第一章过程控制系统概述课件.ppt

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1、第一章过程控制系统概述第1页，此课件共52页哦基本概念基本概念组成组成特点特点 分类分类性能指标性能指标发展历程发展历程第1章 过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第2页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院过程控制与集散系统过程控制与集散系统生产过程：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.过程控制的基本概念过程控制的基本概念1.1 第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第3页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院生产过程的要求：安全性,稳定性,经济性(1)安全性:生产过

2、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)(3)经济性经济性:低成本高效益是过程控制的另一个目标.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过程控制主要是指连续过程工业的过程控制过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第4页，此课件共52页哦过程控制（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

3、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。过程控制与集散系统过程控制与集散系统兰州理工大学电信学院第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第5页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点1.2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)；3控制器；4执行器(机构).过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第6页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院名

4、词术语：（1 1）被控参数（变量）被控参数（变量）y(t)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 2）控制参数（亦称操作变量控制介质）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；（3 3）干扰量干扰量f(t)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 4）设定值设定值r(t)r(t)：与被控参数相对应的设定值；（5 5）反馈值反馈值z(t)z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；（6 6）偏差偏差e(t)e(t)：设定值与反馈值之差；（7 7）控制作用控制作用u(t)u(t)

5、：控制器的输出值。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第7页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院 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。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第8页，此课件共52页哦1.1.开环控制系统开环控制系统开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)(open-loop control sy

6、stem)是指被控对象的输出是指被控对象的输出(被控制量被控制量)对控对控制器制器(controller)(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。闭环回路。2.2.闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出的特点是系统被控对象的输出(被控制被控制量量)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会反送回来

7、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(Negative Feedback)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，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。统。error)error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差描述，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，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。通常用上升时间来定量描

8、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。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。3.3.阶跃响应阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（阶跃响应是指将一个阶跃输入（step functionstep function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差）加到系统上时，系统的输出。稳态误

9、差是指系统的响应进入稳态后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用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)(stability)，一个系统要能正常，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准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state)(Steady-state)第第1 1章章 过程控制系统概

10、述过程控制系统概述第9页，此课件共52页哦 在此人的作用可在此人的作用可分为三步：分为三步：眼看眼看 脑想脑想 手动手动送风送风回风回风恒温室温度计阀门阀门图图 室温人工控制示意图室温人工控制示意图第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述例：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，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

11、阀门来保证恒温要求，然后进行操作。保证恒温要求，然后进行操作。第10页，此课件共52页哦眼眼看看用用传传感感器器或或变变送送器器将将温温度度信信号号转转换换为为控控制制器器可可接接受受的信号。的信号。脑脑想想控控制制器器将将输输入入的的实实测测温温度度信信号号和和要要求求值值进进行行比比较较（相相减求偏差减求偏差),并按偏差值计算出控制量。并按偏差值计算出控制量。手手动动人人工工阀阀门门换换成成控控制制阀阀，按按控控制制信信号号自自动动改改变变开开度。度。人人工工控控制制受受制制于于人人的的经经验验和和注注意意力力，控控制制不不精精确确。而而自自动动控控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精

12、确的、恰当的控制。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。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第11页，此课件共52页哦 过程控制系统的定义：过程控制系统的定义：为为实现对某个工艺参数的自动控实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备仪表、装置及工艺对象、设备构成的构成的 一个整体。一个整体。图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。回风恒温室23送风送风热水热水M回水回水41图图2 室温自动控制系统示意图室温自动控制系统示意图1热水加热器；热水加热器；3控制器

13、；控制器；2传感变送器；传感变送器；4执行器执行器TCTT 过程控制系统的主要任务是：过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。变化。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第12页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院 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

14、，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。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第13页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述过热蒸汽控制过热蒸汽控制第14页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院一过程工业的特点 过程控制是指连续过程工业，特点主要指连续过程生产，过程工业是十分复杂的大系统，存在不确定性

15、、时变性以及非线性等因素，过程控制的难度是显而易见的，工业过程生产环境恶劣，生产条件苛刻，采用智能控制方法和计算机控制技术。过程控制系统特点过程控制系统特点第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第15页，此课件共52页哦兰州理工大学电信学院二.过程控制系统的特点 1 1控制对象复杂、控制要求多样控制对象复杂、控制要求多样 石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程。过程控制系统中的被控对象（被控量）是多样的。2 2控制方案丰富控制方案丰富 生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。系统硬件和控制算法、软件设计。3 3控制对象大多属于慢过程控制对象大多属于

