过程控制系统的简介

过程控制系统

过程控制的主要控制对象：

温度（Temperature），压力（Pressure），液位（Liquid level），

成分（Component）和物性（Physical property）等参数

控制系统首要的要求：

系统稳定性，所有参数必须保证系统能够运行正常且具有一定的稳定裕度，通常可取衰减比作为稳定指标，随动系统，常取衰减比为10:1；定值系统常取衰减比为4:1；

过程控制的任务:

在了解，掌握生产工艺和系统综合指标的要求基础上，根据安全性、稳定性、经济性的要求，应用控制理论、最优控制、系统论的理论知识对系统进行分析与设计，提出合理的控制方案，设计报警和联锁保护系统，选择最优的控制器参数及生产过程现场调试方案等！

过程控制系统的基本要求：

○1安全性:一个控制系统的必要条件，无安全性保证不谈控制系统

○2稳定性：如何有效抑制或减小系统外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的是设计控制系统的要求

○3经济性：随着市场竞争力以及资源匮乏的情况下，在满足安全性及稳定性的前提下，要求控制系统低成本，高效益

过程控制系统的组成：

○1被控对象（过程）:指需要控制的生产过程、设备或装置。如锅炉锅筒、水槽

○2被控变量（被控量）:被控对象中要控制的某个物理量或生产过程中的某个参数，如加热炉的温度、水槽的液位

○3检测和变送器:用于检测被控对象的被控量，并将检测信号转换为统一标准电信号输出

○4控制器（调节器）:将检测信号与设定值信号进行比较，产生偏差信号，按一定的控制规律对偏差信号进行运算，产生控制信号输出到执行器

○5执行器：将控制信号进行放大，转换为控制操纵变量的执行信号，以驱动控制阀。气动调节阀，电动调节阀

○6控制阀：接受执行器的输出信号变换为控制进给量。有气开阀和气关阀○7干扰：凡是影响被控量的各种作用信号称为干扰或者扰动，内干扰，外干扰

○8偏差：被控量的给定量与实际量之差，但能够直接得到的信号是被控量的测量值，通常把给定值与测量值之差成为偏差

○9辅助装置：报警装置，连锁保护装置

过程控制系统的特点：

1.被控对象的多样性:过程控制设计各个工业领域（如石油，化工，冶金，

机械，电力，建材等领域）

2.对象特性的难辨性：过程控制被控对象的内在机理较为复杂，具有严重

的非线性，具有多变量过程，要想完全从机理上揭示其内在规律，几乎不可能，所以，根据过程输入、输出数据确定过程模型的结构和参数的系统辨识方法建模，构成白箱模型，黑箱模型和灰箱模型。

3.对象滞后与耦合：被控量具有较大的惯性，被控对象往往具有纯滞后性。滞后对于调节过程产生不利的影响，它将降低调节系统的稳定性，增大调节参数的偏差，延长调节时间。被控量与控制量之间呈现出交互影响的关系，每个控制量的变化引起几个被控量的变化，形成控制量的被控量的耦合。

4.特性往往具有非线性:客观世界本来就是非线性的，工业生产过程中，大多数是非线性的，非线性是控制系统中普遍存在的系统特性。

5.控制方案的多样性：控制对象的多样性决定了控制方案的多样性，出现了单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择性控制、智能控制（专家控制、模糊控制、神经网络控制等）、数字和计算机控制系统等

6.定制系统主要是控制形式：大多数生产过程中被控量的设定值为一定值，控制的目的是使系统尽快减小或消除干扰的影响，使被控量保持或接近设定值，即系统为定值控制

7.系统多属于慢变化过程：过程控制的被控对象往往具有很大的储蓄容积，导致被控量变化十分缓慢。

8.容错性：对复杂（如非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等）控制系统来说，能进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。 过程系统的性能指标：

○

1稳定性：稳定性是控制系统的首要要求，并且考虑到实际过程系统工作环境、参数、原料等的变化，对系统除要求稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量。

○

2准确性：系统过渡过程结束后，控制系统被控量与设定值之间的偏差是衡量系统性能的重要指标，通常希望静态偏差尽可能小。

○

3快速性：控制系统受到干扰影响后，系统是否可迅速做出响应，根据偏差调节操纵变量是被控量与设定值之间的偏差尽快地减小，并且被控量在工艺要求范围内变化。 时域控制性能指标：

以二阶系统的单位阶跃响应输出为例

222

1(s)2n n n C s s s

ωζωω=?++ ;(t)h = 1

(C(s))L - ；(t)1n p t h e ζω-=+ :为系统的无阻尼自然振荡角频率

：阻尼比

1

n

T ω=

：系统的振荡周期

上升时间

r T =

峰值时间:2

1p d

n k T π

ωωζ

==

- ( 为第 个峰值，峰值时间 为第一个峰

值时间)

最大超调量:p δ=

2

-

1-(t )()100%=100%()

n p

t p h h e

e h ζωζ--∞=??∞ 过渡过程时间（调节时间）:211ln ln

1s n T ζωζ?? ?=+ ??-??

