过程控制与自动化仪表

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,*,过程控制与自动化仪表,湖南大学电气与信息工程学院,,涂春鸣,,主要内容,绪论,检测仪表,调节器,执行器和防爆栅,调节对象的特性及实验测定,单回路调节系统设计及调节器参数整定,复杂调节系统,,主要内容,绪论,检测仪表,调节器,执行器和防爆栅,调节对象的特性及实验测

2、定,单回路调节系统设计及调节器参数整定,复杂调节系统,,绪论,,过程控制发展概况,,过程控制系统组成与分类,,过程控制特点及性能指标,,,,过程控制（Process control）是指用控制手段对连续生产过程的某些物理参数进行自动控制,。采用各种检测仪表、调节仪表、控制装置、计算机等对整个生产过程进行,自动检测、监督和控制,。,石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。,,过程控制定义,,,过程控制与运动控制的关系,,自动控制专业课,过程控制,运动控制,过程控制研究冶金、化工、石油、电力等工业过程中的,温度、压力、流量、

3、液位、成份PH值,等,六大参数,的控制,,运动控制研究速度、位置控制，如电机调速、航天、机器人等,,过程控制发展概况,,炼油,,,钢铁,,,煤气,,,污水处理,,电力,,石化,,过程控,制,制的发,展,展简况,仪表化,与,与局部,自,自动化,阶,阶段（20世,纪,纪,50,～,60,年代）,,综合自,动,动化阶,段,段（20世纪,60-70,年代中,期,期）,,全盘自,动,动化阶,段,段（20世,纪,纪,70,年代中,期,期至今,）,）,过程控,制,制发展,概,概况,,仪表化,与,与局部,自,自动化,阶,阶段,（,50～60,年代）,系统结,构,构大多,为,为单输,入,入,-,单输出,的,的单

4、回,路,路定值,控,控制系,统,统。,过程检,测,测控制,仪,仪表为,基,基地式,仪,仪表和,部,部分单,元,元组合,式,式仪表,，,，大多,为,为气动,仪,仪表。,保持温,度,度、压,力,力、流,量,量、液,位,位等工,艺,艺参数,的,的稳定,，,，确保,生,生产安,全,全运行,。,。,分析和,综,综合的,理,理论基,础,础为经,典,典控制,理,理论。,过程控,制,制发展,概,概况,,基地式,仪,仪表,一般与,检,检测装,置,置、显,示,示装置,一,一起组,装,装在一,个,个整体,内,内,同时具,有,有检测,、,、控制,与,与显示,的,的功能,结构简,单,单、价,格,格低廉,、,、使用,方,

5、方便,通用性,差,差，信,号,号不易,传,传递,一般应,用,用于简,单,单控制,系,系统,过程控,制,制发展,概,概况,压力控,制,制器,温度控,制器,,综合自,动,动化阶,段,段,（,60-70,年代中,期,期）,工业生,产,产过程,出,出现了,一,一个车,间,间甚至,于,于一个,工,工厂的,综,综合自,动,动化。,过程检,测,测控制,仪,仪表是,单,单元组,合,合仪表,和,和组装,式,式仪表,。,。,逐步采,用,用数字,计,计算机,以,以及以,微,微处理,器,器为基,础,础的集,散,散控制,系,系统，,出,出现了DDC,和,和SPC。,各种复,杂,杂的控,制,制系统,的,的出现,（,（如串

6、,级,级控制,、,、前馈,—,—反馈,复,复合控,制,制、Smith预估,控,控制以,及,及比值,、,、均匀,、,、选择,性,性控制,等,等）。,分析和,综,综合的,理,理论基,础,础发展,到,到了现,代,代控制,理,理论。,过程控,制,制发展,概,概况,,单元组,合,合仪表,流量传,感,感器,流量控,制,制器,执行器,,全盘自,动,动化阶,段,段,（,70,年代中,期,期至今,）,）,实现了,过,过程控,制,制最优,化,化与现,代,代化的,集,集中调,度,度管理,相,相结合,智能仪,表,表（如,数,数字调,节,节器、,可,可编程,控,控制器,等,等），,电,电动单,元,元仪表,实,实现了,本

