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1、1.1 1.1 工业过程控制的工业过程控制的组成、组成、特点、特点、任务任务工业过程控制工业过程控制第第1 1章章绪绪论论运动控制：运动控制：运动体控制，运动体控制，如船舶、飞行器、机器人控制。如船舶、飞行器、机器人控制。第第1 1章绪论章绪论自动化领域两个重要分支：自动化领域两个重要分支：工业过程控制：工业过程控制：连续生产过程中工艺参数控制。连续生产过程中工艺参数控制。工业过程控制工业过程控制主要是对工业生产过程中关键工艺参数进行控主要是对工业生产过程中关键工艺参数进行控制，制，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行标自动
2、进行。通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等分和物性等连续生产过程工艺参数连续生产过程工艺参数进行控制，使其保持为定进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化。值或按一定规律变化。第第1 1章绪论章绪论工业过程控制？工业过程控制？4321CTTT器器热热过过筒筒锅锅膛膛炉炉筒筒烟烟汽汽蒸蒸热热过过器器温温减减水水温温减减一、过程控制系统组成一、过程控制系统组成第第1 1章绪论章绪论图图1 1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制工艺流程图发电厂锅炉过热蒸汽温度控制工艺流程图被被控控过过程程_)t(z)t(y)t(D)t(q)t(u)t(r）阀
3、阀节节调调（器器行行执执器器制制控控+)t(e器器送送变变量量测测过热蒸汽温度控制系统是由测量变送器、控制器（调节器）、执行器（调节阀)、被控过程等环节组成。第第1 1章绪论章绪论工业生产过程是呈流动状态的各种原材料在生产过程中，工业生产过程是呈流动状态的各种原材料在生产过程中，进进行着行着物理化学反应物理化学反应、物质能量的转换或传递物质能量的转换或传递。有关工艺参数是有关工艺参数是决定决定产品产量产品产量和和质量质量的关键因素，它们不仅受生产过程的关键因素，它们不仅受生产过程内部条内部条件件的影响，也受的影响，也受外界条件外界条件的影响，这就增加了对过程工艺参数的影响，这就增加了对过程工艺
4、参数进行控制的复杂性和特殊性，从而也决定了过程控制的特点、进行控制的复杂性和特殊性，从而也决定了过程控制的特点、任务及要求与一般自动控制有所不同。任务及要求与一般自动控制有所不同。二、过程控制特点二、过程控制特点第第1 1章绪论章绪论被控过程多属于慢过程被控过程多属于慢过程由过程检测、变送和控制由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成仪表、执行装置等组成工业生产过程控制方案工业生产过程控制方案及实施手段的多样性及实施手段的多样性工业生产过程控制系工业生产过程控制系统分为随动控制和定统分为随动控制和定值控制值控制具有非线性、时具有非线性、时变、时滞及不定变、时滞及不定性性过程控制特点过程控制特
5、点二、过程控制特点二、过程控制特点第第1 1章绪论章绪论过程控制过程控制的要求的要求稳定性的要求是指系统具有抑制稳定性的要求是指系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。定运行的能力。安全性是指整个生产过安全性是指整个生产过程中，确保人身和设备程中，确保人身和设备的安全，这是最重要的的安全，这是最重要的也是最基本的要求。也是最基本的要求。稳定性稳定性安全性安全性经济性经济性经济性，旨在生产同样质经济性，旨在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是量和原材料最少，也就是要求生产成本低而效率高。要求生产成本低而效率高。三、
6、过程控制的要求三、过程控制的要求第第1 1章绪论章绪论四、过程控制任务四、过程控制任务工业生产过程控制的任务工业生产过程控制的任务：就是在了解：就是在了解、掌握工艺流程和掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和设计应用理论对控制系统进行分析和设计，最后采用适宜的技术最后采用适宜的技术手段加以实现手段加以实现。主要包括主要包括系统方案设计系统方案设计、工程设计工程设计、工程安工程安装和仪表调校装和仪表调校、调节器参数整定调节器参数整定。第第1 1章绪论章绪论四、过程控制任务四、过程控制任务工业生
