第一章过程控制系统概述

1、长沙理工大学电气与信息工程学长沙理工大学电气与信息工程学院院潘潘 维维 加加 工业生产过程工业生产过程：把原材料转变成产品，并具：把原材料转变成产品，并具有一定生产规模的过程。有一定生产规模的过程。工业生产过程工业生产过程连续生产过程（流程工业）连续生产过程（流程工业）离散制造过程（制造业）离散制造过程（制造业） 过程控制过程控制：根据生产过程的特点，采用自动化仪：根据生产过程的特点，采用自动化仪表，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实表，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。现工业生产过程自动化。1 1. . 自动控制系统概述自动控制系统概述1.1 1.1 自

2、动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统1.3 1.3 控制系统过度过程及品质指标控制系统过度过程及品质指标1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述1.1.1 1.1.1 自动控制理论的发展自动控制理论的发展 PIDPID控制规律是经典控制理论最辉煌的成果控制规律是经典控制理论最辉煌的成果之一。之一。 经典控制理论经典控制理论 20 20世纪世纪4040年代年代2020世纪世纪6 60 0年代。年代。主要内容：主要内容： Nyquist Nyquist（19321932）频域分析技术、）频域分析技术、BodeBode（19451945）图、

3、）图、根轨迹分析方法（根轨迹分析方法（19481948）。）。特点特点： 主要从输出与输入的关系分析与研究问题。以传主要从输出与输入的关系分析与研究问题。以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计。行分析与设计。适用范围适用范围： 线性定常单输入单输出控制系统。线性定常单输入单输出控制系统。 现代控制理论现代控制理论 20 20世纪世纪6060年代年代2020世纪世纪9 90 0年代。年代。主要内容：主要内容： 线性系统理论、最优控制理论、最佳估计理论、系统线性系统理论、最优控制理论、最佳估计理论、系统辨识理论、自适应控制理论等

4、。辨识理论、自适应控制理论等。特点：特点： 从输入从输入- -状态状态- -输出的关系全面地分析与研究系统。输出的关系全面地分析与研究系统。适用范围：适用范围： 线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系统，线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系统，多输入多输出系统。多输入多输出系统。 智能控制理论智能控制理论 2020世纪世纪9090年代当代。年代当代。主要分支主要分支： 模糊控制、神经网络控制，专家控制、学习控制、模糊控制、神经网络控制，专家控制、学习控制、人工智能控制等。人工智能控制等。特点：特点： 定量与定性、智能算法、计算机作为控制器。定量与定性、智能算法、计算机作为控制器。适用

5、范围：适用范围： 线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系线性定常系统，线性时变系统，非线性及离散系统，多输入多输出等各种系统。统，多输入多输出等各种系统。1.1.2 1.1.2 控制系统结构及自动化仪表的发展控制系统结构及自动化仪表的发展 自动化仪表的发展自动化仪表的发展 模拟仪表：采用模拟量模拟仪表：采用模拟量0 0 10mADC, 410mADC, 4 20mADC20mADC 数字仪表：采用数字量。数字仪表：采用数字量。 智能仪表：采用智能算法。智能仪表：采用智能算法。 控制系统结构的发展控制系统结构的发展 基地式：基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路。年代，适用于单回

6、路。 单元组合式（按功能）：单元组合式（按功能）： 20 20世纪世纪6060年代，年代，DDZ, QDZDDZ, QDZ。 计算机：计算机： 20 20世纪世纪7070年代，年代， DDC, DCSDDC, DCS。 集散控制：集散控制：2020世纪世纪8080年代以后，年代以后，CIPS, FCSCIPS, FCS。使用模拟仪表的中央控制室使用模拟仪表的中央控制室早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.1 1.2.1 人工调节与自动调节人工调节与自动调节 人工调节人工调节(1) 观察水位数值；观察水位数值；(2) 把观察到的实际数值与把观察

7、到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，的大小及变化情况做出判断，并发布命令。并发布命令。(3) 根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使水位回到设定值。使水位回到设定值。汽包锅炉水位被控对象示意图汽包锅炉水位被控对象示意图蒸汽蒸汽省煤器省煤器例例1 1：汽包锅炉水位控制。：汽包锅炉水位控制。汽包汽包给水给水水位计水位计 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水汽包锅炉水位自动控制系统示意图汽包锅炉水位自动控制系统示意图 自动调节自动调节 T 被加热 的物料 TT TC 燃油 被加热物料 的出口温度 例例2：加热炉的温度控制系统：加热炉

8、的温度控制系统加热炉温度自动控制系统加热炉温度自动控制系统 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图常用术语：常用术语：被控过程（被控对象被控过程（被控对象）： 在自动控制系统中，在自动控制系统中，需要控制的生产过程、需要控制的生产过程、设备或机器。设备或机器。被控变量：被控变量： 被控过程内要求保被控过程内要求保持设定值的工艺参数。持设定值的工艺参数。被控过程：被控过程：汽包、省煤器及给水管道汽包、省煤器及给水管道被控变量：被控变量：汽包水位汽包水位操纵变量：操纵变量： 受控制器操纵的受控制器操纵的用以克服干扰的影响，用以克服干扰

