过程控制系统 第1章
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第一章过程控制系统概述
10:12:42
11
第1章 过程控制系统概述
图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。 恒温室
3 TC
回 风
1
送风
过程控制系统的定义：
4
M
为实现对某个工艺参数的自 动控制，由相互联系、制约 的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的 一个整体。
过程控制系统的主要任务 热水 是：对生产过程中的重要参数 回水 （温度、压力、流量、物位、 图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 成分、湿度等）进行控制，使 2—传感变送器；4—执行器 其保持恒定或按一定规律变化。
2．控制方案丰富
生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。系统硬件和控 制算法、软件设计。
3．控制对象大多属于慢过程
连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。
4．大多数工艺要求定值控制
被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，使被控量尽量保持接 近或等于设定值。
5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置
兰州理工大学电信学院
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第1章 过程控制系统概述
1.开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控 制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖 将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2.闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的 输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环 控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负 反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系 统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。error)描述，它表示系统输出稳态 值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描 述。 闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系 统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种 正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。 3 .阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统 的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出 之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定 性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应 上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差 来(Steady-state)
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第1章 过程控制系统概述
图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。 恒温室
3 TC
回 风
1
送风
过程控制系统的定义：
4
M
为实现对某个工艺参数的自 动控制，由相互联系、制约 的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的 一个整体。
过程控制系统的主要任务 热水 是：对生产过程中的重要参数 回水 （温度、压力、流量、物位、 图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 成分、湿度等）进行控制，使 2—传感变送器；4—执行器 其保持恒定或按一定规律变化。
2．控制方案丰富
生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。系统硬件和控 制算法、软件设计。
3．控制对象大多属于慢过程
连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。
4．大多数工艺要求定值控制
被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，使被控量尽量保持接 近或等于设定值。
5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置
兰州理工大学电信学院
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第1章 过程控制系统概述
1.开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控 制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖 将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2.闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的 输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环 控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负 反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系 统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。error)描述，它表示系统输出稳态 值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描 述。 闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系 统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种 正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。 3 .阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统 的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出 之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定 性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应 上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差 来(Steady-state)
过程控制系统 第1章
1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续）
1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的 优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相 结合，逐步发展形成了大系统理论 （Mohammad，1983）。
核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与
控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的 典范。 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与 框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系 统仍然束手无策。
③操纵变量：受控制器操 纵的用以克服干扰的影 响，使被控变量保持设 定值的物料量或能量 （流过控制阀介质的流 量）。 ④扰动：除操纵变量外， 作用于被控过程并引起 被控变量变化的因素 （使被控变量偏离
图7-4 锅炉汽包水位控制
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
⑤设定值：工艺参数 所要求保持的数值 ⑥偏差：被控变量设 定值与实际值之差
蒸汽 汽 包
给水
操作人员所进行的工作有三方面:
①检测
用眼睛观察玻璃管液位计液位的高 低,并通过神经系统告诉大脑. 大脑根据眼睛看到的液位高度 , 加以思考分析 , 然后根据操作经 验,经思考决策后发出命令。 根据大脑发出的命令 , 通过双手去 改变阀门开度.
