控制系统的性能指标课件.ppt

1、过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组绪论绪论 v现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，以及各公司之间的激烈竞争，人化，对产品质量的严格要求，以及各公司之间的激烈竞争，人工操作与控制已不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系工操作与控制已不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代企业安全，优化，低消耗和高效益生产企业安全，优化，低消耗和高效益生产的主要技术手段。

2、的主要技术手段。过程控制工程过程控制工程课程组课程组什么叫工业生产过程？什么叫工业生产过程？v 通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫工业通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫工业生产过程。生产过程。能能 源源原原 料料 公用工程公用工程 生产过程生产过程 （连续或间歇）（连续或间歇）付产品付产品产品产品废物废物（气、液、固）（气、液、固）市场市场过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的认识过程控制的认识v过程控制过程控制 一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过

3、程的自动控制。动控制。主要针对所谓六大参数主要针对所谓六大参数 温度温度 压力压力 流量流量 液位液位(或物位或物位)成分成分 物性物性过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的认识过程控制的认识过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的特点过程控制的特点v 被控过程的多样性被控过程的多样性 工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。生产工艺各不相同，这些过程的机理不同，执行机构也不同。生产工艺各不相同，这些过程的机理不同，执行机构也不同。v 被控过程属慢过程，且多属参数控制被控过程属慢过程，且多属参数控制

4、连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分、温度、压力、被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分、温度、压力、流量、液位或物位）表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控变量。流量、液位或物位）表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控变量。v 控制方案的多样性控制方案的多样性 传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程

5、控制系统。）制器组成计算机过程控制系统。）从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。控制算法多种多样，有控制算法多种多样，有PIDPID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。等。过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系统的分类v 按被控参数分类：按被控参数分类：温度、压力、流量过程控制系统等温度、压力、流量过程控制系统等v 按被控变量数分类：按被控变量数分类：单变量和多变量过程控制系统单变量和多变量过程控制系统v 按设定

6、值分类：按设定值分类：定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统、程序定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统、程序过过 程控制系统程控制系统v 按参数性质分类：按参数性质分类：集中参数和分布参数过程控制系统集中参数和分布参数过程控制系统v 按控制算法分类：按控制算法分类：简单、复杂、先进（高级）过程控制系统简单、复杂、先进（高级）过程控制系统v 按控制器形式分类：按控制器形式分类：常规仪表和计算机控制系统常规仪表和计算机控制系统v 按系统结构特点分类：按系统结构特点分类：反馈控制、前馈控制和复合控制反馈控制、前馈控制和复合控制过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系

7、统的分类反馈控制反馈控制以偏差为依据，以减少或消除偏以偏差为依据，以减少或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不变化前，无控制作用，使控制不及时。！闭环及时。！闭环过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系统的分类前馈控制前馈控制扰动作为依据，以减少扰扰动作为依据，以减少扰动对被控量的影响。无法动对被控量的影响。无法消除偏差。！开环消除偏差。！开环过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系统的分类复合控制复合控制前馈能及时克服主要扰前馈能及时克服主要扰动的影响，反馈能检查动的影响，反馈能检查控制效果

8、，提高控制质控制效果，提高控制质量量过程控制工程过程控制工程课程组课程组工业生产过程控制系统发展过程工业生产过程控制系统发展过程v 自自1919世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生活需要。作为工业生产过程一部分的工业生产过程活需要。作为工业生产过程一部分的工业生产过程控制系统也在不断发展和提高。现就控制系统也在不断发展和提高。现就工业自动化仪工业自动化仪表和计算机控制技术应用表

9、和计算机控制技术应用两方面介绍工业生产过程两方面介绍工业生产过程控制系统发展过程。控制系统发展过程。过程控制工程过程控制工程课程组课程组自动化仪表技术的发展自动化仪表技术的发展年代年代工业发展状况工业发展状况仪表技术仪表技术2020世纪世纪5050年代年代化工化工钢铁钢铁纺织纺织造纸造纸电子管时代电子管时代仪表信号传输标准仪表信号传输标准（0.21.0kgf/cm20.21.0kgf/cm2气动气动信号信号采用真空电子管采用真空电子管记录仪表为自动平衡型记录仪表为自动平衡型气动仪表控制器气动仪表控制器2020世纪世纪6060年代年代半导体技术（分立元件）半导体技术（分立元件）石油化工石油化工计

