1、过程控制,第一章 绪 论,1-1 过程控制技术发展概况,关于自动控制应用领域,过程控制：T，P，Q，L，密度，成分等,位置控制（伺服控制）：如卫星姿态，导弹，火炮，数控机床，电机等,自动控制,1-1 过程控制技术发展概况,生产过程自动控制,自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。,生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，专指被控变量是温度、压力、流量、
2、液位、成分等过程变量的控制问题,是自动化技术的重要组成部分。,1-1 过程控制技术发展概况,过程控制的发展 -第一阶段,20世纪40年代 手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。20世纪40年代末50年代：基地式仪表为主过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动型和电动型）；核心器件： 电子管控制理论：以反馈为中心的经典控制理论,1-1 过程控制技术发展概况,过程控制的发展 -第二阶段,20世纪60年代：仪表化局部自动化过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。自动化仪表：单元组合仪表（气动型和电动型）成为主流
3、产品。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。核心器件： 晶体管控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。,1-1 过程控制技术发展概况,过程控制的发展 -第三阶段,20世纪7080年代：计算机、DCS控制过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：气动型和电动型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器 (PLC) 、工业PC机、和数字控制器等，
4、已成为控制装置的主流。核心器件： 线性集成电路、微处理器控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模式识别技术,1-1 过程控制技术发展概况,过程控制的发展 -第四阶段,20世纪90年代至今：现场总线、计算机集成过程系统 过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。出现各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪核心器件：高性能微处理器控制理论：人工智能、神经网络控制,1-过程控制系统的特点,生产过程的连续性 在过
5、程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。被控过程的复杂性 过程控制涉及范围广，被控对象较复杂 控制方案的多样性 过程控制系统的控制方案非常丰富,1-过程控制系统的主要内容,自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录。自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号。联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车。,1-过程控制系统的主要内容,自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统：按预先规定好的步
6、骤将生产过程自动的投入运行或自动停车。自动控制系统利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。,1- 过程控制系统组成,液位控制问题为例,（1）基本问题,（2）手动控制,（3）自动控制,1- 过程控制系统组成,热交换温度控制系统,1- 过程控制系统组成,热交换温度控制系统方框图,1- 过程控制系统组成,一般过程控制系统方块图,1-过程控制系统分类,按系统的结构特点分类： 前馈控制系统 反馈控制系统 前馈反馈控制系统 按给定信号特点分类： 定值控制系统 : 设定值不变 随动控制系统 : 设定值变化 程序控制系统 : 设定值
7、按某种程序变化,1-过程控制系统分类,特点：设定值是固定不变的闭环控制系统。,作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上。,定值控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控制中应用最多的一种控制系统。,1-过程控制系统分类,随动控制系统,特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。,作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化。,自动平衡电位差计的方框图,1-过程控制系统分类,程序控制系统,特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数。,程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。,
8、作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化。,1-过程控制系统性能指标-时域控制性能指标(单项性能指标),在阶跃信号作用下，被控变量随时间变化几种形式,1.发散振荡过程曲线所示,5.非振荡发散过程曲线所示,3.等幅振荡过程曲线所示,4.衰减振荡过程曲线所示,2.非振荡衰减过程曲线所示,1-过程控制系统性能指标-时域控制性能指标(单项性能指标),1-过程控制系统性能指标-时域控制性能指标(单项性能指标),阶跃响应曲线,1-过程控制系统性能指标-时域控制性能指标(单项性能指标),余差：,它是控制系统的最终稳态偏差e()。在阶跃输入作用下，余差（Steady-state error）为：,定值控制系统
9、中，r=0，因此有：e()= -C。余差是控制系统稳态准确性指标。,1-过程控制系统性能指标-时域控制性能指标(单项性能指标),衰减比n：,衰减比（Subsidence ratio）是控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：n1衰减振荡n无穷大为非周期过程,1-过程控制系统性能指标-时域控制性能指标(单项性能指标),超调量和最大动态偏差：,随动控制系统中，超调量（Overshoot）定义为：,定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：,1-过程控制系统性能指标-时域控制性能指标(单项性能指标),调整(回复)时间和振荡频率：,被控变量从过渡过程开始到进入稳态值5%或2%范围内的时间作为过渡过程的调整时间(回复时间)Ts（Settling time）。回复时间是控制系统的快速性指标。 振荡频率与振荡周期T的关系是：,在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。,1-6 控制系统的控制性能指标-综合性能指标(偏差积分指标),1-7 控制系统运行的重要准则,