7、产过程控制的工业生产过程控制的基础是控制理论基础是控制理论，它的技术工具和分析工具它的技术工具和分析工具包括工业生产过程包括工业生产过程工程与工艺工程与工艺、自动化仪表和计算机自动化仪表和计算机，它所研究的主它所研究的主体是体是工业过程控制系统工业过程控制系统。用下图表示学科结构之间的联系用下图表示学科结构之间的联系。工业过程工业过程控制要解决控制系统的方案设计控制要解决控制系统的方案设计、分析和应用问题分析和应用问题。图图 工业生产过程控制的工业生产过程控制的体系体系结构结构第第1 1章绪论章绪论用用应应计计设设析析分分论论理理制制控控机算计和表仪化动自制制控控程程过过业业工工艺艺工工和和程
8、程工工程程过过产产生生业业工工统统系系制制控控程程过过业业工工过程控制主要任务2.建立被控过程模型，选择控制参数1.确定控制目标，选择被控参数5.设计报警和连锁保护系统3.控制结构的确定，选择控制算法4.控制设备选型6.控制系统的调试和投运第第1 1章绪论章绪论介绍了工业过程控制的概念、工业过程控制系统组成、特点介绍了工业过程控制的概念、工业过程控制系统组成、特点及工业过程的任务。及工业过程的任务。总结总结第第1 1章绪论章绪论1.2 1.2 工业过程控制的分类、指标、现状工业过程控制的分类、指标、现状工业过程控制工业过程控制第第1 1章章绪绪论论一、过程控制系统的分类一、过程控制系统的分类过
9、程控制系统的分类方法很多过程控制系统的分类方法很多,如：如：第第1 1章绪论章绪论若按被控参数的名若按被控参数的名称来分，有温度、称来分，有温度、压力、流量、液位、压力、流量、液位、成份等控制系统成份等控制系统按系统完成的功按系统完成的功能来分，有比值、能来分，有比值、均匀、分程和选均匀、分程和选择性控制系统。择性控制系统。按被控变量的按被控变量的多少来分，有多少来分，有单变量和多变单变量和多变量控制系统。量控制系统。按采用常规仪表按采用常规仪表和计算机来分，和计算机来分，有常规过程控制有常规过程控制系统和计算机过系统和计算机过程控制系统等。程控制系统等。最基本的分类方法有下列几种：最基本的分
10、类方法有下列几种：这些分类方法这些分类方法决定系统分析和设计方法决定系统分析和设计方法1 1、按系统的结构特点、按系统的结构特点反馈控制系统反馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统复合控制系统（前馈复合控制系统（前馈-反馈控制系统）反馈控制系统）前馈调节t)(y)t(D表仪量测器阀节调程过控被被被控控过过程程+)t(e)t(x+)t(f+阀阀节节调调馈馈前前道道通通动动扰扰)t(y阀阀节节调调器器节节调调馈馈反反+送送变变量量测测第第1 1章绪论章绪论过过程程)t(z)t(y)t(D)t(q)t(u)t(r阀阀节节调调器器节节调调_+)t(e送送变变量量测测2 2、按给定值信号的特点来分、按给定值
11、信号的特点来分定值控制系统：定值控制系统：系统被控量的给定值系统被控量的给定值是固定不变的。是固定不变的。随动控制系统：随动控制系统：被控量的给定值随时间任意变化。被控量的给定值随时间任意变化。顺序控制系统：顺序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序进被控量的给定值按预定的时间程序进行变化。行变化。第第1 1章绪论章绪论被被控控过过程程)t(z)t(y)t(D)t(q)t(u)t(r阀阀节节调调器器节节调调_+)t(e送送变变量量测测r t()二、过程控制系统的性能指标二、过程控制系统的性能指标第第1 1章绪论章绪论对于每一个定值控制系统而言，当设定值发生变化对于每一个定值控制系统而言，当设
12、定值发生变化或受到外界或受到外界干扰干扰时要求被控量能平稳、迅速和准确地时要求被控量能平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常根据趋近或回复到设定值。因此，通常根据稳定性稳定性、快性快性和准确性和准确性三个基本要求提出各种单项性能指标和综合三个基本要求提出各种单项性能指标和综合性能指标。性能指标。1.单项性能指标单项性能指标（1）衰减比衰减比（2）最大最大动态动态偏差偏差超调量超调量（3）残余偏差残余偏差（4）调节时间、峰值时间和振荡频率调节时间、峰值时间和振荡频率BnB21 yy typ100%ery第第1 1章绪论章绪论B1tstp2.2.综合性能指标综合性能指标（1 1）误差绝对
13、值积分）误差绝对值积分（2 2）误差平方积分）误差平方积分（3 3）误差绝对值与时间乘积积分）误差绝对值与时间乘积积分（4 4）时间乘误差平方积分）时间乘误差平方积分e t dtIAEmin0et dtISEmin02t e t dtITAEmin0tet dtITSEmin02第第1 1章绪论章绪论单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。有时希望用一个综单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。有时希望用一个综合性的指标全面反映控制系统的品质。综合指标常采用误差积分的形式，合性的指标全面反映控制系统的品质。综合指标常采用误差积分的形式，即即误差误差沿时间轴的积分，无论是误差幅值大或