10、算机计算机大型电站大型电站过程工业大型化过程工业大型化电动仪表开始应用电动仪表开始应用(II)(II)仪表控制室仪表控制室模拟流程图模拟流程图DDCDDC规模较小规模较小过程控制工程过程控制工程课程组课程组2020世纪世纪7070年代年代集成电路技术集成电路技术微处理器微处理器能源危机能源危机工业现代化工业现代化微机广泛应用微机广泛应用电动仪表电动仪表(III)(III)CADCAD自动机械工具自动机械工具机器人机器人DCSDCS，PLCPLC2020世纪世纪8080年代年代办公自动化办公自动化数字化技术数字化技术通讯，网络技术通讯，网络技术对环境的重视对环境的重视数字化仪表，各种通信协议，数

11、字化仪表，各种通信协议，如如RS-232RS-232智能化仪表，危机化仪表智能化仪表，危机化仪表先进控制软件先进控制软件DCSDCS功能扩展功能扩展 2020世纪世纪9090年代年代智能控制智能控制工业控制高要求工业控制高要求现场总线现场总线分析仪器的在线作用分析仪器的在线作用优化控制优化控制自动化仪表技术的发展自动化仪表技术的发展过程控制工程过程控制工程课程组课程组微机化的记录、控制仪微机化的记录、控制仪表（智能化仪表）表（智能化仪表）我国首创的无纸我国首创的无纸无笔记录仪无笔记录仪自动化仪表技术的发展自动化仪表技术的发展过程控制工程过程控制工程课程组课程组计算机控制技术应用的发展计算机控制

12、技术应用的发展 年代年代 计算机应用技术计算机应用技术2020世纪世纪6060年代年代计算机控制时代开始计算机控制时代开始主要用于直接数字控制（主要用于直接数字控制（DDCDDC）2020世纪世纪7070年代年代微型计算机的产生微型计算机的产生微处理机技术用于工业控制微处理机技术用于工业控制集散型计算机控制系统产生（集散型计算机控制系统产生（DCSDCS）小型机开始在企业管理中应用小型机开始在企业管理中应用2020世纪世纪8080年代年代微机广泛在工厂管理信息系统中应用（微机广泛在工厂管理信息系统中应用（MISMIS）DCSDCS大量在工业控制中应用大量在工业控制中应用先进控制技术在工业上的应

13、用先进控制技术在工业上的应用2020世纪世纪9090年代年代工业生产过程自动化（工业生产过程自动化（PAPA），工厂自动化（），工厂自动化（FAFA）计算机集成制造技术（计算机集成制造技术（CIMSCIMS，CIPSCIPS）企业资源规划（企业资源规划（ERPERP）现场总线控制技术发展（现场总线控制技术发展（Field BusField Bus）过程控制工程过程控制工程课程组课程组DCS CONTROL SYSTEM过程控制工程过程控制工程课程组课程组 工业生产过程自动化工业生产过程自动化 为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行

14、，都离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时。要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的检测和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定地生产的检测和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定地生产与操作等，都离不开自动化技术。一个企业生产过程管理与控与操作等，都离不开自动化技术。一个企业生产过程管理与控制的递阶（分层）结构如下图所示。制的递阶（分层）结构如下图所示。过程控制工程过程控制工程课程组课程组企业生产过程管理与控制的递阶结构企业生产过程管理与控制的递阶结

15、构 决策决策调度调度 优化监控优化监控 先进控制先进控制 常规控制常规控制生产过程生产过程过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制与其它相关学科过程控制与其它相关学科控制工程控制工程控制原理控制原理与方法与方法最优化最优化方法与技术方法与技术化工原理化工原理与对象机理与对象机理测量与控制测量与控制仪表仪表计算机计算机与网络技术与网络技术系统仿真系统仿真技术技术过程控制工程过程控制工程课程组课程组 数学数学应用数学应用数学控制论控制论过程控制理论过程控制理论控制工程控制工程控制论与应用的关系控制论与应用的关系过程控制工程过程控制工程课程组课程组课程的知识模块课程的知识模块v 理论理论 1.1

