過程控制系統(tǒng)與儀表

過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表第1章第1章

緒論過程控制（Process

control）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)過程的特征是：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反應、物質能量的轉換或傳遞。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.1

過程控制的特點過程控制系統(tǒng)具有以下特點：

1．控制對象復雜、控制要求多樣控制方案豐富控制對象大多屬于慢過程大多數(shù)工藝要求定值控制大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1．局部自動化階段

（20世紀

50～60年代）?

自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設備上，只具備簡單的測控功能。?

適用于小規(guī)模、局部過程控制。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章2．模擬單元儀表控制階段（20世紀60～70年代）?

特點：?自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。?控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。?適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章煤氣過程控制系統(tǒng)與儀表第1章核電過程控制系統(tǒng)與儀表第1章3．集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（

DDC，Direct

Digital?Control ）。但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算

機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應

用。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；?/p>

“集中管理，分散控制”

的理念，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的集散型控制系統(tǒng)（

DCS，

Distributed

ControlSystem）

。DCS系統(tǒng)實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制柜觸摸顯示屏過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制柜內(nèi)部過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制柜內(nèi)PLC過程控制系統(tǒng)與儀表第1章隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus

Control

System)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網(wǎng)絡——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過程控制系統(tǒng)與儀表第1章現(xiàn)代自動控制技術的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應用領域和規(guī)模越來越大。2、技術密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術、通訊技術、計算機技術相結合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、ABB、Siemens等公司。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎的PID

（ProportionalIntegral

Derivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預測控制、自適應控制、模糊控制等控制策略與算法，也日趨完善。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.3

過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設定值的形式或系統(tǒng)的結構特點分類。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標當被控對象受到干擾、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?？刂葡到y(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。t0y過程控制系統(tǒng)與儀表第1章靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)t1.3.2.1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)的輸入輸出關系。y靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty過程控制系統(tǒng)與儀表第1章2、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)的輸入輸出變化關系。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章給定值被控量1.3.2.2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。干擾f控制器傳感器系統(tǒng)的過渡響應受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。執(zhí)行器被控對象+實測值e—過程控制系統(tǒng)與儀表第1章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)的結構所決定的。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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章·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?！?/p>

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）過程控制系統(tǒng)與儀表第1章一側作單調變化，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。①t0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：θa①單調衰減過程被控變量在給定值的②0θa過程控制系統(tǒng)與儀表第1章③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過程控制系統(tǒng)與儀表第1章過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章（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。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標對控制系統(tǒng)的性能評價，是根據(jù)工藝對控制過程和結果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程曲線是評價控制系統(tǒng)品質的樣本。最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應的品質。階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標是一致的。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章干擾階躍響應和給定階躍響應的區(qū)別：給定值被控變量干擾f控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+實測值e—(a)干擾階躍響應t0y過程控制系統(tǒng)與儀表第1章給定值被控變量干擾f控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+實測值e—0t(b)給定階躍響應y過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類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)的品質指標。1.系統(tǒng)階躍響應的單項性能指標單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章1）衰減比n和衰減率ψ設第一個波振幅為y1、第三個波振幅為y3yry1y3Cy(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章衰減比n

和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應關系：n

=4:1~10:1就相當于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章2）最大動態(tài)偏差A和超調量σ最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即:

A

=

ymax

-

r最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。yry1y3Cy(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線TtA過程控制系統(tǒng)與儀表第1章有時也采用超調量σ來表示被控參數(shù)偏離設定值的程度，σ的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值

y(∞)之比。即yry1y3Cy(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章3）余差C過渡過程結束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的指標。C=

y(∞)

-

ryry1y3Cy(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章4）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率ωTs是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內(nèi)，就認為過渡過程結束。yry1y3y(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。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T

，其倒數(shù)稱為振蕩頻率f

=

1/

Tyry1y3y(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。yry1y3Cy(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章?

[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

=

230-200

=

30℃余差C=

205-200

=

5℃衰減比

n

=

y1:

y3

=

225:5

=

45:1過程控制系統(tǒng)與儀表第1章振蕩周期

T

=

20

–

5

=

15

（min）設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認為過渡過程結束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點

Ts

=

22min過程控制系統(tǒng)與儀表第1章控制系統(tǒng)的單項品質指標小結?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

小好??快速性過渡時間Ts

短好振蕩周期

T

短好·

各品質指標之間既有聯(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指標應優(yōu)先予以保證。過程控制系統(tǒng)與儀表第1章2.系統(tǒng)階躍響應的綜合性能指標——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，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。yry1y3Cy(∞)TpTS圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線Tt過程控制系統(tǒng)與儀表第1章tyrCy(∞)yrCy(∞)偏差積分的原始定義：IE=∫∞e(t)dt0偏差的定義存在分歧：e

(t)

=

y(t)

-

y(∞)e

(t)

=

y(t)

-

y(r)不能表達余差如有余差則積分無窮大過程控制系統(tǒng)與儀表第1章偏差積分指標有以下幾種形式：yry1y3Cy(∞)T