②运算、命令 ③执行
2 自动控制
自动化装置的三个部分分别是 ： ①测量元件与变送器
控制变压器活动触点的位 置即改变了输入电压，则 通过电阻丝的电流将产生 变化，使恒温箱得到不同 的温度。 被控变量是恒温箱的温度， 经热电偶测量并与设定值 比较后，其偏差经过放大 器放大，控制电动机的转 向，然后经过传动装置， 移动变压器的活动触点位 置。结果使偏差减少，直 到温度达到给定值为止。
随动控制系统
1.2.4 控制系统的分类
第1章过程控制系统概述习题与思考题
第1章 过程控制系统概述习题与思考题1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？1.2 过程控制的目的有那些？1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方法？1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。
A 、B 两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。
试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰动有哪些？1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格控制。
图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：1）画出该控制系统方框图。
2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。
3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
V-1图1.12 锅炉汽包水位控制示意图1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些指标？1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？1.8 某反应器工艺规定操作温度为800 10℃。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。
1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。
2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。
T/℃图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线1.9 简述过程控制技术的发展。
1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程 控制系统时应注意哪些问题？第3章 过程执行器习题与思考题3.1 试简述气动和电动执行机构的特点。
3.2 调节阀的结构形式有哪些？3.3 阀门定位器有何作用？3.4 调节阀的理想流量特性有哪些？实际工作时特性有何变化？3.5 已知阀的最大流量min v q =50m 3，可调范围R=30。
过程控制
第一章 过程控制系统 绪 论 基本概念
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 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Ⅰ 型和电动Ⅰ型）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 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Ⅰ 型和电动Ⅰ型）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S
过程控制-第一章
第一章 过程控制系统
1 了解过程控制技术的开环、闭环概念。 2 了解过控系统的组成、分类和品质指标。 3 能简单使用MATLAB软件。 4 了解本课程定位及学习方法。
1
过程控制与自动化仪表
1.1 引言
所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象 中的某一物理量或多个物理量自动地按照期望的 规律去运行或变化。
稳定性 静态指标 动态指标
平稳：“稳”即系统必须是稳定的，这也是最重要、最基本的需 求。 准确：“准”是指控制系统的准确性、控制的精确程度，通常用 稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差。 迅速：“快”是指控制系统响应的快速性。
11
过程控制与自动化仪表
1.3 过程控制系统的组成
系统的各种作用量
1）被控变量——是表征生产设备或过程运行状况，需 要加以控制的变量，也是过程控制系统的输出量。
2）设定值——又称给定值，是工艺要求被控变量需要 达到的目标值，也是过程控制系统的输入量。
3）测量值——是检测元件与变送器的输出信号值，也 称反馈量。