7、,本质安,全,全防爆,；,；,定值控,制,制－>,最,最优控,制,制、自,适,适应控,制,制；,单变量,－,－>多,变,变量；,仪表控,制,制－>,计,计算机,分,分布式,控,控制。,计算机,集,集成过,程,程控制,系,系统CIPS,，,，计算,机,机集成,制,制造系,统,统CIMS，,集,集散控,制,制系统DCS,，,，现场,总,总线控,制,制系统FCS,，,，企业,资,资源规,划,划ERP。,经典控,制,制+现,代,代控制+智能,控,控制,,过程控,制,制发展,概,概况,,集中管,理,理，分,散,散控制,,基于数,字,字控制,仪,仪表和,计,计算机,与,与网络,技,技术,DCS,，,， D

8、istributedControlSystem,,,FCS,，,，FieldbusControlSystem,由智能,仪,仪表构,成,成的,现场总,线,线控制,系,系统,,控制功,能,能彻底,下,下放到,现,现场，,依,依靠现,场,场智能,仪,仪表便,可,可实现,生,生产过,程,程的检,测,测、控,制,制,,开放的,、,、标准,化,化的通,信,信网络,,,过程控,制,制系统,组,组成,过程控,制,制系统,组,组成：,被控过,程,程（Process,）,）,过程检,测,测控制,仪,仪表（Instrumentation,）,）,被控过,程,程是指,运,运行中,的,的多种,多,多样的,工,工艺生,产

9、,产设备,过程检,测,测控制,仪,仪表包,括,括：,测量变,送,送元件,（,（Measurement,）,）,控制器,（,（Controller）,执行机,构,构（ControlElement）,过程控,制,制系统,组,组成与,分,分类,,图,1,为人工,控,控制室,温,温。为,保,保证恒,温,温室温,符,符合要,求,求，操,作,作人员,要,要随时,观,观察温,度,度计的,指,指示值,，,，并随,时,时判断,和,和决定,如,如何操,作,作阀门,来,来保证,恒,恒温要,求,求，然,后,后进行,操,操作。,人的动,作,作分三,步,步：,眼看,脑想,手动,图1,室,室温,人,人工控,制,制示意,图,

10、图,送风,,,,,,回风,恒温室,温度计,阀门,实例,,眼看——用,传,传感器,将,将温度,信,信号转,换,换为控,制,制器可,接,接受的,信,信号。,脑想——控,制,制器将,输,输入的,实,实测温,度,度信号,和,和要求,值,值比较,（,（相减,求,求偏差) ,,并,并按偏,差,差值计,算,算出控,制,制量。,手动——人,工,工阀门,换,换成控,制,制阀，,按,按控制,信,信号自,动,动改变,开,开度。,人工控,制,制受制,于,于经验,和,和注意,力,力，控,制,制不精,确,确。而,自,自动控,制,制按设,定,定好的,方,方案进,行,行计算,控,控制，,可,可以做,到,到精确,的,的、恰,当

11、,当的控,制,制。,,过程控,制,制系统,：,：,为实现,对,对某个,工,工艺参,数,数的自,动,动控制,，,，由相,互,互联系,、,、制约,的,的一些,仪,仪表、,装,装置及,工,工艺对,象,象、设,备,备构成,的,的 一,个,个整体,。,。,图2为,室,室温自,动,动控制,系,系统，,自,自动化,仪,仪表代,替,替了人,。,。,,图2,室,室温自,动,动控制,系,系统示,意,意图,1—热,水,水加热,器,器；3,—,—控制,器,器；,2—传,感,感变送,器,器；4,—,—执行,器,器,回风,恒温室,2,3,,,送风,热水,M,回水,4,1,,TC,TT,,,,,在讨论,控,控制系,统,统工

