1、过程控制仪表及装置,总学时:36理论教学:32实验学时:4,教材:过程控制仪表及控制系统/林德杰主编. 机械工业出版社，2008年3月,考核方式: 考试 平时成绩 实验成绩,被控过程数学模型的建立 检测控制仪表的原理及应用 控制系统的分析和设计,主要学习内容,第一章 绪 论,过程控制的概念采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。,过程控制主要针对温度，压力，流量，液位（物流），成分和物性等参数的控制。它覆盖石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，核能等领域。,1.1 过程控制的发展,一、20世纪40年代以前工业生产大多处于手工操作，只有少量的检测仪表用于生
2、产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。,二、20世纪40年代末50年代,过程控制系统：多为单输入、单输出简单的控制系统 过程检测：采用气动基地式仪表、气动组合仪表（气动型和电动型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论,三、20世纪60年代,过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统 。 自动化仪表：单元组合仪表（气动型和电动型）成为主流产品。 控制理论：出现了以状态空间方法为基础的现代控制理论,四、20世纪7080年代,过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制
3、、模糊控制 自动化仪表：气动型和电动型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置 控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模式识别技术,五、20世纪90年代至今：,过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。 自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。 控制理论：人工智能、神经网络控制,现代过程控制,图1-1 人工液位控制,图1-2 机械式液位控制,工业生产中的过程控制系统实例,（1） 液位控制,图1-3 实际生产中的液位控制系统,LT液位测量及信号变换装置浮球LC液位调节器杠杆阀门可接受电信号,图1-4
4、换热器温度控制系统,TT温度测量装置 TC温度调节器,管道,（2） 温度控制,反馈把输出信号回送到系统的输入端，并送加到输入信号中几乎所有的自动控制系统都是负反馈控制系统 正反馈电子振荡器、炸弹,反馈原理,1.2 过程控制的组成,常规过程控制系统由以下几部分组成：被控对象测量元件与变送器控制器（又称调节器）执行器,通常用调节阀,一个简单的过程控制系统被控过程过程检测控制仪表（测量元件、变送器、调节器和调节阀）,1.3 过程控制系统的表示形式,方框图管道及仪表流程图,1.3.1 方框图,方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形式。,
5、在绘制方框图时应注意：,1、方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 2、方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。 3、比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。为了清楚的表示控制器比较机构的作用，故将比较点单独画出。,1.3.2 管道及仪表流程图,管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。,1-5 空调室温调节控制系统温度曲线,1.3 过程控制系统的分类,1.3.1 按给定值信号的特点分类 定值
6、控制系统给定值不变或者变化很小的控制系统 例：空调控制系统,随动控制系统给定值变化的控制系统例：空调设定室内温度比室外温度低5。,图1-6 电饭锅温度控制曲线,电饭锅准备 启动加热 100 恒温阶段 保温 自动降温 （由程序控制完成的）,程序控制系统给定值是随着事先设定好的程序变化例：电饭锅,1.3.2 按系统的结构特点分类,反馈控制测量被控变量，与给定值进行比较前馈控制测量干扰变量，不与给定值进行比较前馈控制反馈控制,根据系统被控量与给定值的偏差进行工作； 偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的； 反馈信号可以有多个。,反馈控制系统（闭环控制系统）,前馈控制系统方框图,前馈控制系统
7、,也称为开环控制系统。 根据扰动量的大小进行工作 扰动是控制的依据 在实际生产中不能单独采用。,复合控制系统（前馈-反馈控制系统）,前馈控制迅速及时克服主要扰动对被控量的影响； 反馈控制克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上； 前馈反馈控制系统可以提高控制质量。,1.3.3按工艺分类（不同被控参数）,温度控制系统压力控制系统流量控制系统液位控制系统等,1.4 过程控制系统的特点,被控过程多样性 系统有众多过程检测仪表、控制仪表 控制方案丰富 多为慢过程参量控制 过程控制主要控制形式为定值控制,1.5 过程控制系统的性能指标,性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值
8、发生变化后，应 平稳、 准确、 迅速地回复（或趋近）到给定值上。,过程控制系统的评价指标可概括为： 系统必须是稳定的； （平稳） 系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确） 系统应能提供尽可能好的过渡过程。（迅速）,稳，准，快,过渡过程质量指标,误差性能指标,常用的两种质量指标,控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定。,阶跃干扰,1.5.1 过渡过程质量指标,以被控参数有关的阶跃干扰作为控制系统的输入，得到被控参数的不同过渡过程曲线。建立统一的衡量指标。,单位阶跃输入作用,过渡过程性能指标示意图（定值）,1.衰减比和衰减率（衡量振荡的衰减程度）,衰减比,衰减率,表1-1 衰减比代表的过渡过
9、程性质,过渡过程性能指标示意图（随动）,2.最大偏差和超调量（系统动态准确性的指标）,定值系统 最大偏差：第一个波峰和新稳定值y()的差 随动系统 超调量：,3.余差（它是系统稳态准确性的衡量指标）,余差指过渡过程结束后，被控量新的稳定值y()与给定值ys的差值。,描述系统稳态特性的唯一指标； 指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差； 一般要求余差不超过预定值或为零。,4、调节时间（回复时间、过渡时间）ts 和振荡频率,调节时间ts 指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值5%（或2%）的范围内所经历的时间。 一般要求ts愈短愈好,振荡频率 过渡过程中第一个波峰和第二个波峰之
10、间的时间间隔称为振荡周期T，它的倒数就是振荡频率。,调节时间、振荡频率：衡量过程控制系统快速性的指标,两个注意和一个提示：,振荡频率同样，衰减比越大，调节时间会相对较短； 衰减比相同，振荡频率越高，振荡周期就越短，调节时间就会越短。,性能指标之间的关系,有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间） 对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。 应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。,除上述单项性能指标外，常采用偏差积分性能指标来衡量控制系统。,1.5.2 误差(偏差)性能指标,除了单项指标来表示控制系统的质量外，还可以用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况。采用偏差与时间的某种积分关系作为衡量系统质量的准则，这就是积分指标。,常用指标有：,平方误差积分指标(ISE)；时间乘误差的平方积分指标(ITSE)；误差绝对值积分指标(IAE)；时间乘误差绝对值的积分指标(ITAE)这些值达到最小的系统就是最优的系统。,作业：1-4,