14、是动态过程沿时间轴的积分，无论是误差幅值大或是动态过程时间长都会使误差积分增大。因此它是一类综合指标，希望它越小越好。时间长都会使误差积分增大。因此它是一类综合指标，希望它越小越好。常用的有以下几种：常用的有以下几种：2.2.综合性能指标综合性能指标第第1 1章绪论章绪论以上各式中以上各式中，基于误差积分不能反映控制系基于误差积分不能反映控制系统的静差。统的静差。不同的积分公式意味着评价过渡优良程度的侧重点不不同的积分公式意味着评价过渡优良程度的侧重点不同。误差积分指标存在的缺点是同。误差积分指标存在的缺点是不能保证控制系统具有合适的衰不能保证控制系统具有合适的衰减率。减率。因此，通常先确定衰
15、减率，然后再考虑使某种误差积分为因此，通常先确定衰减率，然后再考虑使某种误差积分为最小。最小。三、过程控制的发展概况和趋势三、过程控制的发展概况和趋势阶段阶段大致时间大致时间控制理论和研究方法控制理论和研究方法过程控制研究对象过程控制研究对象采用的仪表采用的仪表第一第一阶段阶段2020世纪世纪4040-5050年代年代经典控制理论经典控制理论微分方程解析方法微分方程解析方法控制系统稳定性，单输入、单输出系统控制系统稳定性，单输入、单输出系统基地式大型仪表基地式大型仪表部分气动单元组合仪表部分气动单元组合仪表第二第二阶段阶段2020世纪世纪5050-6060年代年代经典控制理论经典控制理论频域法
16、、根轨迹法等频域法、根轨迹法等从随动到定值控制；从单回路到复杂控制；从从随动到定值控制；从单回路到复杂控制；从PIDPID到特殊控制规律到特殊控制规律基地式仪表为主，大量应用基地式仪表为主，大量应用气动单元组合仪表气动单元组合仪表第三第三阶段阶段2020世纪世纪6060-7070年代年代现代控制理论现代控制理论状态空间、动态规划、极状态空间、动态规划、极小值原理等小值原理等复杂控制系统的开发和应用。在航天、航空和制复杂控制系统的开发和应用。在航天、航空和制导等领域取得成功导等领域取得成功组合式仪表广泛应用，气动组合式仪表广泛应用，气动和电动单元组合仪表成为控和电动单元组合仪表成为控制仪表的主流
17、制仪表的主流第四第四阶段阶段2020世纪世纪7070-8080年代年代大系统控制理论、大系统控制理论、人工智能、鲁棒控制、模人工智能、鲁棒控制、模糊控制、神经网络、糊控制、神经网络、预测预测控制、控制、多变量频域多变量频域基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、智能控制、控制、智能控制、故障诊断、故障诊断、生产计划和调度、生产计划和调度、优化控制等先进控制系统，非线性和分布参数系优化控制等先进控制系统，非线性和分布参数系统统集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）、可编）、可编程控制器（程控制器（PLCPLC）、信息管理）、信息管理系统（系统
18、（MISMIS）第五第五阶段阶段2020世纪世纪8080年代开始年代开始管控一体化、综合自动化管控一体化、综合自动化过程控制系统、制造执行过程控制系统、制造执行系统和企业资源计划结合系统和企业资源计划结合综合自动化系统（综合自动化系统（PCS,MES,ERPPCS,MES,ERP）网络集成、数据集成，直到信息集成和应用集成网络集成、数据集成，直到信息集成和应用集成先进过程控制（先进过程控制（APCAPC）、卓越运行操作（）、卓越运行操作（OpxOpx）现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）、）、无线仪表、网络化仪表无线仪表、网络化仪表第第1 1章绪论章绪论被被控控过过程程)t(z)
19、t(y)t(D)t(q)t(u)t(r器器行行执执器器制制控控_+)t(e器器送送变变量量测测本章讲解了工业过程控制的内涵、组成、特点、要求、任本章讲解了工业过程控制的内涵、组成、特点、要求、任务、评价性能指标指标及发展概况和趋势。务、评价性能指标指标及发展概况和趋势。后续我们将讲解单回路控制系统、复杂控制系统、高级过程后续我们将讲解单回路控制系统、复杂控制系统、高级过程控制系统分析设计，要完成系统设计和系统实现，首先学习控制系统分析设计，要完成系统设计和系统实现，首先学习过程控制系统各组成部分：过程建模、检测变送仪表、执行过程控制系统各组成部分：过程建模、检测变送仪表、执行器、控制器器、控制器第第1 1章绪论章绪论