12、作,原,原理时,，,，为清,楚,楚地表,示,示自动,控,控制系,统,统各组,成,成部分,的,的作用,及,及相互,关,关系，,一,一般用,原,原理框,图,图来表,示,示控制,系,系统。,如图2,的,的室温,控,控制系,统,统是由,温,温度变,送,送器、,控,控制器,、,、,电动调,节,节阀,和加热,器,器及房,间,间,组成。,给定值,被控变量,干扰f,,,,,,控制器,变送器,调节阀,加热器,及房间,,,+,e,实测值,－,,用通用,名,名称表,示,示为：,给定值,被控变量,干扰f,,,,,,控制器,变送器,执行器,被控对象,,+,e,实测值,－,过程控,制,制系统,的,的主要,任,任务是,：,

13、：对生,产,产过程,中,中的重,要,要参数,（,（温度,、,、压力,、,、流量,、,、物(,液,液)位,、,、成分,、,、PH,值,值等）,进,进行控,制,制，使,其,其保持,恒,恒定或,按,按一定,规,规律变,化,化。,过程控,制,制系统,原,原理方,框,框图,,广义对,象,象,,过程控,制,制常用,术,术语,被控过,程,程（Process)：工,艺,艺参数,需,需要控,制,制的生,产,产过程,、,、设备,或,或机器,等,等,被控参,数,数（ControlledVariable) ：,被,被控过,程,程内要,求,求保持,设,设定数,值,值的工,艺,艺参数,控制参,数,数（Manipulati

14、ngVariable),：,：受,控,控制器,操,操纵的,，,，使被,控,控参数,保,保持设,定,定值的,物,物料量,或,或能量,扰动量,（,（Interference),：,：作用,于,于被控,过,过程并,引,引起被,控,控参数,变,变化的,因,因素,过程控制,系,系统组成,与,与分类,,过程控制,常,常用术语,设定值（SetPoint:SP) ：被,控,控参数的,预,预定值,当前值（PresentValue:PV)：被控,参,参数的当,前,前实际值,偏差（Error) ：被,控,控参数的,设,设定值与,当,当前实际,值,值之差,过程控制,系,系统组成,与,与分类,,过程控制,系,系统的分,

15、类,类,按系统的,结,结构特点,来,来分,反馈控制,系,系统,前馈控制,系,系统,复合控制,系,系统（前,馈,馈,-,反馈控制,系,系统）,按给定值,信,信号的特,点,点来分,定值控制,系,系统,随动控制,系,系统,顺序控制,系,系统,过程控制,系,系统组成,与,与分类,,反馈控制,系,系统,又称为闭,环,环控制系,统,统,根据系统,被,被控量与,给,给定值的,偏,偏差进行,工,工作，,偏差值是,控,控制的依,据,据，最后,达,达到减小,或,或消除偏,差,差的目的,反馈信号,可,可能有多,个,个，从而,可,可以构成,多,多回路控,制,制系统（,如,如串级控,制,制系统）,过程控制,系,系统组成

16、,与,与分类,,前馈控制,系,系统,也称为开,环,环控制系,统,统。,根据扰动,量,量的大小,进,进行工作,扰动是控,制,制的依据,在实际生,产,产中不能,单,单独采用,过程控制,系,系统组成,与,与分类,,复合控制,系,系统（前,馈,馈,-,反馈控制,系,系统）,过程控制,系,系统组成,与,与分类,,,,,定值控制,系,系统,定值控制,系,系统是工,业,业生产过,程,程中应用,最,最多的一,种,种过程控,制,制系统,在运行时,，,，系统被,控,控量（温,度,度、压力,、,、流量、,液,液位、成,份,份等）的,给,给定值是,固,固定不变,的,的,有时在规定,的,的小范围附,近,近不变,过程控制