16、.常规单回路控制系统常规单回路控制系统 2.2.提高响应曲线性能指标的控制系统提高响应曲线性能指标的控制系统 主要包括：串级、前馈、大纯滞后控制、解耦控制主要包括：串级、前馈、大纯滞后控制、解耦控制 3.3.按某些特定要求而开发的控制系统按某些特定要求而开发的控制系统 主要包括：比值、均匀、分程、选择控制主要包括：比值、均匀、分程、选择控制 4.4.流体输送设备控制流体输送设备控制 5.5.传热设备控制传热设备控制 6.6.精镏塔控制精镏塔控制 7.7.反应器控制反应器控制过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成v主要内容主要内容 1.1.控制系统的由来控制系统的由来

17、2.2.简单控制系统的组成简单控制系统的组成 3.3.控制系统的一些术语和目标控制系统的一些术语和目标通过这讲的学习，我们通过这讲的学习，我们可以得到以下收获：可以得到以下收获：过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成控制系统的由来控制系统的由来v人工控制系统人工控制系统（1 1）检测）检测 用用眼睛眼睛观察观察液位计液位计（测量元件）实际液位（测量元件）实际液位的指示值的指示值（2 2）运算（思考）运算（思考）大脑大脑根据眼睛观测到的实际液位根据眼睛观测到的实际液位值与给定值进行比较，得出偏差的大小和方向，值与给定值进行比较，得出偏差的大小和方向，然后根据操作经验，经

18、思考、决策后发出命令。然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。（3 3）执行）执行 根据大脑发出的命令，通过根据大脑发出的命令，通过手手去改变去改变阀门阀门开度，以改变出口流量开度，以改变出口流量QoQo，从而使液位保持在所，从而使液位保持在所需高度上。需高度上。局限性：控制速度和精度上都满足不了大型现局限性：控制速度和精度上都满足不了大型现代化生产的需要。代化生产的需要。眼看脑想手动oQiQ过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成控制系统的由来控制系统的由来v液位自动控制系统液位自动控制系统（1 1）检测）检测 用眼睛观察用眼睛观察 测量元件测量元件（2 2）运算（

19、思考）运算（思考）大脑大脑 液位控制器液位控制器（3 3）执行）执行 通过手去改变阀门通过手去改变阀门开度开度 控制阀控制阀LChhspQiQo眼眼脑脑手手控制在日常生活中无处不在！控制在日常生活中无处不在！过程控制工程过程控制工程课程组课程组 系统控制组成系统控制组成被控对象、测量变送器、被控对象、测量变送器、执行器、控制器执行器、控制器LCu(t)y(t)TC蒸汽凝液FV,HVF,cp,T2F,T1TC进料出料燃料油y(t)u(t)控制系统的组成控制系统的组成过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成v 被控对象（也称被控过程）被控对象（也称被控过程）是指被控制的生产

20、设备或装置。是指被控制的生产设备或装置。v 测量变送器测量变送器 用于测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号作用于测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号作为输出。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统为输出。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统一气压信号（一气压信号（0.020.020.1MPa0.1MPa）或直流电流信号（）或直流电流信号（0 010mA10mA或或4 420mA20mA）。）。v 控制器控制器(也称调节器也称调节器)将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号，并按一定的规律给出控制

21、信号。差信号，并按一定的规律给出控制信号。v 执行器执行器 接收控制器送来的命令信号，相应地去改变控制阀的开度。最接收控制器送来的命令信号，相应地去改变控制阀的开度。最常用的执行器是气动薄膜控制阀，在采用电动控制器的场合，控制器的常用的执行器是气动薄膜控制阀，在采用电动控制器的场合，控制器的输出还需要经电输出还需要经电气转换器将统一的电流信号转换成统一的气压信号。气转换器将统一的电流信号转换成统一的气压信号。过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成方块图方块图控制器Gc(s)执行器Gv(s控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被

