自动化仪表及过程控制

4－１第一章绪论第一节过程控制的发展概况1.基本概念过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。(P3)过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。(P3)2.过程控制的重要性进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。3.集散控制系统(DCS)集散控制系统-----是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。集散控制系统的结构原理框图：集散控制系统的结构组成：1)过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。2)过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。不同的集散控制系统其差别较大。3)CRT操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产管理。4)高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。5)管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控制，实现信息-控制-管理一体化。第二节过程控制系统及其组成1.过程控制系统组成由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。一个简单的过程控制系统＝被控过程＋过程检测控制仪表（测量元件、变送器、调节器和调节阀）4－２2.过程控制系统实例1（发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统）过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数3.过程控制系统实例2（PH控制系统）第三节过程控制的特点及系统分类1.过程控制系统特点系统由过程检测控制仪表组成被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。控制方案的多样性通常有单变量控制系统、多变量控制系统、常规仪表控制系统、计算机集散控制系统、提高控制品质的控制系统、实现特定要求的控制系统。本书将要介绍单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还要介绍高级新型系统(自适应控制、预测控制)以及极可能成为系统主流的集散控制系统(DCS)。过程控制的控制过程多属慢过程，而又多半属参量控制4－３被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位(物位)、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动控制。定值控制是过程控制的一种主要控制形式如何减小或消除外界扰动对被控量的影响，使被控量能控制在给定值上，使生产稳定。2.过程控制系统分类按系统的结构特点分类：反馈控制系统反馈控制系统-----反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。前面的液位控制系统，就是一反馈控制系统。又称闭环控制系统。是过程控制系统中最基本的一种。多回路反馈控制系统。前馈控制系统前馈控制系统-----直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。由于前馈控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。前馈—反馈控制系统(复合控制系统)前馈开环控制的主要优点：能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响。反馈控制的主要优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。构成的前馈—反馈控制系统可以提高控制质量。按给定值信号的特点分类：定值控制系统系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一很小范围内不变)中。例如前述的例子就是定值控制系统。系统的输入信号是扰动信号。随动控制系统随动控制系统-----被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统。作用：克服一切扰动，使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程控制，控制系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动控制空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。程序控制系统4－４程序控制系统-----被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。控制的目的：使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度控制系统。第四节衡量过程控制系统的质量指标控制性能良好：在受到外来干扰作用或给定值发生变化后，应平稳、迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上。评价控制性能好坏的质量指标。根据工业生产过程对控制的实际要求来确定。通常采用的两种质量指标：1.系统过渡过程的质量指标余差(静态偏差)c系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。它是一个准确性的重要指标，是一个静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。衰减比n或衰减率ψ衰减比n----指振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即'BBn，衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。n＜l表示系统是不稳定的，振幅愈来愈大。n＝1表示为等幅振荡。n＝4表示系统为4：1的衰减振荡。有时亦用衰减率ψ(BBB')来表示系统的稳定程度。在工程上，应根据生产过程的特点来确定合适的ψ。一般取衰减率g＝0.75～O.9最大偏差A(或超调量σ)定值控制系统:用最大偏差A来衡量被控参数偏离给定值的程度。最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。