17、系,统,统组成与分,类,类,,随动控制系,统,统,随动控制系,统,统是一种被,控,控量的给定,值,值随时间任,意,意变化的控,制,制系统,,它的主要作,用,用是克服一,切,切扰动，使,被,被控量随时,跟,跟踪给定值,过程控制系,统,统组成与分,类,类,,顺序控制系,统,统,顺序控制系,统,统是被控量,的,的给定量按,预,预定的时间,程,程序来变化,的,的控制系统,过程控制系,统,统组成与分,类,类,,过程控制的,主,主要特点,被控过程的,多,多样性,控制方案的,多,多样性,有单回路、,串,串级、前馈,-,反馈、比值,、,、均匀、分,程,程、选择性,、,、时滞、数,字,字和计算机,过,过程控制系

18、,统,统等,控制过程属,慢,慢过程、多,半,半属参量控,制,制,定值控制是,主,主要控制形,式,式,大多使用标,准,准化的检测,、,、控制仪表,及,及装置,过程控制特,点,点及性能指,标,标,,过程控制的,品,品质指标,决定过程控,制,制系统品质,的,的环节,控制系统结,构,构,被控过程特,性,性,过程检测、,控,控制仪表,性能良好的,过,过程控制系,统,统，在受到,外,外来扰动作,用,用或给定值,发,发生变化后,，,，应,平稳,准确,迅速地回复,（,（或趋近）,到,到给定值,过程控制特,点,点及性能指,标,标,t,0,y,,,过程控制的,品,品质指标,过程控制系,统,统的评价指,标,标可概括

19、为,系统必须是,稳,稳定的,（,平稳,）,系统应能提,供,供尽可能好,的,的稳态调节,（,（,准确,）,系统应能提,供,供尽可能好,的,的过渡过程,（,（,迅速,）,控制性能指,标,标应根据生,产,产工艺过程,的,的实际需要,确,确定，通常,采,采用系统阶,跃,跃响应曲线,的,的性能指标,和,和偏差积分,性,性能指标,过程控制特,点,点及性能指,标,标,,阶跃信号的,输,输入突然，,对,对被控变量,的,的影响也最,大,大。如果一,个,个控制系统,能,能够有效地,克,克服这种干,扰,扰，那么对,其,其它比较缓,和,和的干扰也,能,能很好地克,服,服。,阶跃信号的,形,形式简单，,容,容易实现，,

20、便,便于分析、,实,实验和计算,。,。故更多使,用,用阶跃信号,。,。,如图，输入,信,信号在,t = 0,时，阶跃上,升,升幅度为,A,，其后保持,。,。表达为,f (t,) =,A, ( t,),A,t,f（t）,,在阶,跃,跃输,入,入的,扰,扰动,作,作用,下,下，,定,定值,控,控制,系,系统,过,过渡,过,过程,有,有四种形式,：,：,①单,调,调衰,减,减过,程,程,被控,变,变量,在,在给,定,定值,的,的一,侧,侧作,单,单调,变,变化,，,，最,后,后稳,定,定在,某,某一,数,数值,上,上。,②振,荡,荡衰,减,减过,程,程,被控,变,变量,上,上下,波,波动,，,，但

21、,幅,幅度,逐,逐渐,减,减少,，,，最,后,后稳,定,定在,某,某一,数,数值,上,上。,,①,t,0,θ,a,②,0,θ,a,,,③等,幅,幅振,荡,荡过,程,程,被控,变,变量,在,在给,定,定值,附,附近,来,来回,波,波动,，,，且,波,波动,幅,幅度,保,保持,不,不变,。,。,,④振,荡,荡发,散,散过,程,程,被控,变,变量,来,来回,波,波动,，,，且,波,波动,幅,幅度,逐,逐渐,变,变大,，,，离,给,给定,值,值越,来,来越,远,远。,,,④,t,0,θ,a,③,θ,a,0,t,,,,,,1.,系,系,统,统阶,跃,跃响,应,应的,单,单项,性,性能,指,指标,单项,性