16、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 4大多数工艺要求定值控制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 5大多使用标准化的检测、控制仪表及装置大多使用标准化的检测、控制仪表及装置第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述第16页，此课件共52页哦仪表控制系统：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。过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按

17、一定规律变化。过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第17页，此课件共52页哦过程控制多种分类方法：按被控参数分类：温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性控制系统、成分控制系统。按被控量数分类：单变量过程控制系统、多变量过程控制系统 按参数性质分类：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、计算机过程控制系统第第1 1章章 过程控制系统概述过程

18、控制系统概述兰州理工大学电信学院第18页，此课件共52页哦按设定值分类：定值控制系统、随动（伺服）控制系统、程序控制系统1 1 1 1、定值控制系统：、定值控制系统：、定值控制系统：、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。2 2 2 2、随动控制系统：、随动控制系统：、随动控制系统：、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

19、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 3 3 3、程序控制系统：、程序控制系统：、程序控制系统：、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。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第19页，此课件共52页哦按系统结构分类：1）反馈控制；2）前馈控制；3）复合控制。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第20页，此课件共52页哦1）反馈控制系统（闭环控

20、制系统）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：馈的控制系统。如：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第21页，此课件共52页哦2）前馈控制系统（开环控制系统）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控制器输控制系统没有被控变量负反馈，不

21、将被控变量引入到控制器输入端。如：入端。如：测量值测量值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象 开环控制系统原理框图开环控制系统原理框图第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第22页，此课件共52页哦3）复合控制系统复合控制系统 前馈与反馈相结合，优势互补。如：前馈与反馈相结合，优势互补。如：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器1 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值 变送器变送器控制器控制器2+前馈前馈-反馈复合控制系统原理框图反馈复合控制系统原理框图第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰

22、州理工大学电信学院第23页，此课件共52页哦过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 1.3 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，概括为稳定性稳定性、准确性准确性和和快速性快速性。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。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，单项性能指标以

23、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。指标。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第24页，此课件共52页哦稳态与动态稳态与动态 1、稳稳态态把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静静态态）。）。当自动控制系统的输入和输出均恒定不

24、变时，系统就处于一种相对稳定的平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，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。有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。静态特性静态特性静态时系统各环节的输入输出关系。静态时系统各环节的输入输出关系。静态静态静态静态动态动态ty第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第25页，此课件共52页哦静态静态静态静态动态动态ty2、动态、动态把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的

25、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。即即控控制制系系统统从从一一个个平平衡衡状状态态过过渡渡到到另另一一个个平平衡衡状状态态的的过过渡渡过过程程。当当干干扰扰破破坏坏了了系系统统的的平平衡衡时时，被被控控变变量量就就会会发发生生变变化化，而而控控制制器器、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。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。动态特性动态特性在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第26页，此课件共52页哦控制系统的过渡过程控制系统的

26、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。系统的过渡响应受受内部内部和和外部外部两种因素的影响。两种因素的影响。1、内部因素：系统特性、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。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、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在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变

27、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。阶跃信号和正弦信号。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第27页，此课件共52页哦v 阶阶跃跃信信号号的的输输入入突突然然，对对被被控控变变量量的的影影响响也也最最大大。如如果果一一个个控控制制系系统统能能够够有有效效地地克克服服这这种种干干扰扰，那那么

28、么对对其其它它比比较较缓缓和和的的干干扰扰也能很好地克服。也能很好地克服。v 阶阶跃跃信信号号的的形形式式简简单单，容容易易实实现现，便便于于分分析析、实实验验和和计计算算。故更多使用阶跃信号。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在如图，输入信号在 t=0时，阶时，阶跃上升幅度为跃上升幅度为 A，其后保持。表达为，其后保持。表达为 f(t)=A (t)Atf（t）第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第28页，此课件共52页哦 在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种四种形形式：式：单调衰减过程单调衰减过程 被

29、控变量在给定值的一侧作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单调变化，最后稳定在某一数值上。上。振荡衰减过程振荡衰减过程 被被控控变变量量上上下下波波动动，但但幅幅度度逐逐渐渐减少，最后稳定在某一数值上。减少，最后稳定在某一数值上。t0a0a第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第29页，此课件共52页哦等幅振荡过程等幅振荡过程 被被控控变变量量在在给给定定值值附附近近来来回回波动，且波动幅度保持不变。波动，且波动幅度保持不变。振荡发散过程振荡发散过程 被被控控变变量量来来回回波波动动，且且波波动动幅幅度度逐逐渐渐变变大大，离离给给定定值值越越来来越

