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1、过程控制系统与装置第1章过程控制系统概述1.1过程控制的发展和特点1.2过程控制系统的组成1.3控制系统的过渡过程和品质指标1.1过程控制的发展和特点1.1.1过程控制的发展概况1.1.2过程控制的特点1.1.1过程控制的发展概况1.控制理论的发展2.自动化仪表的发展3.过程控制系统的发展1.控制理论的发展自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制理论相应经历了从经典控制理论、现代控制理论，到控制论、信息论、系统论等学科交叉的若干发展阶段。经典控制理论是指在20世纪40年代到50年代末期所形成的理论体系，
2、它主要是研究单输入单输出(SISO)线性定常系统的分析和设计，其理论基础是描述系统输入-输出关系的传递函数，解决SISO系统的稳定性问题。1.控制理论的发展现代控制理论是20世纪60年代初期，为适应系统的非线性特性、多变量特性和最佳性能要求等需要而出现的新理论。理论主要以状态空间方法为基础，以Pontryagin极大值原理、Bellman动态规划和Kalman滤波等最优控制理论为特征，研究多输入多输出(MIMO)、变参数等复杂系统的“反馈”和“最优”控制问题。随后，相继产生和发展了系统辨识、随机控制、鲁棒控制和自适应控制等很多理论分支。20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的控制和优化问
3、题，现代控制理论和系统理论相结合，基于大系统的分解和协调思想，逐步发展形成了大系统理论。现代控制理论在航空、航天和军事等领域取得了辉煌的成果，但对于复杂的工业过程有时却显得力不从心。1.控制理论的发展20世纪80年代以来，对于具有多变量、强耦合性、不确定性、非线性、信息的不完全性和大纯滞后等特征的复杂系统，软测量和软测量建模、预测控制、基于知识的专家系统、模糊控制、神经网络控制、基于信息论的智能控制等先进控制技术应运而生，成为自动控制的前沿学科。2.自动化仪表的发展自动化仪表是一种“信息机器”，其主要功能是信息形式的转换和表达，将输入信号转换成输出信号。信号可以按时间域或频率域表达，信号的传输
4、则可调制成连续的模拟量或断续的数字量形式。自动化仪表的发展一直适应着工业的需要，经历了自力式、基地式、单元组合式、智能式和总线式几个发展阶段。按照工作能源的不同，单元组合仪表还可分为电动单元组合仪表(DDZ)和气动单元组合仪表(QDZ)两大类，它们都经历了型、型、型3个阶段。智能仪表就是在普通的模拟仪表基础上增加微处理器电路而形成的仪表。这里所谓的“智能”，是指现场仪表具有普通模拟仪表拥有的信号变换、补偿、驱动等常规功能以外，还具有一定的拟人智能的特性或功能，例如自适应、自学习、自校正、自诊断和自组织等。3.过程控制系统的发展(1)基地式仪表控制系统(2)单元组合仪表控制系统(3)集中型计算机
5、控制系统(4)集散控制系统(5)现场总线控制系统(1)基地式仪表控制系统基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。它通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件，其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号。一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用，便可构成一个简单的调节系统。通常该类系统的功能较简单，控制准确度较低，适合用于单参数的控制。而且基地式仪表信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。(2)单元组合仪表控制系统单元组合式控制仪表是根据控制系统各组成环节的不同
6、功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表(称为单元)，各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。将各种单元进行不同的组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统，实现如PID控制和串级、均匀、比值、前馈、选择性等一些常用的复杂控制功能。(3)集中型计算机控制系统图1-1典型的DDC控制系统原理图(4)集散控制系统集中型计算机控制系统由于其可靠性方面的重大缺陷，在当时的过程控制中并没有得到成功的应用。人们开始认识到，要提高系统的可靠性，需要把控制功能分散完成；但考虑到生产过程的整体性要求，各个局部的控制系统之间还应当存在必要的相互联系，即所有控制系统的运行应当服从工业
7、生产和管理的总体目标。这种管理的集中性和控制的分散性是生产过程高效、安全运行的需要，它直接推动了集散控制系统的产生和发展。(5)现场总线控制系统图1-3传统计算机控制结构示意图1.1.2过程控制的特点1)生产过程的连续性在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，被控变量不断地受到各种扰动的影响。2)被控过程的复杂性过程控制涉及范围广：石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等；生物发酵过程的发酵罐、成品包装系统等。3)控制方案的多样性被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同，过程控制系统的控制方案非常丰富，有常规的单回路PID控制、串级控制、前馈反馈控制；更有为满足特
8、定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制、解耦控制、模糊控制、预测控制、最优控制等方法或策略。1.2过程控制系统的组成1.2.1过程控制系统的组成和框图1.2.2过程控制系统的分类1.2.3过程控制系统的传递函数1.2过程控制系统的组成图1-5储槽液位对象及其液位控制系统示意图a)储槽液位对象b)人工控制c)自动控制1进料阀2出料(调节)阀1.2.1过程控制系统的组成和框图1)被控对象被控对象是指需要实现控制的设备、机械或生产过程，如图1-5c中的储槽、图1-6中的换热器。2)被控变量被控变量是指被控对象内要求保持一定数值(或按某一规律变化)的物理量，如图1-5c中的储槽液位、图
9、1-6中的被加热介质出口温度。3)控制变量控制变量也称为操纵变量，是指受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量，如图1-5c中的出料流量qo、图1-6中的蒸汽流量。1.2.1过程控制系统的组成和框图4)干扰干扰也称为扰动，是指除控制变量(操纵变量)以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素，如图1-5c中的流入储槽的液体流量、图1-6中的被加热介质入口温度、流量、蒸汽温度、蒸汽压力等。5)给(设)定值给(设)定值是指工艺规定被控变量所要保持的数值，如图1-5c中希望的液位高度、图1-6中希望的被加热介质出口温度。6)偏差偏差本应是给定值与被控变量的实际值之差，但控制系统能获取的只