22、,性能,指,指标,包,包含,了,了对,控,控制,系,系统,的,的稳定,性,性、准确,性,性和快速,性,性三方,面,面的,评,评价,。,。,控制,性,性能,指,指标,有,有单项,指,指标和综合,指,指标两类,单项,性,性能,指,指标,以,以控,制,制系,统,统被,控,控参,数,数过,渡,渡过,程,程的,单,单项,特,特征,量,量作,为,为性,能,能指,标,标，,而,而偏,差,差积,分,分性,能,能指,标,标则,是,是一,种,种综,合,合性,指,指标,。,。由,于,于在,多,多数,情,情况,下,下，,都,都希,望,望得,到,到衰,减,减振,荡,荡过,程,程，,所,所以,以,以衰,减,减振,荡,荡的

23、,过,过渡,过,过程,形,形式,为,为例,，,，讨,论,论控,制,制系,统,统的,品,品质,指,指标,。,。,,1）,衰,衰减,比,比,n,和衰,减,减率,ψ,设第,一,一个,波,波振,幅,幅为y,1,、第,三,三个,波,波振,幅,幅为y,3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,,y,r,y,1,y,3,C,y(,∞),T,p,T,S,T,t,阶跃,响,响应,性,性能,指,指标,,衰减,比,比,n,和衰,减,减率,ψ,是表,示,示系,统,统稳,定,定程,度,度的,指,指标,。,。,n,大于1，,则,则系,统,统是,稳,稳定,的,的。,随,随着,n,的增,大,大，,过,过渡,过,

24、过程,逐,逐渐,由,由衰,减,减振,荡,荡趋,向,向于,单,单调,过,过程,。,。,试验,证,证明,：,：衰减,比,比在4:1到10:1,之,之间,时,时，过渡,过,过程,的,的衰减,程,程度,合,合适,，,，过渡,过,过程,较,较短,。,。,衰减,比,比,n,与衰,减,减率,ψ,之间,有,有简,单,单的,对,对应,关,关系,：,：,n,=4:1~10:1,就,就,相,相,当,当,于,于,ψ,=75%,～,～90%,,,,,,,y,r,y,1,y,3,C,y(,∞),T,p,T,S,T,t,,最,大,大,动,动,态,态,偏,偏,差,差,是,是,控,控,制,制,系,系,统,统,动,动,态,态,准

25、,准,确,确,性,性,指,指,标,标,。,。,2,）,）,最,最,大,大,动,动,态,态,偏,偏,差,差,A,和,超,超,调,调,量,量,σ,最,大,大,动,动,态,态,偏,偏,差,差,表,表,示,示,系,系,统,统,瞬,瞬,间,间,偏,偏,离,离,给,给,定,定,值,值,的,的,最,最,大,大,程,程,度,度,。,。,即,即:,A,=,y,max,-,r,,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,,y,r,y,1,y,3,C,y(,∞),T,p,T,S,T,t,A,,有,时,时,也,也,采,采,用,用,超,超,调,调,量,量,σ,σ,来,来,表,表,示,示,被,被,控,控,参,参

26、,数,数,偏,偏,离,离,设,设,定,定,值,值,的,的,程,程,度,度,，,，,σ,σ,的,的,定,定,义,义,是,是,第,第,一,一,个,个,波,波,振,振,幅,幅,与,与,最,最,终,终,稳,稳,态,态,值,值y(,∞,∞),之,之,比,比,。,。,即,即,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,,y,r,y,1,y,3,C,y(,∞),T,p,T,S,T,t,,3,）,）,余,余,差,差,C,过,渡,渡,过,过,程,程,结,结,束,束,后,后,，,，,被,被,控,控,参,参,数,数,的,的,稳,稳,态,态,值,值,y,(,∞,∞),与,与,设,设,定,定,值,值,之,之,间

