的動態(tài)過程被控變量隨時間變化的狀態(tài)第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二在自動控制系統(tǒng)中，被控變量隨時間變化的狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的動態(tài)（或暫態(tài)）.2.動態(tài)（或暫態(tài)）系統(tǒng)處于動態(tài)時的輸出與輸入之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。系統(tǒng)的動態(tài)特性3．靜態(tài)與動態(tài)的辯證關(guān)系以哲理的觀點(diǎn)看，在自動控制系統(tǒng)中，靜態(tài)是暫時的、相對的、有條件的，動態(tài)才是普遍的、絕對的、無條件的。在生產(chǎn)過程中，擾動作用總是不斷產(chǎn)生，控制作用不斷去克服擾動對被控變量的影響。所以，自動控制系統(tǒng)總是處在動態(tài)之中。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.3.2生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求生產(chǎn)過程要求自動控制系統(tǒng)運(yùn)行時要“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”。1．穩(wěn)定性：指系統(tǒng)受到外來作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。如果系統(tǒng)受到外來作用后，經(jīng)過一段時間調(diào)整，其被控變量可以達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。穩(wěn)定的系統(tǒng)判斷方式：線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定的，與外界因素?zé)o關(guān)。因此，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)和操作人員的首要任務(wù)。第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二2．快速性快速性是表明系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度。提高響應(yīng)速度、縮短過渡過程的時間，對提高系統(tǒng)的控制效率和控制過程的精度都是有利的。3．準(zhǔn)確性余差：控制系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)時，被控變量的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之間的差值，為穩(wěn)態(tài)誤差，也簡稱余差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)靜態(tài)控制精度的重要標(biāo)志。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.3過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.3.1控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程：過程控制系統(tǒng)的過渡過程，實(shí)質(zhì)上就是控制作用不斷克服擾動作用的過程。研究控制系統(tǒng)的過渡過程，對分析和改進(jìn)控制系統(tǒng)具有很重要的意義。過渡過程直接反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣，與生產(chǎn)過程中的安全及產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量有著密切的聯(lián)系。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二圖1.9定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式常見的過渡過程形式第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

圖1-3為一個過程控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

過程控制系統(tǒng)性能指標(biāo)是衡量系統(tǒng)控制質(zhì)量優(yōu)劣的依據(jù)，又稱為質(zhì)量指標(biāo)（或品質(zhì)指標(biāo)）。通常主要采用兩類性能指標(biāo)：單項(xiàng)性能指標(biāo)和綜合控制指標(biāo)。1.單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)是系統(tǒng)在單位階躍輸入作用下,被控變量隨時間變化的衰減振蕩曲線來定義的。單項(xiàng)性能指標(biāo)是三個動態(tài)指標(biāo)，一個靜態(tài)指標(biāo)。它們分別是：衰減比n、超調(diào)量

與最大動態(tài)偏差、回復(fù)時間Ts、余差e(∞)。注意：這些控制指標(biāo)僅適用于衰減振蕩過程。第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二（1）衰減比n:過渡過程曲線上兩個同方向相鄰峰值之比。若用B表示第一個波的振幅，B′表示同方向第二個波的振幅，則衰減比為:第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二衰減比是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)若衰減比n＜1，過渡過程是發(fā)散振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定；若衰減比n＝1，過渡過程是等幅振蕩，系統(tǒng)在臨界穩(wěn)定狀態(tài)；若衰減比n＞1，過渡過程是衰減振蕩，n越大，系統(tǒng)衰減越越快,系統(tǒng)越穩(wěn)定。衰減比一般取4∶1～10∶1，即大約兩個周期后，系統(tǒng)能趨于新的穩(wěn)態(tài)。通常，隨動控制系統(tǒng)的衰減比要求為10∶1，定值控制系統(tǒng)的衰減比為4∶1。衰減比須視具體被控對象的不同來選取。習(xí)慣上用n∶1表示衰減比。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