10、是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把给定值与测量值之差定义为偏差。1.2.1过程控制系统的组成和框图在分析和设计控制系统时，需要明确以下几组重要的概念。1)开环与闭环系统的输出被反馈到输入端，经过一个闭合回路与给定值一起参与控制的系统称为闭环系统。2)正作用和反作用输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节；而输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节。3)正反馈和负反馈自动控制系统的基本要求是系统运行必须是稳定的。1.2.1过程控制系统的组成和框图图1-6换热器自动控制示意图图1-7简单控制系统框图r(t)设定值y(t)测量值e(t)偏差，e(t)=r(t)
11、-y(t)u(t)控制器输出(阀位)z(t)被控变量q(t)控制变量f(t)干扰1.2.1过程控制系统的组成和框图图1-8控制器和广义对象的关系1.2.1过程控制系统的组成和框图1.2.2过程控制系统的分类1.闭环控制系统2.开环控制系统1.闭环控制系统在闭环控制系统中，按给定值的不同可以分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。(1)定值控制系统(2)随动控制系统(3)程序控制系统(1)定值控制系统给定值恒定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。这类系统在工业过程中最为常见，通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。图1-6所示的温度控制系统就是定值控制系统，其目的是为了使换热器出口被加热介质
12、的温度保持恒定。(2)随动控制系统随动控制系统的特点是给定值不断变化，其目的是使被控变量尽可能准确、快速地跟随给定值的变化。图1-9是工业生产过程中常见的单闭环比值控制系统，目的是实现F2=KF1的控制。当F1发生变化时，经测量变送并乘以系数K后，作为控制器F2C的给定值，再经一个闭环控制系统，使得F2和F1的比值保持不变。由此可以清楚地看出，控制器F2C的给定值随F1会发生变化，这就是一个典型的随动控制系统。此外，军事领域的导弹制导系统、航空领域的导航雷达系统等都是随动控制的例子。(3)程序控制系统程序控制系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即被控变量按一定的时间程序变化。例如
13、，在制药、食品等生物发酵过程的温度控制系统中，发酵温度往往要随着发酵进程而变。在0t1时间段是一个升温控制过程，给定值根据实际运行时间t、设定曲线的斜率以及T1、T2计算可得；在t1t2时间段为保温过程，给定值 保持在T2，依此类推。程序控制系统本质上属于随动控制系统，其分析研究方法与随动控制系统相同。2.开环控制系统图1-11换热温度前馈控制示意图1.2.3过程控制系统的传递函数1.传递函数2.框图变换1.传递函数图1-13环节的输入-输出关系2.框图变换(1)框图的基本元素(2)框图运算法则(3)复杂框图的化简及应用2.框图变换图1-14简单控制系统框图(1)框图的基本元素图1-15框图的
14、基本元素构成控制系统框图的基本元素包括信息、分支点、汇合点和环节。1)信息2)分支点3)汇合点4)环节(2)框图运算法则表1-1框图的运算法则在控制系统框图中，环节与环节之间主要有3种基本的逻辑关系：环节串联、环节并联和反馈回路。(2)框图运算法则图1-16环节串联图1-18反馈回路a)负反馈b)正反馈(3)复杂框图的化简及应用对于复杂系统的框图，可以通过化简转化成上述基本形式。转化的基本原则是转化前后对应的输入、输出信息不变。常用的变换规则可参见表1-1。1.3控制系统的过渡过程和品质指标1.3.1静态和动态1.3.2过程控制系统的过渡过程1.3.3过程控制系统的品质指标1.3.1静态和动态
15、当输入不变时，如果整个控制系统能建立平衡，系统各环节的输入和输出均保持不变，即各环节信号的变化率为零，处于相对静止状态，这种状态成为静态或稳态。假如系统处于静态，当输入发生变化时，系统的平衡将被破坏，被控变量发生变化，过程控制系统就会动作进行控制，力图使系统重新恢复平衡。当系统出现不平衡，经过控制直到重新平衡，这一阶段整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种随时间变化的不平衡状态称为系统的动态，此时输入与输出的关系称为动态特性。1.3.2过程控制系统的过渡过程图1-295种典型的过渡过程一般来说，自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有如图1-29所示的5种基本形式。图1-29a是非
16、周期衰减过程，也称为单调衰减过程，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。图1-29b是衰减振荡过程，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。图1-29c是等幅振荡过程，被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。图1-29d是发散振荡过程，被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值越来越远。图1-29e是单调发散过程，被控变量虽不振荡，但偏离原来的平衡点越来越远。1.3.3过程控制系统的品质指标1.单项品质指标2.综合品质指标1.3.3过程控制系统的品质指标图1-30过渡过程的品质指标a)定值系统在阶跃干扰作用下b)随动系统在阶跃
17、给定作用下1.单项品质指标(1)最大偏差emax或超调量最大偏差或者超调量是描述过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值，是衡量系统稳定性的一个动态指标。(2)衰减比n衰减比是指过渡过程第一个波的幅值与第二个波的幅值之比，它也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。(3)余差e()余差是控制系统最终稳态值与给定值之差，或者说是过渡过程终了时存在的残余偏差，即e()=r-y()。(4)过渡时间tp控制系统在受到干扰作用开始，被控变量从原有的平衡状态到建立新的平衡状态所需要的时间即为过渡时间，也称为回复时间。(5)振荡周期T和振荡频率过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期，图1-30中的振荡周期T=t2-t1，振荡周期的倒数即为振荡频率。1.单项品质指标(5)振荡周期T和振荡频率图1-31温度控制系统过渡过程曲线2.综合品质指标