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第一章过程控制系统概述教材

过程控制系统
赵小强
2019/6/12
兰州理工大学电信学院
第1章 过程控制系统概述
基本概念 组成 特点 分类 性能指标 发展历程
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
1.1 过程控制的基本概念
生产过程:
是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程.
生产过程的总目标:
将原物料加工成预期的产品.
过程控制的任务:
了解工艺流程和动静态特性. 实现生产过程的控制目标.
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
生产过程的要求:安全性,稳定性,经济性
(1)安全性:生产过程中,确保人身和设备安全 是最重要和最基本的要求. (2)稳定性:系统抑制外部干扰、保持生产过程 长期稳定运行的能力. (3)经济性:低成本高效益是过程控制的另一个目标.
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
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第1章 过程控制系统概述
仪表控制系统:由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成。 控制方法上:单变量过程控制系统、多变量过程控制系统。 控制算法:PID控制、智能控制等。
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
3.控制器;
4.执行器(机构). 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
名词术语:
(1)被控参数(变量)y(t):被控过程内要求保持稳定 的工艺参数,如温度、压力、流量、液位、成分等; (2)控制参数(亦称操作变量控制介质)q(t):使被控 参数保持期望值的物料量或能量; (3)干扰量f(t):除被控参数外,作用于被控过程并引 起被控参数变化的各种因数; (4)设定值r(t):与被控参数相对应的设定值; (5)反馈值z(t):被控参数经测量变送后的实际测量值; (6)偏差e(t):设定值与反馈值之差; (7)控制作用u(t):控制器的输出值。
1)反馈控制系统(闭环控制系统)
将被控变量输入到控制器,形成闭环,具有被控变量
负反馈的控制系统。如:
+e
给定值 -
控制器
执行器
干扰f
被控对象
被控变量
实测值
变送器
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反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。
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第1章 过程控制系统概述
2)前馈控制系统(开环控制系统) 控制系统没有被控变量负反馈,不将被控变量引入到
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第1章 过程控制系统概述
控制器(或称调节器)根据系统输出量测值与设定值的偏差,按 照一定的控制算法输出控制量,对被控过程进行控制。
执行机构(如:调节阀)接受控制器(调节器)送来的控制信息 调节被控量,达到预期的控制目标。 过程的输出信号通过检测与变 送仪表,反馈到控制器的输入端,构成闭环控制系统。
恒温室
送风 阀门
图 室温人工控制示意图
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第1章 过程控制系统概述
眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器 可接受的信号。
脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行 比较(相减求偏差) ,并按偏差值计算出控制量。
手动——人工阀门换成控制阀,按控制信号自动改变 开度。
人工控制受制于人的经验和注意力,控制不精确。而 自动控制按设定好的方案进行计算控制,可以做到精确的、 恰当的控制。
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第1章 过程控制系统概述
例:图为人工控制室温。假设在冬季,室内加温是通过热水 加热器,将送风加热后源源不断送往恒温室。为保证恒温室 温符合要求,操作人员要随时观察温度计的指示值,并随时 判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求,然后进行操作。
在此人的作用可分为三步:眼看源自脑想回风手动
温度计
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。
2、随动控制系统:是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的 主要作用是克服一切扰动,使被控量随时跟踪给定值。随动(伺服)控制系 统的主要目标是跟踪,即稳、准、快地跟踪设定值。
3、程序控制系统:其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火 炉的温度控制系统,其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家 用电器中应用定值控制系统的也很多,如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。
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。
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第1章 过程控制系统概述
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
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第1章 过程控制系统概述
按系统结构分类:1)反馈控制;2)前馈控制;3)复合控制。
前馈补偿器
测量变送 执行器
f (t) y(t)
被控过程
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x(t)

控制器
前馈补偿器 执行器
f (t) y(t)
被控过程
测量变送
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第1章 过程控制系统概述
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
1.2 过程控制系统的组成与特点
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f (t)
r(t) e(t)

z(t)
控制器
u(t)
q(t)
y(t)
执行器
被控过程
测量变送
过程控制系统的一般性框图 1.被控过程(或对象);
2.检测变送(用于生产过程参数检测的检测与变送仪表);
集中参数控制系统、分布参数控制系统
按控制算法分类:
简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统
按控制器形式分类:
常规仪表过程制系统、兰计州算理机工过大程学控电制信系学统院
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第1章 过程控制系统概述
按设定值分类: 定值控制系统、随动(伺服)控制系统、程序控制系统
1、定值控制系统:是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。在运行 时,系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求,被控量的给定 值保持在规定的小范围附近波动。定值控制系统在于恒定,要求克服干扰, 使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。
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)
图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器;3—控制器;
(温度、压力、流量、物位、 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。
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第1章 过程控制系统概述
转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的铁水装入转炉后,通过氧枪 供给转炉一定的氧气,进行吹氧。使铁水中的碳氧化燃烧,不断降低 铁水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧时间,可以获得不同品种的钢产 品。图可见,从节流装置1采集到的氧气流量,送入流量变送器FT2, 再经过开方器3,其结果送到流量控制器(调节器)FC4作为流量反馈 值,与供氧量的设定值比较,得到偏差值,经过流量控制器(调节器) FC4进行PID运算,输出控制信号,去控制调节阀5的开度,从而改变供 氧量的大小,以满足生产工艺要求。
工业过程可以分为:连续过程工业、离散过程工业和间歇过程工业. 过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
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。
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