过程控制系统与仪表 第1章 绪论-2010

1过程控制仪表及系统主讲教师：高松巍所属专业：测控技术与仪器授课班级：测控0701～07032课表星期一星期二星期三星期四星期五1-23-41-3,6-8:上课G-2115-67-81-3,6-8:上课G-211实验室地点：信息学院136室3使用教材《过程控制系统与仪表》王再英机械工业出版社“十一五”国家规划教材4主要参考书过程控制系统与仪表王再英过程控制仪表及控制系统林德杰过程控制与自动化仪表潘永湘计算机控制系统张德江过程控制工程邵裕森5课程主要内容及学时安排序号教学内容学时学时分配课外上机课外实验备注讲授实验上机1绪论222过程检测仪表10823过程控制仪表8624执行器及安全栅445简单控制系统的设计与参数整定10646复杂控制系统887计算机控制系统448过程控制系统实例22合计学时484086实验内容安排实验内容：1.过程检测仪表实验2.过程控制仪表实验3.锅炉液位定值调节系统实验4.进水流量定值调节系统实验7第1章绪论本章主要内容：1.1过程控制的特点1.2过程控制的发展概况1.3过程控制系统分类及其性能指标本章学习重点：掌握过程控制及系统的特点；掌握过程控制系统的组成及其性能指标。81.1过程控制的特点过程控制：过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的连续生产过程自动控制。连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。例如：室内温度的控制等。连续生产过程要求苛刻的工艺条件：高温、高压；现场存在易燃易爆或有害物泄漏等危险；需要保护人身与生产设备安全的措施。91.1过程控制的特点过程控制的主要任务：是对生产过程的有关参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度、pH值和物性等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。过程控制系统的定义：指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。（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。）101.1.1过程控制系统的组成举例：电厂锅炉过热蒸气温度控制系统由锅炉汽包产生的饱和蒸汽经过过热器，加热成过热蒸汽。而过热蒸汽的温度是保证电厂气轮机组正常运行的重要参数之一，必须对其进行严格控制。为达到此目的，设计如图所示控制系统，在过热器之前串接一个减温器，通过改变减温水流量大小来控制过热蒸汽的温度。111.1.1过程控制系统的组成举例：电厂锅炉过热蒸气温度控制系统控制原理：为了克服内外扰动的影响，保证过热蒸汽的温度稳定，利用温度检测变送器检测，并转换成便于远传的统一标准信号，与温度调节器的给定信号进行比较，其偏差送给调节器运算后控制调节阀的开度，增大或减小冷却水的流量，从而使过热蒸汽的温度稳定在给定值的附近。121.1.1过程控制系统的组成举例：电厂锅炉过热蒸气温度控制系统系统框图：131.1.1过程控制系统的组成系统中的名词术语：1）被控过程：生产过程中被控制的工艺设备或装置（即从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备）。2）检测变送器：检测量转换为统一标准的电信号。3）调节器（控制器）：实时地对被控系统施加控制用。4）执行器：将控制信号进行放大以驱动调节阀。测量值偏差控制变量控制作用扰动作用)(tr)(te)(tu)(tq)(ty)(tz)(tf141.1.1过程控制系统的组成5）被控参数：被控过程内要求保持稳定的工艺参数。6）控制参数：使被控参数保持期望值的物料量或能量。7）设定值：被控参数的预定值。8）测量值：测量变送器输出的被控参数值。9）偏差：设定值与测量值之差。10）扰动作用：作用于被控对象并引起被控变量变化的作用。11）控制作用：调节器的输出（控制调节阀的开度）。测量值偏差控制变量控制作用扰动作用)(tr)(te)(tu)(tq)(ty)(tz)(tf151.1.2过程控制的特点特点归纳：1.控制对象复杂、控制要求多样;2.控制方案丰富;3.控制多属慢过程参数控制;4.定值控制是过程控制的一种主要控制形式;5.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。161.1.2过程控制的特点1.控制对象复杂、控制要求多样•生产过程多种多样，规模大小不同，工艺要求各异，•生产产品千差万别，被控过程（被控对象）多种多样；•机理不同，生产过程的控制参数不同，控制品质不同；•过程参数变化规律不同，对生产过程影响不同；•大型设备的大惯性、大滞后及非线性。例如：热工过程中的锅炉、热交换器、动力核反应堆，冶金过程中的平炉、转炉，机械工业中的热处理炉，石油化工中的精馏塔、化学反应器等。171.1.2过程控制的特点2.控制方案丰富•有单变量控制系统，也有多变量控制系统；•有常规仪表控制系统，也有计算机集散控制系统；•有提高控制品质的控制系统，也有实现特殊工艺要求的控制系统；•有传统的PID控制，也有新型的自适应控制、预测控制、推理控制、模糊控制等。181.1.2过程控制的特点3.控制多属慢过程参数控制被控过程大多具有大惯性、大滞后等特点，因此，控制过程是一个慢变过程。在石化、冶金、电力、轻工、建材、制药等生产过程中，常用温度、压力、流量、液位、成分等物理量参数表征生产过程是否正常，产品质量是否合格。191.1.2过程控制的特点4.定值控制是过程控制的一种主要控制形式在多数过程控制系统中，其设定值是保持恒定的或在很小范围内变化。过程控制系统的主要目的：是减小或消除外界扰动对被控参数的影响，使被控参数维持在设定值或附近，达到优质、高产、低消耗与生产持续稳定的目标。201.1.2过程控制的特点5.过程控制系统由过程检测控制仪表组成测量值偏差控制变量控制作用过程检测控制仪表包括：测量元件、变送器、调节器和执行器。211.2过程控制的发展概况1.2.1过程控制装置与系统的发展1.局部自动化阶段（20世纪50～60年代）2.集中控制阶段（20世纪60～70年代）3.集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）221.2过程控制的发展概况1.局部自动化阶段（20世纪50～60年代）过程控制系统绝大多数是单入－单出系统；被控参数主要有温度、压力、流量和物位四种参数；过程检测控制仪表多用气动和电动单元组合仪表；控制的目的是保持这些工艺参数的稳定，确保生产安全；控制方案为定值控制。