22、控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD(s)+被控对象过程控制工程过程控制工程课程组课程组方块图说明方块图说明（1 1）每个方块代表控制系统的一个）每个方块代表控制系统的一个环节环节（2 2）方块图中连线为）方块图中连线为信号线信号线，不是，不是物料线物料线。（3 3）箭头代表信号作用方向）箭头代表信号作用方向（4 4）控制系统具有）控制系统具有单向性单向性，输入影响输出，输入影响输出（5 5）信号沿箭头方向前进又回到原起点）信号沿箭头方向前进又回到原起点闭环闭环v特点：自控系统具有被控变量负反馈的闭合回路特点：自控系统具有被控变量负反馈的闭合回路 过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制

23、的术语过程控制的术语v 被控变量：被控变量：过程内要求保持过程内要求保持设定值的物理量设定值的物理量 v 操纵变量：操纵变量：使被控变量保持使被控变量保持在设定值的物料量或能量在设定值的物料量或能量v 设定值：设定值：被控变量要求达被控变量要求达到的预定值到的预定值v 干扰变量：干扰变量：引起被控变量变引起被控变量变化的一切外界因素化的一切外界因素v 控制通道控制通道v 干扰通道干扰通道过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的术语过程控制的术语v问题：控制变量？操纵变量？被控变量？干扰？问题：控制变量？操纵变量？被控变量？干扰？TC蒸汽凝液FV,HVF,cp,T2F,T1过程控制工程过程

24、控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v过程控制的目标：过程控制的目标：通过调节操纵变量，以克服各种通过调节操纵变量，以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在设扰动的影响，使被控变量保持在设定值定值v应用过程控制系统的主要原因：应用过程控制系统的主要原因：（1 1）安全性：确保生产过程中人身与设备）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；响；（2 2）稳定性：确保产品质量与产量的长期）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；稳定，以抑制各种外部干扰；（3 3）经济性：实现效益最大化或成本最小）经济性：

25、实现效益最大化或成本最小化。化。过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v举例：闪蒸分离过程举例：闪蒸分离过程v 安全性安全性v 环保环保v 设备保护设备保护v 稳定性稳定性v 产品质量产品质量v 利润利润分离器中分离器中过高的压过高的压力非常危力非常危险险过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v 安全性安全性v 环保环保v 设备保护设备保护v 稳定性稳定性v 产品质量产品质量v 利润利润不能将碳氢不能将碳氢化合物释放化合物释放到空气中到空气中过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v 安全性安全性v 环保环保v 设备保

26、护设备保护v 稳定性稳定性v 产品质量产品质量v 利润利润没有流体将会没有流体将会损坏泵损坏泵过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v 安全性安全性v 环保环保v 设备保护设备保护v 稳定性稳定性v 产品质量产品质量v 利润利润使物料的流速使物料的流速保持平稳保持平稳过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v 安全性安全性v 环保环保v 设备保护设备保护v 稳定性稳定性v 产品质量产品质量v 利润利润通过调节解热通过调节解热量来保证关键量来保证关键组分的含量组分的含量过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v 安全性安全

27、性v 环保环保v 设备保护设备保护v 稳定性稳定性v 产品质量产品质量v 利润利润节约热能节约热能过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标控制系统的性能指标控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程v 稳态：稳态：v 动态：受控变量随时间变化的不平衡状态动态：受控变量随时间变化的不平衡状态v 过渡过程：过渡过程：过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标（续）控制系统的性能指标（续）过渡过程的基本类型过渡过程的基本类型 过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标（续）控制系统的性能指标（续）v性能良好的过程控制系统，在受到外来