4）扰动量——又称干扰或“噪声”，通常是指引起被 控变量发生变化的各种因素。
5）操纵变量——受执行器操纵，具体实现控制作用的 变量称为操纵变量。
6）偏差——通常把设定值与测量值之差称作偏差。
12
Hale Waihona Puke 过程控制与自动化仪表1.4 过程控制系统的分类和品质指标
1.4.1 过程控制系统的分类
1．定值控制系统
在生产过程中，如果要求控制系统使被控变量保持在一个生产 指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，这类控制系 统称为定值控制系统。
1 了解过程控制技术的开环、闭环概念。 2 了解过控系统的组成、分类和品质指标。 3 能简单使用MATLAB软件。 4 了解本课程定位及学习方法。
1
过程控制与自动化仪表
1.1 引言
所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象 中的某一物理量或多个物理量自动地按照期望的 规律去运行或变化。
稳定性 静态指标 动态指标
平稳：“稳”即系统必须是稳定的，这也是最重要、最基本的需 求。 准确：“准”是指控制系统的准确性、控制的精确程度，通常用 稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差。 迅速：“快”是指控制系统响应的快速性。
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过程控制与自动化仪表
1.3 过程控制系统的组成
系统的各种作用量
1）被控变量——是表征生产设备或过程运行状况，需 要加以控制的变量，也是过程控制系统的输出量。
2）设定值——又称给定值，是工艺要求被控变量需要 达到的目标值，也是过程控制系统的输入量。
3）测量值——是检测元件与变送器的输出信号值，也 称反馈量。
4）扰动量——又称干扰或“噪声”，通常是指引起被 控变量发生变化的各种因素。
5）操纵变量——受执行器操纵，具体实现控制作用的 变量称为操纵变量。
6）偏差——通常把设定值与测量值之差称作偏差。
12
Hale Waihona Puke 过程控制与自动化仪表1.4 过程控制系统的分类和品质指标
1.4.1 过程控制系统的分类
1．定值控制系统
在生产过程中，如果要求控制系统使被控变量保持在一个生产 指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，这类控制系 统称为定值控制系统。
过程控制技术-第一章 过程控制系统的基本概念
1 过程控制系统的基本概念
1.1过程控制系统的组成及其分类 1.1过程控制系统的组成及其分类
过程控制系统的组成及其分类 自动控制是在人工控制的基础上发展起来 的。下面先通过一个示例， 将人工控制与过程 控制进行对比分析，看过程控制系统是由哪些 部分组成的。
1 过程控制系统的基本概念
通过上述示由被控对象、 测量变送器、控制器、 控制阀四个基本环节 所组成。
2.基本要求 2.基本要求 （1）弄清楚组成过程控制系统的结构，掌握描述控 制系统的原理图和方块图及其专用术语。 （2）掌握闭环控制系统实现自动控制的基本原理， 尤其是负反馈在过程控制中的作用。学会用负反 馈原理构成简单的闭环控制系统。 馈原理构成简单的闭环控制系统。 （3）了解开环控制与闭环控制的差别及各自的特点。 （4）弄清楚定值控制系统与随动控制系统的区别， 连续系统与离散系统的区别。 连续系统与离散系统的区别。 （5）理解控制系统过渡过程（或时间响应）的概念。
1 过程控制系统的基本概念
当锅炉汽包水位控制系统处于平衡状态即 静态时，扰动作用为零，设定值不变，系统中 控制器的输出和控制阀的输出都暂不改变，这 时被控变量汽包水位也就不变。一旦设定值有 了改变或扰动作用于系统，系统平衡被破坏， 被控变量开始偏离设定值，此时控制器、控制 阀将相应动作，改变操纵变量给水量的大小， 使被控变量汽包水位回到设定值，恢复平衡状 态。
1 过程控制系统的基本概念
在生产过程中，不仅要了解系统的静态， 更需要了解系统的动态。当过程控制系统在动 态阶段中，被控变量是不断变化的，这一随时 间变化的过程称为过程控制系统的过渡过程或 时间响应。即一个过程控制系统在外作用下从 原有稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程， 称为过程控制系统的过渡过程。
过程控制第一章
操纵 变量
给定 值
1.2.2 过程控制系统的分类：
1.按系统的开环和闭环分类 （1）开环控制系统
系统的被控量对系统的控制作用没影响，结构简单，没有 闭合回路，控制精度取决于系统各组成环节的精度。 有干扰时无法自动补偿，精度不能保证。只适用于输入和 输出关系已知，且不存在干扰或干扰很弱的场合。
态值上下振荡的次数；
上升时间tr：该时间是指系统的输出量第一次到达输出稳态 值所对应的时刻。对于无振荡的系统，常把输出量从输出稳 态值的10%到输出稳态值的 90%所对应的时间叫为上升时间；
延迟时间：响应曲线首次达到静态值的一半所需的时间， 记为td;