1.2.1过程控制装置与系统的发展231.2过程控制的发展概况2.集中控制阶段（20世纪60～70年代）•半导体产品取代了电子真空管；•集成电路取代了分立元件；•电子仪表逐步代替了气动仪表。过程控制系统大量采用单元组合一般仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间范围和大型系统的集中监控。控制方案：串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制，选择控制，并逐步采用计算机。1.2.1过程控制装置与系统的发展241.2过程控制的发展概况3.集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器(PLC)、工业PC机、数字控制器等，成为控制装置的主流。过程控制系统的结构由单变量控制系统发展到多变量控制系统。控制方案发展到最优控制、自适应控制等。1.2.1过程控制装置与系统的发展251.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.1过程控制系统的分类1.按设定值的形式不同划分（1）定值控制系统在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。（2）随动控制系统随动控制系统就是使被控参数准确而及时地跟随设定值的变化而变化。（3）程序控制系统在程序控制系统中，被控参数的设定值按预定的时间程序变化，被控参数自动跟踪设定值。261.3过程控制系统分类及其性能指标2.按系统的结构特点分类（1）反馈控制系统是按照被控参数与设定值的偏差进行调节，达到减小或消除偏差的目的，偏差值是系统调节的依据。（2）前馈控制系统根据扰动大小进行控制，扰动是控制的依据。（3）前馈-反馈控制系统是将前馈控制与反馈控制结合在一起构成的复合控制系统。1.3.1过程控制系统的分类271.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.2过程控制系统的性能指标（1）稳态对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态称为稳态（或静态）。控制过程的静态特性稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。1.3.2.1稳态与动态（控制系统正常运行中的两种状态）281.3过程控制系统分类及其性能指标（2）动态从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统又建立新的稳态（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。控制过程的动态特性系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.1稳态与动态（控制系统正常运行中的两种状态）291.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.2控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程：系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。阶跃扰动下，定值控制系统过渡过程的几种基本形式：301.3过程控制系统分类及其性能指标（1）单调衰减过程（2）振荡衰减过程1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.2控制系统的过渡过程系统受到扰动后，被控参数从设定值一侧单调的变化，最后稳定在某一数值上。系统受到扰动后，被控参数波动变化，波动幅值逐渐减小，最后稳定在某一数值上。311.3过程控制系统分类及其性能指标（3）等幅振荡过程（4）振荡发散过程1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.2控制系统的过渡过程系统受到扰动后，被控参数波动变化，波动幅值保持不变。系统受到扰动后，被控参数波动变化，波动幅值不断增大，没有最后的稳定值。321.3过程控制系统分类及其性能指标四种形式归纳为三类：一：稳定系统的过渡过程二：不稳定系统的过渡过程三：临界稳定系统的过渡过程1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.2控制系统的过渡过程331.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.3控制系统的性能指标评价控制系统的性能，主要看它在受到扰动影响偏离设定后，被控参数能否迅速、准确且平稳回到设定值；或者设定值发生变化后，被控参数能否迅速、准确且平稳达到并稳定在新的设定值或其附近。性能指标分为：单项性能指标和偏差积分性能指标量类。341.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.3控制系统的性能指标1.系统阶跃响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。351.3过程控制系统分类及其性能指标31yyn（1）衰减比n和衰减率ψnyyyyy11113131111nnn：表示过渡过程为发散振荡：表示过渡过程为等幅振荡：表示过渡过程为衰减振荡（1-2）衰减比：衰减率：1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.3控制系统的性能指标1.系统阶跃响应的单项性能指标361.3过程控制系统分类及其性能指标%100)(1yy（2）最大动态偏差A和超调量σ（1-3）最大偏差A是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。超调量1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.3控制系统的性能指标1.系统阶跃响应的单项性能指标371.3过程控制系统分类及其性能指标（3）残余偏差C过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y(∞)与设定值之间的偏差C称为残余偏差。1.3.2过程控制系统的性能指标1.3.2.3控制系统的性能指标1.系统阶跃响应的单项性能指标381.3过程控制系统分类及其性能指标（4）调节时间Ts和振荡频率ω调节时间Ts指系统从受扰