（2）超調(diào)量

與最大動態(tài)偏差。超調(diào)量和最大動態(tài)偏差是表征被控變量偏離參比變量的超調(diào)程度，是衡量過渡過程動態(tài)精確度（即準(zhǔn)確性）的一個動態(tài)指標(biāo)。它也反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。①在隨動控制系統(tǒng)中，超調(diào)量是一個反映被控變量偏離新穩(wěn)態(tài)值最大程度的指標(biāo)。C是輸出的最終穩(wěn)態(tài)值，B是輸出超過最終穩(wěn)態(tài)值的最大振幅（即第一個波峰的幅值）。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二②在定值控制系統(tǒng)中，最終穩(wěn)態(tài)值很小或趨近于零，因此，仍用作為超調(diào)情況的指標(biāo)就不合適了。通常改用最大動態(tài)偏差

來代替超調(diào)程度.最大動態(tài)偏差:被控變量偏離設(shè)定值的最大程度也等于最大振幅B與最終穩(wěn)態(tài)值C之和的絕對值若用增量形式描述參數(shù)變化,則最大動態(tài)偏差就是最大指示值.第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二最大動態(tài)偏差或超調(diào)量越大，生產(chǎn)過程瞬時偏離設(shè)定值就越遠(yuǎn)。在實(shí)際工作中，最大動態(tài)偏差不允許超過工藝所允許的最大值。（如存在爆炸極限的化學(xué)反應(yīng)），需限制最大動態(tài)偏差的允許值.（3）回復(fù)時間Ts回復(fù)時間又稱為過渡過程時間，表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短,即被控變量從原穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值所需要的時間.工程上用“被控變量開始變化到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值附近±5%或±2%范圍內(nèi)所需要的時間”作為過渡過程的回復(fù)時間Ts。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二控制系統(tǒng)的快速性也可以用振蕩頻率w來表示振蕩頻率也可作為控制系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。定值控制系統(tǒng)常用振蕩頻率來衡量控制過程的快慢。第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

（4）余差e(∞),也稱殘余偏差余差又稱殘余偏差或靜差，是控制系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差e(∞)，即過渡過程終了時被控變量的設(shè)定值與新穩(wěn)態(tài)值之差，即對于定值控制系統(tǒng)，x＝0，則有e(∞)＝－C必須說明，以上這些控制指標(biāo)在不同的控制系統(tǒng)中各有其重要性，而且相互之間又有著內(nèi)在的聯(lián)系。如果要要求同時滿足這幾個控制指標(biāo)是不可能的。應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求分清主次，區(qū)別輕重，對于主要的控制指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先保證。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二2．綜合控制指標(biāo)

單項(xiàng)性能指標(biāo)分別只代表系統(tǒng)一個方面的性能.這些指標(biāo)往往相互影響、相互制約，難以同時滿足要求。

綜合控制指標(biāo)又稱為偏差的積分性能指標(biāo)，常用于分析系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。名稱公式特點(diǎn)控制結(jié)果適用范圍

絕對偏差積分鑒定指標(biāo)（IAE）

把不同時刻、不同幅值的偏差等同對待

各方面的性能比較均衡

一般用于評定定值控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

偏差平方積分鑒定指標(biāo)（ISE）

對大偏差敏感

最大偏差小但回復(fù)時間長一般用于評定定值控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

時間與偏差絕對值乘積的積分鑒定指標(biāo)（ITAE）對初期偏差不敏感而對后期偏差敏感最大偏差大但回復(fù)時間短一般用于評定隨動控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第29頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

對于存在余差的控制系統(tǒng)，由于余差e(∞)不為零，因此，積分指標(biāo)都將趨于無窮大，這時，可用e(t)-e(∞)＝-[y(t)-y(∞)]代替偏差項(xiàng)進(jìn)行積分運(yùn)算。過程控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的好壞，取決于組成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，特別是被控對象（過程）的特性。自動控制裝置應(yīng)按被控過程的特性加以選擇和調(diào)整，才能達(dá)到預(yù)