衰减比N：第一个波峰与第二个波峰之比，是反应过程稳定 性的一个指标。N>1为衰减振荡，N=1为等幅振荡，N<1为 发散振荡。 振荡周期T：从第一个波峰到第二个波峰的时间。 T的倒数为振荡频率，T越短。快速性越好。
被控对象中要求保持 设定值的工艺参数
除操纵变量外，作用于被 控对象并引起被控变量变 化的因素 给定值与实际值 蒸汽复合负荷的变化 之差 冷却水温度的变化
扰动 量
偏 差
被控 对象 锅炉汽包
被控变量 锅炉给水量 汽包的期望水位 的预定值 受控制器操纵，用以克服扰 动的影响使被控量保持设定 值的物料量或能量
过程控制
第一章 绪论
课程考核
平时成绩（占40% ）：出勤+课堂提 问+作业；
大作业（占60% ）。
先修课程：自动控制原理
第一章 绪论
人工控制与自动控制：
1.1 概述--过程控制及发展历史
一、什么是过程控制？
过程（工业生产过程）：在生产装置或设备中 进行的物质和能量的相互作用和转换过程。 工业生产过程可分为： 连续生产过程和离散生产过程。 连续生产过程、离散生产过程和间歇生产过程 （批量生产过程）。
过程控制系统第一章
锅筒
FT
开环控制的优点：
控制及时，对较频繁的主要扰
动起到补偿效果。 缺点：仅在蒸汽扰动信号对液 位有影响时，才进行补偿，对 其他影响液位的扰动无控制作 用，不能保证液位无误差。
35
FFC
省煤器
给水
开环的液位控制系统
1.2 过程控制系统简介—控制系统的组成
比较机构：比较设定值 根据偏差的正负、大小 接收控制器的输出，相 与测量值并输出其差值 及变化情况，按预定规 应地改变操纵变量 扰动 f(t) 律给出控制作用 控制器
息称为输出信号。上一环节的输出信号就是下一环节的输入信号。
6
控制理论的发展过程
复杂的工业过程难于推广现 代控制理论
大系统理论 主要方法：现代控制理论与系统理论相结合
无法广泛应用于工业过程控 制
智能控制 主要方法：人工智能（专家系统；模糊控制；人工神经网 络控制）与自动控制的结合
7
1.1 控制理论与过程控制系统的发展状况
过程控制发展概况
• 20世纪40年代前后，处于手动状态，从50年代前后开 始，划分为如下几个阶段： • 50年代前后——第一阶段，实现了仪表和局部自动化， 主要特点： (1) 仪表为气动式，普遍采用基地式仪表和部分单元组 合仪表； （2）单输入单输出系统； （3）被控参数主要是温度、压力、流量、液位； （4）控制的目的是保证参数稳定，消除或减小扰动； （5）控制理论：频率法和根轨迹法。
18
智能交通物联网
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1.2 过程控制系统简介
请描述一下驾驶员如何驾驶汽车？
20
1.2 过程控制系统简介
• 请描述一下家庭热水器如何工作？
温度调节装置
控制器
加热棒
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1.2.3控制系统的组成及方框图 控制系统的组成及方框图 (续)
几个很重要的概念:
信息的概念 闭环的概念 动态的概念
1.2.4 控制系统的分类
按设定值的不同情况,将自动控制系统分为三 类,即定值控制系统 随动控制系统 程序控 定值控制系统,随动控制系统 定值控制系统 随动控制系统和程序控 制系统. 制系统
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
1970年左右起,为了解决大规模复杂系统的优 化与控制问题,现代控制理论和系统理论相结 合,逐步发展形成了大系统理论 (Mohammad,1983).
核心思想是系统的分解与协调,多级递阶优化与控 制(Mesarovie,1970)正是应用大系统理论的典 范. 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框 架,除了高维线性系统之外,它对其它复杂系统仍 然束手无策.
1.2.2闭环控制与开环控制 闭环控制与开环控制
在反馈控制系统中,被控变量送回输入端,与设定值 进行比较,根据偏差进行控制,控制被控变量,这样, 整个系统构成了一个闭环,因此称为闭环控制. 闭环控制的特点是按偏差进行控制.不论什么原因引 起被控变量偏离设定值,只要出现偏差,就会产生控 制作用,使偏差减小或消除,达到被控变量与设定值 一致的目的,这是闭环控制的优点. 闭环控制不够及时.此外,如果系统内部各环节配合 不当,系统会引起剧烈震荡,甚至会使系统失去控制, 这些是闭环控制系统的缺点.
还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量.
某些混合气体的组成,溶液的酸碱度等.
1.2.1 概述(续) 概述(
锅炉汽包示意图,其液位是一个重要的工艺参 数.液位过低,影响产汽量,且易烧干而发生 事故;液位过高,影响蒸汽质量,因此对汽包 液位因严加控制.
蒸汽 汽 包
给水
1.2.1 概述(续) 概述(
把工艺所要求的汽包液位高度称为设定值; 把所要求控制的液位参数称为被控变量或输出 变量; 影响被控变量使之偏离设定值的因素称为扰动 作用,如给水量,蒸汽量的变化等,设定值和 扰动作用都是系统的输入变量; 用以使被控变量保持在设定值范围内的作用称 为控制作用.