28、扰动作用或给性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳、准确、迅速地回复（或趋定值发生变化后，应平稳、准确、迅速地回复（或趋近）到给定值上。近）到给定值上。v生产过程对控制系统的要求可概括为：生产过程对控制系统的要求可概括为：系统必须是稳定的；（系统必须是稳定的；（稳定性稳定性）最基本的要求最基本的要求 系统应能提供尽可能好的稳态调节；（系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确性准确性）系统应能提供尽可能快的过渡过程。（系统应能提供尽可能快的过渡过程。（快速性快速性）过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标（续）控制系统的性能指标（续）性能指标性能指标 定

29、义：定义：评价控制系统性能优劣的指标评价控制系统性能优劣的指标 出发点：对控制系统的基本要求出发点：对控制系统的基本要求 分类：分类：过程控制工程过程控制工程课程组课程组 以衰减震荡过程为例以衰减震荡过程为例：在单位阶跃输入情况：在单位阶跃输入情况下，对于定值系统典型下，对于定值系统典型过程曲线如下：过程曲线如下：过程控制工程过程控制工程课程组课程组100%BC超调量：超调量：衰减比：衰减比：BNB过程控制工程过程控制工程课程组课程组余差：余差：最大偏差：最大偏差：ABC()()eryr C ()e()e 过程控制工程过程控制工程课程组课程组5%Ts过程控制工程过程控制工程课程组课程组5%T过

30、程控制工程过程控制工程课程组课程组各指标之间关系各指标之间关系:v有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）v对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。v应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。满足主要的品质指标要求。过程控制工程过程控制工程课程组课程组偏差积分性能指标偏差积分性能指标 0(,)Jf e t dt过程控制工程过程控制工程课程组课程组偏差积分性能指标偏差积分性能指标（续）（续）v常用的误差性能评价指

31、标常用的误差性能评价指标 dtteJ020Jetd t dttetJ0dtteJ0)(不能保证控制系统具有不能保证控制系统具有合适的衰减比合适的衰减比侧重于抑制过程中的大侧重于抑制过程中的大偏差偏差具有较快的过渡过程和具有较快的过渡过程和不大的超调量不大的超调量对初始偏差不敏感，对对初始偏差不敏感，对后期偏差敏感后期偏差敏感过程控制工程过程控制工程课程组课程组典型被控过程典型被控过程v纯滞后过程纯滞后过程 1 1、纯滞后、纯滞后 输入变化后，输输入变化后，输出量并不立即改变，而经过一段时出量并不立即改变，而经过一段时间后才反映出来，这段时间称为纯间后才反映出来，这段时间称为纯滞后。滞后。ses

32、G)(过程控制工程过程控制工程课程组课程组n 单容过程单容过程 1 1、单容过程：只有一个容积，一个容量系数和一个时间常数、单容过程：只有一个容积，一个容量系数和一个时间常数 2 2、几个概念、几个概念 自衡特性自衡特性 ：对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下，过程自动恢复平衡状态的特性，过程自动恢复平衡状态的特性HQiQoAa)a)自衡过程反应曲线自衡过程反应曲线0QQdtdHAi1)()()(TsKsQsHsGiHkQ0QiQoH(t)1)(TsKesGs过程控制工程过程控制工程课程组课程组0QQd

33、tdHAi 无自衡特性无自衡特性 ：对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下，制器的干预下，TsKsQsHsGi)()()(QHiQoAQiQoH(t)0QQdtdHAiseTsKsG)(过程控制工程过程控制工程课程组课程组n 多容过程多容过程 有多个容积，多个容量系数和多个时间常数有多个容积，多个容量系数和多个时间常数H1QiQ1A1H2Q2A22122111,QQdtdHAQQdtdHAi222111,HkQHkQn 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程：流体运动方程：2211221111,HkHkdtdHA

34、HkQdtdHAi)1)(1()(21sTsTKesGs过程控制工程过程控制工程课程组课程组n 具有反向特性的过程具有反向特性的过程 定义：定义：某些过程其阶跃响应初始情况与响应最终情况相反某些过程其阶跃响应初始情况与响应最终情况相反 下降管上升管蒸汽过热器省煤器炉膛辐射热蒸汽汽包给水阀给水WHDP1)(111sTKsG（1 1）冷水增加，气泡减少，水位下降）冷水增加，气泡减少，水位下降（2 2）蒸汽量恒定，液位随进水量增加而增加）蒸汽量恒定，液位随进水量增加而增加sKsG22)(GHHH 1tty1(t)1t2y(t)y2(t)y过程控制工程过程控制工程课程组课程组（3 3）两种作用的结果，