30、越远。远。t0aa0t第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第30页，此课件共52页哦过渡过程的分类过渡过程的分类（1 1）稳定的过渡过程稳定的过渡过程 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。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。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，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

31、有波动的情况下才采用。用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第31页，此课件共52页哦（2 2）不稳定过渡过程不稳定过渡过程 发发散散振振荡荡过过程程中中，被被控控变变量量不不但但不不能能达达到到平平衡衡状状态态，而而且且逐逐渐渐远远离离给给定定值值，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。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 3）临界过渡过程临界过渡过程 处处于于稳稳定定与与不不稳稳定定之之间间，一一般般也也认认为为是是不不稳稳定定过过程程，生生产产上上一一般般不不采采用

32、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。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。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第32页，此课件共52页哦第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述1。阶跃响应性能指标：。阶跃响应性能指标：兰州理工大学电信学院第33页，此课件共52页哦1）衰减比和衰减率 衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。衡量振荡过程衰减程度的指标。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述衰减率经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。是衡量过度过程稳定性的一个动态指标是

33、衡量过度过程稳定性的一个动态指标是衡量过度过程稳定性的一个动态指标是衡量过度过程稳定性的一个动态指标(于递减比含义相同于递减比含义相同于递减比含义相同于递减比含义相同).).一般取一般取一般取一般取 =0.75=0.750.90.9。兰州理工大学电信学院第34页，此课件共52页哦过程控制系统的衰减比为4：1到10：1，相当于衰减率=0.75到0.9。若衰减率=0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。2）.最大动态偏差和超调量 最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的第一个波峰。超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。最大动态偏差是过程控制系统动

34、态准确性的衡量指标。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第35页，此课件共52页哦3）.余差残余偏差（稳态误差、静差）是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。4）.调节时间ts和振荡频率 调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间。理论上它应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳态值的5%范围内，就算过渡过程已经结束，这时所需时间就是调节时间.调节时间是过程控制系统快速性的指标。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第36页，此课件共52页哦过渡过程的振荡频率是振荡周期的倒数，即 在同样

35、的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调节时间越短。振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第37页，此课件共52页哦 控制系统的单项品质指标小结控制系统的单项品质指标小结q稳定性稳定性 衰减比衰减比n=4:110:1最佳最佳 q准确性准确性 余差余差C小好小好 最大偏差最大偏差 A 小好小好q快速性快速性 过渡时间过渡时间 Ts 短好短好 振荡周期振荡周期 T 短好短好各各品品质质指指标标之之间间既既有有联联系系、又又有有矛矛盾盾。例例如如，过过分分减减小小最最大大偏偏差差

36、，会会使使过过渡渡时时间间变变长长。因因此此，应应根根据据具具体体工工艺艺情情况况分分清清主主次次，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。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。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第38页，此课件共52页哦例：某发酵过程工艺规定操作温度为455，现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的曲线如下图所示，试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和过渡过程时间。解：稳态误差=41-40=1 衰减比=4:1 超调量=（45-41）/41=9.75%过渡过程时间=23min。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制

37、系统概述兰州理工大学电信学院第39页，此课件共52页哦 例例 某某换换热热器器的的温温度度控控制制系系统统给给定定值值为为200。在在阶阶跃跃干干扰扰作作用用下下的的过过渡渡过过程程曲曲线线如如图图所所示示。试试求求最最大大偏偏差差、余余差差、衰衰减减比比、振振荡荡周周期期和过渡时间。和过渡时间。解：解：最大偏差最大偏差 A=230-200=30余差余差 C=205-200=5衰减比衰减比 n=y1:y3=25:5=5:1第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第40页，此课件共52页哦振荡周期振荡周期 T=20 5=15 （min）设设被被控控变变量量进进入入稳稳

38、态态值值的的土土2，就就认认为为过过渡渡过过程程结结束束，则则误误差差区区域域=205（2）4.1在在新新稳稳态态值值（205）两两侧侧以以宽宽度度为为4.1画画一一区区域域（阴阴影影线线）。曲曲线进入时间点线进入时间点 Ts=22min第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第41页，此课件共52页哦2.系统阶跃响应的综合性能指标系统阶跃响应的综合性能指标偏差积分偏差积分 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，度和偏差存在的时间都与偏差

39、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。就可以全面反映控制系统的品质。图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第42页，此课件共52页哦tyrCy()yrCy()t偏差积分的原始定义：偏差积分的原始定义：IE=e(t)dt0偏差的定义存在分歧：偏差的定义存在分歧：e(t)=y(t)-y()不能表达余差不能表达余差 e(t)=y(t)-y(r)如有余差则积分无穷大如有余差则积分无穷大第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制

