工业电气自动化过程控制

《工业电气自动化——过程控制》1工业电气自动化——过程控制电信学院2002级电气自动化专业教师:王玉联系方式：[e-mail]《工业电气自动化——过程控制》2课程安排•简单控制系统•复杂控制系统•过程控制仪表•典型控制系统实例过程控制单元模拟式数字式例：化工生产——选料、配料、输送进入反应装置、反应、输出产品《工业电气自动化——过程控制》3第一章绪论过程控制的概念采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。《工业电气自动化——过程控制》4被控参数种类•温度•压力•流量•液位(容器中液体的高度或者液面的位置)•成分（产品组成成份等）•物性（粘度，密度等）《工业电气自动化——过程控制》520世纪40年代以前——工业生产大多处于手工操作1、局部自动化(20世纪50～60年代)•单回路控制系统•气动基地式仪表、气动组合仪表•根轨迹法和频率法•1942年PID（ProportionIntegralDifferential）1.1过程控制的发展《工业电气自动化——过程控制》62、集中控制阶段(20世纪60～70年代)•电子仪表•计算机使用•复杂的控制（串级控制、前馈控制…）•现代控制理论（计算机仿真技术）3、集散控制阶段(20世纪70～至今)•DCS(DistributedControlSystem)集散型控制系统•网络数字化仪表•先进控制算法和优化控制算法《工业电气自动化——过程控制》7现代过程控制《工业电气自动化——过程控制》81.2工业生产中的过程控制系统工业生产按加工原料分类•气体、液体、粉体（石油、化工、制药、轻工、食品、建材）•已成型的材料《工业电气自动化——过程控制》91.2工业生产中的过程控制系统1.2.1液位控制图1-1人工液位控制abOQiQ0图1-2机械式液位控制abOQiQ0《工业电气自动化——过程控制》10图1-3实际生产中的液位控制系统LCQiQ0LTLT——液位测量及信号变换装置————浮球LC——液位调节器————杠杆阀门——可接受电信号《工业电气自动化——过程控制》111.2.2温度控制TCTT热流体冷流体图1-4换热器温度控制系统TT——温度测量装置TC——温度调节器管道《工业电气自动化——过程控制》121.3反馈原理•反馈——把输出信号回送到系统的输入端，并送加到输入信号中•几乎所有的自动控制系统都是负反馈控制系统•正反馈——电子振荡器、炸弹反馈装置对象输入信号输出信号图1-5反馈原理《工业电气自动化——过程控制》131.4过程控制系统的特点和分类1.4.1过程控制的特点•被控过程多样性•系统有众多过程检测仪表、控制仪表•控制方案丰富•多为慢过程参量控制•过程控制主要控制形式为定值控制测量变送调节器调节阀对象x(t）y(t)f(t)q(t)u(t)z(t)e(t)+_图1-6过程控制系统的框图《工业电气自动化——过程控制》141.4.2过程控制的分类按工艺分类（不同被控参数）温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统……按系统调节器的控制规律分类比例控制、前馈控制……按给定值分类按系统克服干扰方式分类《工业电气自动化——过程控制》15一、给定值特点分类•定值控制系统——给定值不变或者变化很小的控制系统例：空调控制系统tT/0C260CO设定温度260C图1-7空调室温调节控制系统温度曲线•随动控制系统——给定值变化的控制系统例1：火箭飞行控制例2：空调设定室内温度比室外温度低5℃。《工业电气自动化——过程控制》16•程序控制系统程序控制系统——给定值是随着事先设定好的程序变化例：电饭锅tT/0CO100图1-8电饭锅温度控制曲线电饭锅准备启动加热100℃恒温阶段保温自动降温（由程序控制完成的）《工业电气自动化——过程控制》17二、按系统克服干扰的方法分类反馈控制——测量被控变量，进行给定值比较前馈控制——测量干扰变量，也不进行给定值比较前馈控制－反馈控制《工业电气自动化——过程控制》181.5基本概念及术语•对象——被控制的物理装置•被控变量——对象的某个变量•调节变量——对被控装置的被控变量具有较强的直接影响且便于调节的变量。•干扰——除了调节变量外，对被控变量具有影响作用的所有变量。•给定值（设定值、期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。•偏差——设定值或给定值与测量值之差。图1-9控制系统方块图LCQiQ0LT测量变送调节器阀门（执行器）水槽（对象）设定液位值测量液位值真实液位值（给定值）（被控变量）干扰调节变量调节器输出偏差测量值_《工业电气自动化——过程控制》19还有几个基本概念：•系统——按某种划分得到的若干元素的集合。•反馈——将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结构和工作方式。•负反馈——使系统输出信号趋于稳定或者说使系统的被控变量与给定值之差减少的反馈。•负反馈控制系统——具有负反馈作用的控制系统。•正反馈——使系统输出变量单调变化趋于极限或者说使系统的被控变量与给定值之差不断增大的反馈。•开环控制——没有反馈的简单控制。例：照明中的调光控制；电风扇的多级速度调节；•闭环控制——具有负反馈的控制。《工业电气自动化——过程控制》201.6过程控制系统的性能指标以被控参数有关的阶跃干扰作为控制系统的输入，得到被控参数的不同过渡过程曲线。——建立统一的衡量指标。•过渡过程的性能指标单位阶跃输入作用ty(t)y1y3tptsy(∞)a）y（tp）图1-10a过渡过程性能指标示意图（定值）阶跃干扰《工业电气自动化——过程控制》21η值过渡过程性质1发散=1等幅1衰减表1-1衰减比代表的过渡过程性质ty(t)ty(t)ty(t)1.衰减比和衰减率（衡量振荡的衰减程度）131yyy31yy衰减比衰减率《工业电气自动化——过程控制》222、最大偏差和超调量（系统动态准确性的指标）•定值系统最大偏差：第一个波峰和新稳定值y(∞)的差•随动系统超调量：%100)()()(yytypty(t)tpy(∞)b）y（tp）新给定值y1y3图1-10b过渡过程性能指标示意图（随动）《工业电气自动化——过程控制》233、余差（它是系统稳态准确性的衡量指标）余差——指过渡过程结束后，被控量新的稳定值y(∞)与给定值ys的差值。syye)()(《工业电气自动化——过程控制》244、调节时间（回复时间、过渡时间）ts和振荡频率β•调节时间ts——从过渡过程开始到这个过渡过程结束的时间•振荡频率β——过渡过程中第一个波峰和第二个波峰之间的时间间隔称为振荡周期T，它的倒数就是振荡频率。T2《工业电气自动化——过程控制》25两个注意和一个提示：•振荡频率同样，衰减比η越大，调节时间会相对较短；•衰减比η相同，振荡频率越高，振荡周期就越短，调节时间就会越短。调节时间、振荡频率：衡量过程控制系统快速性的指标《工业电气自动化——过程控制》26本章的主要掌握内容•了解过程控制的发展历史•了解过程控制的几个特点•了解过程控制的分类•掌握过程控制（自动控制）的基本概念•掌握过程控制的性能指标——过渡过程性能指标《工业电气自动化——过程控制》27例题：•某化学反应器工艺规定，操作温度为400±15ºC，考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值不得超过60ºC。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰下的过渡过程曲线如图所示，试求该过渡过程的最大偏差、余差、衰减比、过渡时间（按被控变量进入新稳态值的±2％为准）和振荡周期，并说明该调节系统能否满足工艺要求。t/min温度/.C94547400410420450