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,过程控制系统与仪表 第,1,章,过程控制系统与仪表,第,1,章 绪论,过程控制,（,Process control,）是指连续生产过程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于,过程控制,系统。,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。,1.1,过程控制的特点,过程控制系统具有以下特点：,1,控制对象复杂、控制要求多样,2,控制方案丰富,3,控制对象大多属于慢过程,4,大多数工艺要求定值控制,5,大多使用标准化的检测、控制仪表及装置,1.2,过程控制的发展概况,过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。,1.2.1,过程控制装置与系统的发展过程,1,局部自动化阶段,（,20,世纪,50,60,年代）,自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。,适用于小规模、局部过程控制。,特点：,自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。,控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。,适用于生产规模较大的多回路控制系统。,2,模拟单元仪表控制阶段,（,20,世纪,60,70,年代）,煤气,核电,3,集散控制阶段,（,20,世纪,70,年代中期至今）,计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（,DDC,，,Direct Digital Control,）,。,但,DDC,系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此，,DDC,系统并未得到广泛应用。,80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装,CPU,的数字控制仪表。基于 “集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（,DCS,，,Distributed Control System,）。,DCS,系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到广泛应用。,控制柜触摸显示屏,控制柜内部,控制柜内,PLC,随着,CPU,进入检测仪表和执行器，,自动化,仪表实现了数字化、智能化。,控制系统也出现了,由智能仪表构成的,现场总线控制系统（,FCS,，,Fieldbus Control System),。,FCS,系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。,而用开放的、标准化的通信网络,现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息集中管理。,现代自动控制技术的主要特点：,1,、,功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和规模越来越大。,2,、,技术密集化、系统集成化，是控制技术、通讯技术、计算机技术相结合的产物。,3,、,系统的智能化程度日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。,国内外著名仪表生产企业：西安仪表厂、四川仪表公司、上海仪表公司、,ABB,、,Siemens,等公司。,1.2.2,过程控制策略与算法发展,伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展历程。,以经典控制理论为基础的,PID,（,Proportional Integral Derivative,）控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、,Smith,预估控制及选择性控制等控制策略。,随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、自适应控制、模糊控制等控制策略与算法，也日趋完善。,1.3,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,但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。,1.3.2,过程控制系统的性能指标,当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。,控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为,稳定性,、,准确性,和,快速性,。,t,0,y,1.3.2.1,稳态与动态,1,、,稳,态,把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（,静,态,）。,当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。,静态特性,静态时系统各环节的输入输出关系。,静态,静态,动态,t,y,静态,静态,动态,t,y,2,、动态,把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。,即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的,过渡过程,。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。,动态特性,在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。,1.3.2.2,控制系统的过渡过程,控制系统的输入变化后，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。,系统的过渡响应受,内部,和,外部,两种因素的影响。,给定值,被控量,干扰,f,控制器,传感器,执行器,被控对象,+,e,实测值,1,、内部因素：系统特性,系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。,2,、外部因素：输入信号,在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。,生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。,阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。,阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。,如图，输入信号在,t=0,时，阶跃上升幅度为,A,，其后保持。表达为,f(t,)=,A,(t,),A,t,f,（,t,）,在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有,四种,形式：,单调衰减过程,被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。,振荡衰减过程,被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。,t,0,a,0,a,等幅振荡过程,被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。,振荡发散过程,被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。,t,0,a,a,0,t,过渡过程的分类,（,1,）,稳定的过渡过程,单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。,衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。,单调过程的过渡过程较慢，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。,（,2,）,不稳定过渡过程,发散振荡过程,中,，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。,（,3,）,临界过渡过程,处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。只是某些控制要求不高的场合，如位式控制时，只能达到这种效果。,1.3.2.3,控制系统的性能指标,对控制系统的性能评价，是根据工艺对控制过程和结果的要求来衡量的。控制系统的过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。,最典型的控制性能测试是给系统输入一个,阶跃,信号，观察其阶跃响应的品质。,阶跃响应分给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。其阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的性能指标是一致的。,干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别：,给定值,被控变量,干扰,f,控制器,传感器,执行器,被控对象,+,e,实测值,干扰阶跃响应,t,0,y,给定值,被控变量,干扰,f,控制器,传感器,执行器,被控对象,+,e,实测值,给定阶跃响应,0,t,y,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。,控制性能指标有单项指标和综合指标两类,单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。,1,）衰减比,n,和衰减率,设第一个波振幅为,y,1,、第三个波振幅为,y,3,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,衰减比,n,和衰减率,是表示系统稳定程度的指标。,n,大于,1,，则系统是稳定的。随着,n,的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。,试验证明：,衰减比在,4:1,到,10:1,之间时，,过渡过程的,衰减程度合适，,过渡过程较短。,衰减比,n,与衰减率,之间有简单的对应关系：,n,=4:110:1,就相当于,=75%,90%,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。,2,）最大动态偏差,A,和超调量,最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即,:,A,=,y,max,-,r,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,A,有时也采用超调量,来表示被控参数偏离设定值的程度，,的定义是第一个波振幅与最终稳态值,y(),之比。即,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,3,）余差,C,过渡过程结束后，被控参数的稳态值,y,(),与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。,C=,y,()-r,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,4,）调节时间,T,s,和振荡频率,T,s,是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的,5%,（或,2%,）范围内，就认为过渡过程结束。,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,y(,),T,p,T,S,T,t,调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。,过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期,T,，其倒数称为振荡频率,f,=1/,T,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,y(,),T,p,T,S,T,t,另外还有峰值时间,T,p,（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,例,某换热器的温度控制系统给定值为,200,。,在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。,解：,最大偏差,A=230-200=,30,余差,C,=205-200=,5,衰减比,n=y,1,:,y,3,=225:5=,45:1,振荡周期,T,=20,5,=15,（,min,）,设被控变量进入稳态值的土,2,，就认为过渡过程结束，则误差区域,=205,（,2,）,4.1,在新稳态值（,205,）两侧以宽度为,4.1,画一区域（阴影线）。曲线进入时间点,T,s,=22min,控制系统的单项品质指标小结,稳定性,衰减比,n=,4:110:1,最佳,准确性,余差,C,小好,最大偏差,A,小好,快速性,过渡时间,T,s,短好,振荡周期,T,短好,各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。,2.,系统阶跃响应的综合性能指标,偏差积分,单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,t,y,r,C,y(,),y,r,C,y(,),t,偏差积分的原始定义：,IE=e(t)dt,0,偏差的定义存在分歧：,e(t)=y(t)-y(),不能表达余差,e(t)=y(t)-y(r),如有余差则积分无穷大,偏差积分指标有以下几种形式：,偏差积分,IE,（,Integral of Error,）,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,缺点：不能保证系统是衰减振荡。,绝对偏差积分,IAE,（,Integral Absolute value of Error,）,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,排除了正负,偏差抵消的可能。,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,平方偏差积分,ISE,（,Integral of Squared Error,）,对大偏差敏感,时间与绝对偏差乘积积分,ITAE,（,Integral of Time multiplied by,the Absolute value of Error,）,对调节时间敏感,图,1.3,闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y,1,y,3,C,y(,),T,p,T,S,T,t,1.3.2.4,影响控制系统过渡过程品质的主要因素,控制系统的过渡响应品质指标主要取决于系统结构和系统中各环节的特性。,从第二章开始，将分别讨论控制系统各环节的特性、各种系统结构的特性及设计方法。,给定值,被控量,干扰,f,控制器,传感器,执行器,被控对象,+,e,实测值,OVER,