A=B+C随动控制系统：常用超调量这个指标来衡量被控参数偏离给定值的程度。超调量定义为：%100)()()(yytyp＝A、σ都是衡量系统质量的一个重要指标。若A、σ愈大则表示被控量偏离生产规定的状态越远。规定允许最大偏差。过渡过程时间ts4－５过渡过程时间ts：表示系统过渡过程曲线进入新的稳态值的±5％或±2％范围内所需的时间。ts愈小表示过渡过程进行得愈快。它是反映系统过渡过程快慢的指标。峰值时间tp峰值时间tp：是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。其大小反映系统响应的灵敏程度。2.误差（偏移）性能指标单项指标来表示控制系统的质量以外，还可以用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况。可采用偏差与时间的某种积分关系作为衡量系统质量的准则，这就是积分指标。常用有：平方误差积分指标(ISE)；min)(J02dtte＝时间乘误差的平方积分指标(ITSE)；min)(J02dttte＝误差绝对值积分指标(IAE)；min|)(|J0dtte＝时间乘误差绝对值的积分指标(ITAE)min|)(|J0dttet＝这些值达到最小的系统就是最优的系统。第二章过程特性第一节基本概念在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型对于实现生产过程自动化有着十分重要的意义。一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。4.基本概念被控过程-----指指正在运行中的多种多样的工艺生产设备。(P11)被控过程的数学模型-----指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。(P11)过程模型的两种描述形式：非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系统的设计和综合不方便）。参量形式：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：微分方程、传递函数、差分方程、脉冲响应函数、状态方程和观察方程等）。过程控制系统方框图：4－６内部扰动（基本扰动）-----通常是一个可控性良好的输入量，选作为控制作用，即调节器的输山量(u(t))作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内，所以对系统的性能起决定作用。外部扰动------其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～fn（t））。外部扰动对过程控制也有很大影响。输入量-----（u1(t)、u2(t)、、、un(t)，f1(t)、f2(t)、、、fn(t)）输出量-----（y1(t)、y2(t)、、、yn(t)）通道-----被控过程输入量与输出量之间的信号联系。控制通道-----控制作用与被控变量之间的信号联系。扰动通道-----扰动作用与被控变量之间的信号联系。注：x(t)为系统的设定值（给定值、比较值）单输入单输出系统------多输入单输出系统------多输入多输出系统------需要解耦控制过程的阶跃响应曲线：注：大多数被控过程特性的特点是被控量的变化往往是不振荡的、单调的、有时延的和惯性的。上图表示在输入扰动x（其实应该是u或f）作用下，输出y（被控量）的具有时延的响应。自衡过程-----过程对扰动的响应有时延，被控量变化最后达到新的平衡，即过程具有自平衡能力。如图2—2(a)所示；无自衡过程-----被控量不断交化最后不再平衡下来，过程无自平衡能力。如图2—2(b)所示。5.建立过程数学模型的目的设计过程控制系统和整定调节器参数。过程控制系统设计时选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探索最优工况以及调节器参数的最佳整定都是以被控过程的数学模型为重要依据的。指导生产工艺设备的设计。确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。进行仿真试验研究。不需要建造小的物理模型，只要根据过程的数学模型通过计算机进行仿真试验研究。6.被控过程数学模型的应用与要求4－７被控过程数学模型的部分应用与要求可见表2—l所示。自适应控制-----能适应被控过程参数(或环境条件)的变化，自动修正控制器参数(控制算法)以补偿被控过程特性变化的一种控制。（第九章P299）调节器参数整定-----系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。最优控制-----目的在于使一个机组、一台设备、或一个生产过程实现局部最优。最优控制问题核心是选择控制函数u(f)，使得某一性能指标达到最小或最大值。第三节建立多容过程的数学模型多容过程------被控过程往往是由多个容积和阻力构成。可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。1.具自衡能力的双容过程的建模其被控量是第二只水箱的液位h2，输入量为Q1。根据物料平衡关系可以列出下列方程：双容过程的数学模型为：4－８多容过程多容过程的传递函数：)1)...(1)(1()(2100sTsTsTKsWn或nsTKsW)1()(100过程具有纯时延，则传递函数：snesTKsW0)1()(1002.无自衡能力的双容过程的建模4－９无自平衡能力双容过程的传递函数：111)(0TssTsWa无自平衡能力双容过程的传递函数：naTssTsW)1(11)(0过程具有纯时延，则传递函数：snaesTKsTsW0)1(1)(100第四节用响应曲线法辨识过程的数学模型有些复杂过程的根据机理建立数学模型较难，即使用解析法得到过程的数学模型，仍然希望采用实验方法加以检验，尤其当推导不出过程数学模型时，更需要通过实验方法即辨识方法来求得：响应曲线法主要用于测取过程的阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。1.阶跃响应曲线的测定测定阶跃响应曲线的原理：在过程的输入量作阶跃变化时测定其输出量随时间而变化的曲线。阶跃响应曲线能形象、直观、完全描述被控过程的动态特性。实验测试注意事项：4－１０合理选择阶跃信号值。一般取阶跃信号值为正常输入信号的5～15％左右。在输入阶跃信号前，被控过程必须处于相对稳定的工作状态。相同的测试条件下重复做几次，减少干扰的影响。由于过程的非线性，应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测取其响应曲线，以求取过程的真实特性。2.矩形脉冲响应曲线的测定用矩形脉冲响应曲线的原因：当过程长时间处于较大扰动信号作用下时，