定值控制系统
设定值保持不变(为一恒定值)的反馈控制系 统称为定值控制系统. 在工业生产中的应用:例如各种温度,压力, 流量,液位等控制系统;恒温箱的温度控制; 稳压电源的电压稳定控制等.
电阻丝加热恒温箱温度控制系统
控制变压器活动触点的位 置即改变了输入电压,则 通过电阻丝的电流将产生 变化,使恒温箱得到不同 的温度. 被控变量是恒温箱的温度, 经热电偶测量并与设定值 比较后,其偏差经过放大 器放大,控制电动机的转 向,然后经过传动装置, 移动变压器的活动触点位 置.结果使偏差减少,直 到温度达到给定值为止.
初期自动化装置是机械式的,而且是自力型的. 随着电动,液动和气动这些动力源的应用,电 动,液动和气动的控制装置开创了新的控制手 段.
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
第二次世界大战前后形成经典控制理论.
Nyquist(1932)频率域分析技术和稳定判据的产生. Bode(1945)开发了易于实际应用的Bode图. Evans (1948)提出了一种易于工程应用的求解闭环特征方 程根的简单图解方法—根轨迹方法. 至此自动控制技术开始形成一套完整的,以传递函数为基础, 在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计的理论---经典控制理论 经典控制理论. 经典控制理论 经典控制理论最辉煌的成果之一----PID控制规律. PID控制原理简单,易于实现,对无时间延迟的单回路控制 对无时间延迟的单回路控制 系统极为有效,直到目前为止,在工业过程控制中有 系统极为有效 80%~90%的系统还使用PID控制规律. 经典控制理论最主要的特点是:线性定常对象,单输入单输 线性定常对象, 线性定常对象 完成镇定任务. 出,完成镇定任务
实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统(CIPS). 以现场总线为标准,实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全 数字化,双向和多站通讯的现场总线网络控制系统(FCS).
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
当前过程控制系统发展的一些主要特点是:
如采用检测仪表和自动控制装置来代替手工控 制,就成为自动控制系统.
蒸汽
汽 包 LT
LC
1.2.1 概述(续) 概述(
反馈----输出变量通过适当的检测仪表,又送回输入 反馈 端,并与输入变量相比较.二者相加称为正反馈,二 者相减称为负反馈. 偏差----输出变量与输入变量相比较所得的结果.控 偏差 制装置根据偏差方向,大小或变化情况进行控制,使 偏差减小或消除.发现偏差,然后去除偏差,这就是 反馈控制的原理.利用这一原理组成的系统称为反馈 控制系统,通常也称为自动控制系统. 有反馈存在,按偏差进行控制,是自动控制系统最主 要的特点.
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
1960年代形成现代控制理论.
现代控制理论以状态空间方法为基础: 极小值原理(Pontryagin,1962) 动态规划方法(Belman,1963) 采用Kalman滤波器的随机干扰下的线性二次型系统(LOG) (Kalman,1960) 主要研究的是多输入多输出系统,其中特别重要的是对描述 控制系统本质的基本理论的建立,如可控性,可观性,实现 理论,典范型,分解理论等. 为了扩大现代控制理论的适用范围,相继产生和发展了系统 辩识与估计,随机控制,自适应控制以及鲁棒控制等各种理 论分支. 现代控制理论虽然在航天,航空,制导等领域取得了辉煌的 成果,但对于复杂的工业过程却显得无能为力.
《过程控制系统》 过程控制系统》
华东理工大学 孙自强 2008年2月
第1章 绪论 章
1.1控制理论与过程控制系统的发展状况 控制理论与过程控制系统的发展状况 20世纪 年代开始形成的控制理论被称为 世纪40年代开始形成的控制理论被称为 世纪 世纪上半叶三大伟绩之一" "20世纪上半叶三大伟绩之一",在人类社会 世纪上半叶三大伟绩之一 的各个方面有着深远的影响. 的各个方面有着深远的影响.