若取=5%? ，并忽略2

ln

1ζζ-（0<<0.9）

时，则得3

s n

T ζω≈

若取=2%? ，并忽略2

ln

1ζζ

-（0<<0.9）

时，则得4

s n

T ζω≈

Overshoot:超调量； ：稳态值； Peak time:峰值时间；

Rise time: 上升时间 Setting time:调节时间 y(t)：输出值 p M :峰值 1. 衰减比（稳定性）

定义为两个相邻的同相波峰值之比1

2

B n B =

,衰减比越大，系统越稳定 1n <系统的响应为衰减振荡1n =系统的响应为等幅振荡 1n >系统的响应为发散振荡

一般随动系统，常取衰减比为10:1；定值系统常取衰减比为4:1；

2. 衰减率（快速性）

1221

1111B B B B B n

ψ-==-=-（一般当0.75~0.9ψ= 时，410n = ）

衰减率也用于快速控制系统稳定性的衡量。衰减率是指每经过一个周期，输出响应曲线波动幅值衰减的百分数。

3. 余差（静态偏差）C （准确性）

余差是指输出系统的过渡过程稳态值与设定值之差。余差是控制系统稳态准确性指标，对于定值或者随动系统，一般要求余差为零或小于工艺设计范围

4最大动态偏差（最大超调量Overshoot ）(动态稳定性)

最大动态偏差是指系统输出量的最大值与输出的稳定值之差其与输出稳态值的相对百分数构成系统的最大超调量%σ

(t )y()%100%

y()

p y σ-∞=

?∞

5.调节时间（过渡过程时间）（快速性）

调节时间反映了控制系统的快速性，调节时间 越短，表明系统动态响应越快，系统克服扰动信号的能力越强

综合性能指标：

控制系统除上述单项控制性能指标外，也采用综合控制性能指标来衡量控制系统的优劣，常采用偏差积分性能指标 偏差积分（IE ） 0

(t)min

J e dt ∞

=→?

偏差绝对积分（IAE ）

|e(t)|min

J dt ∞

=→?

该综合性能指适用于衰减和无静差系统 偏差绝对值与时间乘积的积分(ITEA)

|e(t)|min J t dt ∞

=→?

该综合性能指标既包含了控制系统初始大误差对性能指标影响，有同时强调了过渡过程后期的误差对系统性能指标的影响 偏差二次方差积分(ISE)

20

(t)dt min

J e ∞

=→?

该积分性能指标重点考虑抑制过渡过程中的大偏差

名词解释

无静差调节（无差）：

反馈系统通过测量系统的输出

值、反馈到系统的输入端与设定值

比较，产生偏差信号，进行系统控

制，系统输入端与输出端之间不仅

存在输入到输出的前向通道，还存

在输出到输入的反馈通道，构成闭

环控制系统。

反馈控制系统是利用偏差纠正偏差，即偏差值是控制的依据，控制的目的是达到减小或消除误差，控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力。由于反馈系统的控制作用只有在偏差出现后再产生,因此对具有大惯性和纯滞后时间常数较大的时变系统。

前馈控制系统：

前馈控制是一种利用输入或者

扰动信号的直接控制作用构成的开

环控制系统，如果被控过程有严重

的可测、可控的扰动信号，前馈控

制可以利用干扰信号直接产生控制

输出，以减少干扰对控制系统的影

响，它应用的是补偿原理，前馈控

制能有效改善控制系统的性能

前馈控制是一种开环控制方法，开环控制的优点是不存在闭环系统的稳定性问题，但它要求模型精确，且不能消除余差

复合控制系统（前馈-反馈控制系统）：

按输入或扰动直接

构成的开环控制通道与

包含偏差的闭环系统共

同组成反馈-前馈控制系

统，成为符合控制系统

对于时滞较大的控制

对象，其反馈作用不能

及时影响系统的输出，

以致引起较大的波动，

直接影响控制品质。如

果扰动量是可观可控

的，则利用外来扰动信号直接控制输出，构成复合控制，这样既发挥了前馈控制校正及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动对被控量的影响