过程控制系统课件第一章绪论.ppt

1、过程控制的概念：过程控制的概念： 通常是指石油、化工、电力、冶金、石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。8、提高市场竞争能力等过程控制技术的优点：过程控制技术的优点：1、自动化技术的重要组成部分2、实现各种最优技术经济指标3、提高经济效益和社会效益4、提高劳动生产率5、节约能源6、改善劳动条件7、保护环境卫生一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成过程控制系统：工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。)(ty )(ty)(ty )(ty 图图1-1 1-1 锅

2、炉汽包水位控制原理图锅炉汽包水位控制原理图1 1汽包汽包 2 2省煤器省煤器 3 3过热器过热器 4 4给水阀门给水阀门 5 5蒸汽阀门蒸汽阀门图图1-2 1-2 过程控制系统原理框图过程控制系统原理框图酸液酸液h排放排放碱液碱液PHTPHCPH*R1Q11Q2HTHC234图图1-3 PH控制系统控制系统图图1-4 液位控制系统液位控制系统)(ty )(ty)(ty )(ty)(ty )(ty第二节第二节 过程控制系统的特点过程控制系统的特点一、连续生产过程的自动控制一、连续生产过程的自动控制连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的二、过程控制系统由过程检测、

3、控制仪表组成二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制一个过程控制系统是由被控和过程检测控制仪表两部分组成。第二节第二节 过程控制系统的特点过程控制系统的特点三、被控过程是多种多样的、非电量的三、被控过程是多种多样的、非电量的现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性第二节第二节 过程控制系统的特点过程控制系统的特点四、过程控制的控制过程多属慢过程，四、过程控制的控制过程多属慢过程， 而且多半为参量控制而且多半为参量控制 因

4、为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制第二节第二节 过程控制系统的特点过程控制系统的特点五、过程控制方案十分丰富五、过程控制方案十分丰富单变量控制系统、多变量控制系统；仪表过程控制系统、计算机集散控制系统；复杂控制系统，满足特定要求的控制系统第二节第二节 过程控制系统的特点过程控制系统的特点六、定值控制是过程控制的一种常用方式六、定值控制是过程控制的一种常用方式过程控制的目的： 消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值

5、上，使工业生产能实现优质、高产和低耗能的目标。第二节第二节 过程控制系统的特点过程控制系统的特点当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为制定的，概括为稳定性稳定性、准确性准确性和和快速性快速性。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 传感器传感器执行器执行器被

6、控对象被控对象+e实测值实测值(a) 干扰阶跃响应干扰阶跃响应t0y y给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值(b) 给定阶跃响应给定阶跃响应0ty y1）余差）余差C 过渡过程结束后，被控参数的稳态值过渡过程结束后，被控参数的稳态值y()与设与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。控制系统稳态准确性的指标。C= y() - r图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTS

7、Tt2）衰减比）衰减比n和衰减率和衰减率设第一个波振幅为设第一个波振幅为 y1、第三个波振幅为、第三个波振幅为 y3图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt13yny131yy11yn衰减比衰减比 n 和衰减率和衰减率 是表示是表示系统系统稳定稳定程度程度的指的指标。标。n大于大于1，则系统是稳定的。随着，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：试验证明：衰减比在衰减比在 4: 1到到10:1之间时，之间时，过渡过过渡过程的程的

8、衰减程度合适，衰减程度合适，过渡过程较短。过渡过程较短。衰减比衰减比n与衰减率与衰减率之间有简单的对应关系：之间有简单的对应关系：n = 4:110:1 就相当于就相当于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。 3）最大动态偏差）最大动态偏差A和超调量和超调量 最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即程度。即: A = ymax - r 图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTST

9、tA 有时也采用超调量有时也采用超调量来表示被控参数偏离设定来表示被控参数偏离设定值的程度，值的程度， 的定义是第一个波振幅与最终稳态值的定义是第一个波振幅与最终稳态值y()之比。即之比。即图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt1y100%y()4）过渡过程时间）过渡过程时间Ts Ts是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的5% （或（或2%）范围内，就认为过渡过程结束。）范围内，就认为