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
1980年代发展起来智能控制,对于含有大量不 确定性和难于建模的复杂系统,基于知识的专 家系统,模糊控制,人工神经网络控制,学习 控制和基于信息论的智能控制等应运而生,它 们在许多领域都得到了广泛的应用.成为自动 控制的前沿学科之一.
1.2.3控制系统的组成及方框图 控制系统的组成及方框图
偏差,e(t) = r(t) – y (t) 操纵变量
设定值 被控变量
测量值 控制作用
1.2.3控制系统的组成及方框图 控制系统的组成及方框图 (续)
检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t). 比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值. 控制装置的作用是根据偏差的正负,大小及变化情况,按某种预 定的控制规律给出控制作用u(t). 比较机构和控制装置通常组合在一起,称为控制器. 执行器的作用是接受控制器送来的u(t),相应地去改变操纵变量 q(t).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,控制器的输出u(t)还需经电-气转换器将统一的电流信号转换成 统一的气压信号. 系统中控制器以外的各部分组合在一起,即过程,执行器,检测 元件与变送器的组合称为广义对象.
1.2.2闭环控制与开环控制(续) 闭环控制与开环控制( 闭环控制与开环控制
开环控制方式比较简单,不需要对被控变量进 行测量,只根据输入信号进行控制. 由于不测量被控变量,也不与设定值相比较, 所以系统受到扰动作用后,被控变量偏离设定 值,并无法消除偏差,这是开环控制的缺点.
控制脉冲
分配器 步进电 机 工作台 精 密 传动机 构 工作台 位移
工业上的应用, 工业上的应用,一般以瓦特的蒸汽机调速器作 为正式起点. 为正式起点.
公元1788年 J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来, 年 瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来 瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来, 公元 构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
从控制系统结构来看,已经经历了四个阶段. 基地式控制: 基地式控制:自力式温度控制器,就地式液位控制器等.功能往往限于单 回路控制. 单元组合仪表组成的控制系统: 单元组合仪表组成的控制系统:有电动和气动两大类.PID控制,常用的 复杂控制系统(例串级,均匀,比值,前馈,分程和选择性控制等). 计算机控制系统: 计算机控制系统:直接数字控制(DDC),集散控制系统(DCS). DCS在硬件上将控制回路分散化,数据显示,实时监督等功能集中化. DCS仍以简单PID控制为主,再加上一些复杂控制算法. 二级优化控制: 二级优化控制:在DCS的基础上实现先进控制和优化控制.在硬件上采用 上位机和DCS或电动单元组合仪表相结合,构成二级计算机优化控制.
生产装置实施先进控制成为发展主流 过程优化得到迅速发展 故障检测与诊断受到各方面遍关注 传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 综合自动化系统(CIPS)是发展方向
1.2 过程控制系统
1.2.1 概述 生产过程中,对各个工艺过程的物理量(或称工艺变量),有着 一定的控制要求.
有些工艺变量直接表征生产过程,对产品的数量和质量起着决定性的 作用.
1.1控制理论与过程控制系统的发 控制理论与过程控制系统的发 展状况( 展状况(续)
我国古代指南车
指南车是一种马拉的双轮独辕车, 指南车是一种马拉的双轮独辕车, 是一种马拉的双轮独辕车 车箱上立一个伸臂的木人. 车箱上立一个伸臂的木人.车箱内装有 能自动离合的齿轮系. 能自动离合的齿轮系.当车子转弯偏离 正南方向时车辕前端就顺此方向移动, 正南方向时车辕前端就顺此方向移动, 而后端则向反方向移动, 而后端则向反方向移动,并将传动齿轮 放落, 放落,使车轮的传动带动木人下的大齿 轮向相反方向转动,恰好抵消车子转弯 轮向ห้องสมุดไป่ตู้反方向转动,恰好抵消车子转弯 抵消 产生的影响. 产生的影响.