35、总特性为）两种作用的结果，总特性为)1()(1)(12112112sTsKsKTKsTKSKsG方块图方块图当当K K2 2T T1 1 K K1 1时，响应初期，占主导地位，过程出现反向响应。时，响应初期，占主导地位，过程出现反向响应。当当K K2 2T T1 1 Kmax2,wc1wc2*结论结论:广义对象中存在纯滞后总是使广义对象中存在纯滞后总是使 Kmax wc 减小减小。控制通道特性对控制质量的影响控制通道特性对控制质量的影响过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程特性对控制品质的影响过程特性对控制品质的影响-总结总结v 控制通道控制通道:v 扰动通道扰动通道:v 注意注意过程控制工

36、程过程控制工程课程组课程组操纵变量的选择操纵变量的选择v选择对被控变量影响大的输入变量，即控制通道增益比较大；选择对被控变量影响大的输入变量，即控制通道增益比较大；v选择对被控变量作用效应快的输入变量，即控制通道的时间常选择对被控变量作用效应快的输入变量，即控制通道的时间常数比较小；数比较小；v选择输入变量中变化范围较大的，可使被控变量较易控制；选择输入变量中变化范围较大的，可使被控变量较易控制；v使使过程控制工程过程控制工程课程组课程组关于测量变送环节关于测量变送环节v 测量变送环节的任务是对被控变量或其他有关参数进行正确测量，并将测量变送环节的任务是对被控变量或其他有关参数进行正确测量，并

37、将其转换成统一的信号，如风压其转换成统一的信号，如风压0.02-0.1mpa0.02-0.1mpa，电信号，电信号4-20mA4-20mA等等。测量环等等。测量环节在控制系统中起着举足轻重的作用，它包含在闭环中。节在控制系统中起着举足轻重的作用，它包含在闭环中。典型的测量变送器结构典型的测量变送器结构过程控制工程过程控制工程课程组课程组关于测量变送环节关于测量变送环节v测量环节一般可描述成测量环节一般可描述成()=1msmmmKGseT SKm：表征仪表的放大系数。：表征仪表的放大系数。Tm：惯性时间，愈小愈好，：惯性时间，愈小愈好，Tm大，测量失真，相当于给滤波了。大，测量失真，相当于给滤波

38、了。：纯滞后时间，显然是小好。：纯滞后时间，显然是小好。m过程控制工程过程控制工程课程组课程组关于测量变送环节关于测量变送环节v 测量变送器的作用测量变送器的作用 把工艺生产过程的变量（流量、压力、温度、液位和成分等）及把工艺生产过程的变量（流量、压力、温度、液位和成分等）及检测、转换单元转换成标准的电或气信号。检测、转换单元转换成标准的电或气信号。变送器输出是被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置，变送器输出是被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置，用于显示和控制。用于显示和控制。v 测量变送器的基本要求测量变送器的基本要求 正确性：正确反映被控变量，误差小。正确性：正确反映被控变量，误

39、差小。快速性：及时反映被控变量的变化。快速性：及时反映被控变量的变化。可靠性可靠性：长期稳定运行。：长期稳定运行。过程控制工程过程控制工程课程组课程组v 测量误差测量误差 1.1.仪表本身的误差，精度等级与量程有关仪表本身的误差，精度等级与量程有关 3 3）KmKm增大，对调节质量影响不大，因为保证一定稳态，增大，对调节质量影响不大，因为保证一定稳态，KcKc必须减少必须减少 2.2.安装不当引入误差，如安装位置不正确，孔板安装安装不当引入误差，如安装位置不正确，孔板安装“反反”等等 3.3.测量的动态误差，指测量的动态误差，指 或或 引入的误差引入的误差,Tm 大，使测量失真，大，使测量失真