40、系统概述兰州理工大学电信学院第43页，此课件共52页哦偏差积分指标有以下几种形式：偏差积分指标有以下几种形式：(1)(1)偏差绝对值积分：偏差绝对值积分：偏差绝对值积分：偏差绝对值积分：(2)(2)偏差平方值积分：偏差平方值积分：偏差平方值积分：偏差平方值积分：(3)(3)偏差绝对值与时间乘积积分：偏差绝对值与时间乘积积分：偏差绝对值与时间乘积积分：偏差绝对值与时间乘积积分：(4)(4)时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分 :缺点：不能保证衰减率缺点：不能保证衰减率缺点：不能保证衰减率缺点：不能保证衰减率第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理

41、工大学电信学院第44页，此课件共52页哦偏差积分偏差积分IE（Integral of Error）图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt缺点：不能保证系统是缺点：不能保证系统是衰减振荡。衰减振荡。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第45页，此课件共52页哦绝对偏差积分绝对偏差积分IAE（Integral Absolute value of Error）图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt

42、排除了正负排除了正负偏差抵消的可能。偏差抵消的可能。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第46页，此课件共52页哦图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt 平方偏差积分平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）对大偏差敏感对大偏差敏感 第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第47页，此课件共52页哦时间与绝对偏差乘积积分时间与绝对偏差乘积积分ITAE （Integral of Time multiplied by the

43、 Absolute value of Error）对调节时间敏感对调节时间敏感 图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第48页，此课件共52页哦过程控制的进展过程控制的进展1.4 在二十世纪40年代以前，处于手工操作状态，操作工人通过对火候、冷热、色泽、形状等的观察来调整生产过程。二十世纪50年代前后，实现仪表控制和局部自动化。采用的是基地式仪表和部分组合仪表，、气动式，单输入/单输出、4大参数稳定、经典控制理论。自动化仪表自动化仪表安装在现

44、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。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。二十世纪60年代随着电子技术的迅速发展，采用单元组合仪表（包括气动与电动）以及组装仪表。以420mA和010mA电动模拟信号为统一标准信号的电动模拟控制系统。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第49页，此课件共52页哦 1946年世界上第一台计算机诞生。1959年工业控制计算机（Process Control Computer,如TR300等）便在化肥厂和炼油厂试用于控制生产过程。60年代中期，出现了用计算机实现的直接数字控制

45、DDC（Direct Digital Control）系统和计算机监控SCC(Supervisory Computer Control)系统。二十世纪70年代中期，推出了分布式计算机控制系统DCS（Distributed Control System，集散系统）和可编程序控制器（PLC）.二十世纪80年代以来，一方面分布式计算机控制系统DCS成为流行的过程控制系统；另一方面，兼顾连续控制和逻辑控制/顺序控制功能的复合控制系统HCS（Hybrid Control System）得到发展。它可以是基于DCS而增添逻辑顺序功能的系统，也可以是基于PLC而增添连续控制功能的系统。另外，各厂家相继推出了

46、各种数字化智能变送器和智能化数字执行器，以现场总线（Fieldbus）为标准，实现以微处理器为基础的现场总线网络控制系统FCS（Fieldbus Control System）。现场总线控制系统FCS进一步将控制功能分散，增强了系统的灵活性和可靠性。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第50页，此课件共52页哦 在控制装置发展的同时，产生出许多智能传感器和执行器。能提供仪表状态和诊断的信息，具有通讯功能，便于调试、投运、维护和管理。一些重要的生产过程逐渐采用技术先进在线分析仪器，如：近红外、质谱、色谱、专用生化过程传感器等等。随着各种光、机、电传感技术以及厚膜电

47、路等先进加工工艺的广泛应用，使工业仪表显得异彩纷呈。近年来，以太网技术逐渐渗入到工业自动化领域。随着高速以太网的到来，智能以太网交换机的使用和耐工业环境（防尘、防潮、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等）以太网器件的面市，工业以太网将会更加广泛地在工业自动化中得到应用，从而使过程控制系统更为灵活、方便和经济。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第51页，此课件共52页哦过程控制策略与算法的进展 过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制与先进控制.通常将单回路PID控制称为简单控制。PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合。目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均设有PID控制算法软件，或PID控制模块。从二十世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。二十世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。第第1 1章章 过程控制系统概述过程控制系统概述兰州理工大学电信学院第52页，此课件共52页哦