10、过渡过程结束。图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。指标。过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期时间间隔叫振荡周期T ，其倒数称为，其倒数称为振荡频率振荡频率 f = 1/ T图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt5）峰值时间）峰值时间Tp 又称上升时间，是指过渡过程开始，至被控参又称

11、上升时间，是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。统快速性的指标。图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt 例例 某换热器的温度控制系统给定值为某换热器的温度控制系统给定值为200 。 在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。 解：解：最大偏差最大偏差 A = 230-200 = 30余差

12、余差 C= 205-200 = 5衰减比衰减比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1振荡周期振荡周期 T = 20 5 = 15 （min）设被控变量进入稳设被控变量进入稳态态值的土值的土2，就认为过渡过，就认为过渡过程结束，则误差区域程结束，则误差区域=205 （ 2） 4.1在新稳态值（在新稳态值（205）两侧以宽度为）两侧以宽度为4.1画一画一区域（阴影线）。曲线进入时间点区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min 控制系统的单项品质指标小结控制系统的单项品质指标小结q稳定性稳定性 衰减比衰减比n = 4:110:1最佳最佳 q准确性准确性 余差余差C小好小好 最大偏

13、差最大偏差 A 小好小好q快速性快速性 过渡时间过渡时间 Ts 短好短好 振荡周期振荡周期 T 短好短好各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。最大偏差，会使过渡时间变长。因此，因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。定性意义的主要品质指标应优先予以保证。二、误差（偏差）性能指标二、误差（偏差）性能指标 单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差较困

14、难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。面反映控制系统的品质。图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTttyrCy()yrCy()t偏差积分的原始定义：偏差积分的原始定义：IE= e (t) dt0偏差的定义存在分歧：偏差的定义存在分歧： e (t) = y(t) - y() 不能表达余差不能表达余差 e (t) = y(t) - y(r) 如有余差则积分无穷大如有余差则积分无穷大偏差积分指标有以下几种形式：偏

15、差积分指标有以下几种形式：偏差积分偏差积分IE（Integral of Error）0( )IEe t dt图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt缺点：不能保证系缺点：不能保证系统是衰减振荡。统是衰减振荡。0| )(|dtteIAE绝对偏差积分绝对偏差积分IAE （Integral Absolute value of Error） 图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt 排除了正负排除了正负偏差抵消的可能。偏差抵消的可能。图

16、图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTtdtteISE02)( 平方偏差积分平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）对大偏差敏感对大偏差敏感 时间与绝对偏差乘积积分时间与绝对偏差乘积积分ITAE （Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error） 0| )(|dttetITAE对调节时间敏感对调节时间敏感 图图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy

17、()TpTSTt控制系统的误差性能指标小结控制系统的误差性能指标小结电厂集控室电厂集控室 渭河电厂渭河电厂巴基斯坦古杜电厂巴基斯坦古杜电厂 核电厂核电厂 武钢武钢 哈尔滨伊兰煤气哈尔滨伊兰煤气 污水处理厂污水处理厂扬子石化扬子石化 自来水厂自来水厂控制柜控制柜控制柜内部控制柜内部控制柜内控制柜内PLC过程控制实验室过程控制实验室“过程控制系统过程控制系统”课程的性质和任务课程的性质和任务一、过程控制系统课程的性质一、过程控制系统课程的性质1、是自动化专业的专业课2、自动化仪表、微型计算机是构成过程控制的重要自动化技术工具，是实现工业生产过程自动化的重要装置，也是实现过程控制的前提3、在工业生产过程中，将生产过程控制在最佳的工况下运行，减少原材料和动力的消耗，降低成本，实现优质、高产、低耗，保证安全生产，防止事故发生，延长设备使用寿命，提高设备利用率，减轻劳动强度，改善劳动条件，保护环境卫生，维护生态平衡二、过程控制系统课程的任务二、过程控制系统课程的任务1、了解连续工业过程的生产特点及要求2、应用自动控制理论、控制技术和自动化仪表来设计过程控制系统及实际工程中的有关问题3、能过解决过程控制工程中的一般问题，具有分析和设计比较复杂的过程控制系统能力