40、，大，现大，现在时间测的值是在时间测的值是 时间前的值。时间前的值。mTmmm关于测量变送环节关于测量变送环节过程控制工程过程控制工程课程组课程组v测量信号的处理测量信号的处理1.1.对周期性脉动干扰的处理对周期性脉动干扰的处理 对周期性脉动干扰信号，串入对周期性脉动干扰信号，串入RCRC低通滤波器，滤掉高频信号，如泵流量的周期低通滤波器，滤掉高频信号，如泵流量的周期振动产生的干扰。振动产生的干扰。3 3.线性化处理线性化处理 对非线性测量信号，指输入和输出，进行线性化处理，如差压与流量对非线性测量信号，指输入和输出，进行线性化处理，如差压与流量 4 4.对大容量滞后的测量仪表，加微分单元进行

41、补偿对大容量滞后的测量仪表，加微分单元进行补偿 11mdmKYST SXSTS mY SK X S例例 调节调节Td，使，使TdTm，则，则 关于测量变送环节关于测量变送环节2 2.测量噪声需进行滤波测量噪声需进行滤波过程控制工程过程控制工程课程组课程组关于测量变送环节关于测量变送环节v 测量变送器的选用原则测量变送器的选用原则 在环境工况条件下应能长期稳定运行在环境工况条件下应能长期稳定运行 仪表精度和量程的选择：仪表精度和量程的选择：选用仪表的精度要合适：应符合工艺检测要求。选用仪表的精度要合适：应符合工艺检测要求。仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差和动态误差仪表测量误差：仪表

42、本身误差、环境工况引入的误差和动态误差 量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益的变化量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益的变化 被测对象或介质的特性。如，气、液、固，腐蚀性等被测对象或介质的特性。如，气、液、固，腐蚀性等 检测采用的形式要求。如，侵入或非侵入检测采用的形式要求。如，侵入或非侵入 被测信号的性质及频率范围被测信号的性质及频率范围 仪表的构造材料，安装结构仪表的构造材料，安装结构 对环境、安全的保证对环境、安全的保证 成本等成本等过程控制工程过程控制工程课程组课程组关于控制阀关于控制阀v 控制阀的基本概念：控制阀的基本概念：执行机构，执行器，调节阀执行机构，执

43、行器，调节阀 控制阀代替手动操作，是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。控制阀代替手动操作，是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。其其作用是接受控制器作用是接受控制器的输出信号，直接控制被控介质的的输送量，达到控制温度、压力、流量、液位等工艺的输出信号，直接控制被控介质的的输送量，达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的，从而将被控变量维持在工艺指标要求的数值上。参数的目的，从而将被控变量维持在工艺指标要求的数值上。v 结构类型结构类型 执行机构：执行机构：把控制器的输出信号转换为位移信号。把控制器的输出信号转换为位移信号。调节机构：调节机构：把位移信号转换成流通截面积的变化。把位移信号

44、转换成流通截面积的变化。执行机构有气动、电动和液动之分。执行机构有气动、电动和液动之分。调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒、蝶阀等。调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒、蝶阀等。过程控制工程过程控制工程课程组课程组关于控制阀关于控制阀v 控制阀的口径选择控制阀的口径选择 调节阀口径大小通过计算调节阀流通能力的大调节阀口径大小通过计算调节阀流通能力的大小来决定。调节阀流通能力必须满足生产控制小来决定。调节阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。的要求并留有一定的余地。在正常工况下要求在正常工况下要求调节阀开度处于调节阀开度处于1515-85%85%之间。之间。v 值的定义值的定义 阀

45、前后压差为阀前后压差为0.10.1papa，介质密度为，介质密度为g/cmg/cm3 3 时时，每小时通过阀门的流体的重量流量，每小时通过阀门的流体的重量流量t/ht/h执行机构阀体.pc过程控制工程过程控制工程课程组课程组v 定义定义气开阀：没有输入信号时，阀全关，随着输入信号增大，阀气开阀：没有输入信号时，阀全关，随着输入信号增大，阀 开大。开大。“有气则开，无气则关有气则开，无气则关”气关阀：没有输入信号时，阀全开，随着输入信号增大，阀气关阀：没有输入信号时，阀全开，随着输入信号增大，阀 关小。关小。“有气则关，无气则开有气则关，无气则开”v确定原则确定原则（1 1）阀在没有输入信号时，