27、,间,的,的,残,残,余,余,偏,偏,差,差,叫,叫,做,做,余,余,差,差,，,，,也,也,称,称,静,静,差,差,。,。,是,是,衡,衡,量,量,控,控,制,制,系,系,统,统,稳,稳,态,态,准,准,确,确,性,性,的,的,指,指,标,标,。,。,C=y,(,∞,∞)-r,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,,y,r,y,1,y,3,C,y(,∞),T,p,T,S,T,t,,4,）,）,调,调,节,节,时,时,间,间,T,s,和,振,振,荡,荡,频,频,率,率,ω,T,s,是指从,过,过渡过,程,程开始,到,到过渡,过,过程结,束,束所需,的,的时间,。,。当被,控,控参

28、数,与,与稳态,值,值间的,偏,偏差进,入,入稳态,值,值的±,5%,（或±,2%,）范围,内,内，就,认,认为过,渡,渡过程,结,结束。,,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,y,r,y,1,y,3,y(,∞),T,p,T,S,T,t,,调节时,间,间和振,荡,荡频率,是,是衡量,控,控制系,统,统快速,性,性的指,标,标,,过渡过,程,程中相,邻,邻两同,向,向波峰,（,（或波,谷,谷）之,间,间的时,间,间间隔,叫,叫振荡,周,周期,T,，其倒数称,为,为振荡频率,f,= 1/,T,,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,y,r,y,1,y,3,y(,∞),

29、T,p,T,S,T,t,,另外还有峰,值,值时间,T,p,（又称上升,时,时间），是,指,指过渡过程,开,开始，至被,控,控参数到达,第,第一个波峰,所,所需要的时,间,间。也是衡,量,量控制系统,快,快速性的指,标,标。,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,,y,r,y,1,y,3,C,y(,∞),T,p,T,S,T,t,,控制系统的,单,单项品质指,标,标小结,稳定性衰减比,n =,4:1~10:1最佳,准确性余差,C,小好,最大偏差,A,小好,快速性过渡时间,T,s,短好,振荡周期,T,短好,各品质指标,之,之间既有联,系,系、又有矛,盾,盾。例如，,过,过分减小最,大,

30、大偏差，会,使,使过渡时间,变,变长。因此,，,，应根据具,体,体工艺情况,分,分清主次，,对,对生产过程,有,有决定性意,义,义的主要品,质,质指标应优,先,先予以保证,。,。,,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,,,,,,,y,r,y,1,y,3,C,y(,∞),T,p,T,S,T,t,2. 系统,阶,阶跃响应的,综,综合性能指,标,标——偏差,积,积分,单项指标虽,然,然清晰明了,，,，但如何统,筹,筹考虑比较,困,困难。而偏,差,差幅度和偏,差,差存在的时,间,间都与偏差,积,积分有关，,因,因此用偏差,积,积分一个指,标,标，就可以,全,全面反映控,制,制系统的品,质,质。,

31、,偏差积分性,能,能指标,偏差绝对值,积,积分（Integral ofAbsolute Error:,IAE,）,,,,适用于衰减,和,和无静差系,统,统,过程控制特,点,点及性能指,标,标,,偏差积分性,能,能指标,偏差绝对值,与,与时间乘积,的,的积分（,ITAE,）,,,用以降低初,始,始大误差对,性,性能指标的,影,影响,同时强调了,过,过渡过程后,期,期的误差对,指,指标的影响,过程控制特,点,点及性能指,标,标,,偏差积分性,能,能指标,偏差平方值,积,积分（ Integral ofSquared Error:,ISE,）,,,适用于衰减,和,和无静差系,统,统,过程控制特,点,点及性能指,标,标,,偏差积分性,能,能指标,时间乘偏差,平,平方积分（,ITSE,）,,,,同,ITAE,过程控制特,点,点及性能指,标,标,,演讲完毕，,谢,谢谢观看！,