46、（通常指意外情况停电，停气）阀在没有输入信号时，（通常指意外情况停电，停气等），等），阀所在的位置（开度）对工艺（工厂）造成的损失是最阀所在的位置（开度）对工艺（工厂）造成的损失是最小的。小的。“安全角度安全角度”控制阀控制阀气开，气关方式的定义及确定气开，气关方式的定义及确定过程控制工程过程控制工程课程组课程组例：加热炉例：加热炉气开还是气关？气开还是气关？在断气源时，阀处在什么状态影响最小？在断气源时，阀处在什么状态影响最小？气开阀气开阀控制阀控制阀气开，气关方式的定义及确定气开，气关方式的定义及确定TC进料出料燃料油y(t)u(t)过程控制工程过程控制工程课程组课程组气开还是气关？气开还

47、是气关？出料进料冷却剂TC例：化学反应器例：化学反应器放热反应，不能及时带走热量放热反应，不能及时带走热量,发生爆炸。发生爆炸。气关阀气关阀控制阀控制阀气开，气关方式的定义及确定气开，气关方式的定义及确定过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制阀控制阀气开，气关方式的定义及确定气开，气关方式的定义及确定v 确定原则确定原则（2 2）从保证产品质量出发。）从保证产品质量出发。（3 3）从降低原料、成品、动力损耗）从降低原料、成品、动力损耗来考虑。来考虑。（4 4）从介质的特点考虑）从介质的特点考虑 。DLCTCFBLCFCFC气关阀气关阀气开阀气开阀气开阀气开阀气关阀气关阀过程控制工程过程控制工

48、程课程组课程组v控制阀的传递函数控制阀的传递函数 传函由两部分串联组成传函由两部分串联组成 GV1(s):输入风压与阀芯位移，一般输入风压与阀芯位移，一般 1111STKSGVVVGv1(s)Gv2(s)U(s)l(s)Q(s)GV2(s)：阀芯位移与流量，流量特性阀芯位移与流量，流量特性。GV2(s)的形式决定了流量特性的形式决定了流量特性。执行机构阀体.pc关于控制阀关于控制阀过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制阀（调节阀）的流量特性控制阀（调节阀）的流量特性 控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量相对流量与阀门的与阀门的相对开度相对开度（

49、相对位移）之间的关系，即：（相对位移）之间的关系，即：LlfQQmax ：相对流量；：相对流量；：相对开度。可调比：相对开度。可调比：maxQQLlminmaxQQR 流过控制阀的流量主要取决于执行机构的行程。也就是说，取决于流过控制阀的流量主要取决于执行机构的行程。也就是说，取决于阀芯与阀座之阀芯与阀座之间的节流面积间的节流面积。但是实际上，还要受多种因素的影响，比如在节流面积改变的同。但是实际上，还要受多种因素的影响，比如在节流面积改变的同时，还会引起阀前后时，还会引起阀前后压差变化压差变化，而压差的变化又会引起流量的变化。所以在分析，而压差的变化又会引起流量的变化。所以在分析控制阀流量特

50、性时，有控制阀流量特性时，有理想特性理想特性与与工作特性工作特性之分。之分。过程控制工程过程控制工程课程组课程组PV=常数常数，的关系。阀前后差压不变的情况下，有四种：的关系。阀前后差压不变的情况下，有四种：线性线性(线线1)1)等百分比等百分比(线线2)2)快开快开(线线3)3)抛物线抛物线(线线4)4)maxQQLl注意：注意：K KV2V2不一定是常数不一定是常数线性：线性：K KV2V2为常数，直线。为常数，直线。其它时，其它时，K KV2V2不是常数，即随阀门所工作的位置不同而不同。不是常数，即随阀门所工作的位置不同而不同。LlfKV 2控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性过程控