9、的影响，使被控变量保持设定使被控变量保持设定值的物料量或能量。值的物料量或能量。扰动：扰动： 除操纵变量外，除操纵变量外，作用于被控过程并引作用于被控过程并引起被控变量变化的因起被控变量变化的因素。素。操纵变量：操纵变量：给水流量给水流量扰动：扰动：给水压力、蒸汽流量等给水压力、蒸汽流量等 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：设定值： 工艺参数所要求工艺参数所要求保持的数值。保持的数值。偏差：偏差： 被控变量设定值被控变量设定值与实际值之差。与实际值之差。负反馈：负反馈： 将被控变量送回将被控变量送回输入端并与输入变量输

10、入端并与输入变量相减。相减。 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 闭环控制闭环控制 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样整个系统构成了一个闭环。整个系统构成了一个闭环。闭环控制的优点：按偏差进行控制，使偏差减小或消闭环控制的优点：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。除，达到被控变量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环闭环

11、控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈振荡，甚至会使系统失去节配合不当，系统会引起剧烈振荡，甚至会使系统失去控制控制。1.2.2 1.2.2 闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 T 被加热 的物料 TT TC 燃油 被加热的物 料出口温度 闭环控制举例：加热炉的温度控制系统闭环控制举例：加热炉的温度控制系统被控过程被控过程：加热炉加热炉被控变量：物料出口温度被控变量：物料出口温度操纵变量：燃油流量操纵变量：燃油流量扰动：被加热的物料温度、燃油热值等扰动：被加热的物料温度、燃油热值等 开环控制开环控制开环控制的优点：开环控制的优点：不需要对被控变量不需要对被控变量

12、进行测量，只根据输入信号进行控制，进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。控制很及时。开环控制的缺点：开环控制的缺点：由于不测量被控变量，由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差。法消除偏差。 开环的水位控制系统。开环的水位控制系统。（按扰动控制，又称前馈控制）（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制举例：开环控制举例： FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水1.2.3 1.2.3 自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 闭环控制系统组

13、成闭环控制系统组成控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值 按系统结构的不同情况，将自动控制系统分为三按系统结构的不同情况，将自动控制系统分为三类类: : 反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系统。反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系统。 反馈控制系统反馈控制系统 系统的输出（被调量）反馈到系统的输入（调节系统的输出（被调量）反馈到系统的输入（调节量）所形成的控制系统称为反馈控制系统。量）所形成的控制系统称为反馈控制系统。 前馈控制系统前馈控制系统 控制系统根据扰动量的大小进行工作，这样的控控制

14、系统根据扰动量的大小进行工作，这样的控制系统称为前馈控制系统。制系统称为前馈控制系统。 复合控制系统复合控制系统 反馈控制与前馈控制综合的控制系统称为复合控反馈控制与前馈控制综合的控制系统称为复合控制系统。制系统。 1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统。设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统。 随动控制系统随动控制系统

15、设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化，这样的控制系统称为随动输出（被控变量）随之而变化，这样的控制系统称为随动控制系统。控制系统。 程序控制系统程序控制系统 设定值是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根设定值是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化，这样的控制系统称为程序控据需要按一定时间程序变化，这样的控制系统称为程序控制系统。制系统。 静态：静态：当输入不变时，整个系统若能建立平衡，系统当输入不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止中各个环节将

16、暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。性。动态：动态：由于输入的变化，输出也随时间变化，在这段由于输入的变化，输出也随时间变化，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为系统的动态。此时输入与输出程之中，这种状态称为系统的动态。此时输入与输出之间的关系称为系统的动态特性。之间的关系称为系统的动态特性。1.3 1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标1.3.1 1.3.1 静态与动态静态与动态1.3

17、.2 1.3.2 自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。的过程。 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量

18、的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。的情况。 定值控制系统过渡过程的几种形式定值控制系统过渡过程的几种形式( (阶跃扰动阶跃扰动) ) 发散振荡发散振荡单调发散单调发散等幅振荡等幅振荡衰减振荡衰减振荡单调衰减单调衰减 c(t) (e)单调衰减 (c)等幅振荡 (b)单调发散 (d)衰减振荡 (a)发散振荡 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t 单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡

19、过程） 稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标综合控制指标（适用于衰减和无静差过程）综合控制指标（适用于衰减和无静差过程） 偏差绝对值积分、偏差绝对值乘时间积分、偏偏差绝对值积分、偏差绝对值乘时间积分、偏差平方值积分、时间乘偏差平方积分。差平方值积分、时间乘偏差平方积分。 最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。 对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被对于定值

20、控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值，为差就是第一个波的峰值，为A A。 （1 1）最大动态偏差（）最大动态偏差（e emaxmax）或超调量（或超调量（ ）CtyBBA0 最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。特别差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒

21、烧结温度极限等，炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值都会对最大偏差的允许值有所限制。有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。许值时，要根据工艺情况慎重选择。 在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值通常

22、采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。的程度，一般超调量以百分数给出。超调量定义超调量定义： 第一个波的峰值第一个波的峰值与最终稳态值之差，与最终稳态值之差，即即B=A-C,如果系统的如果系统的新稳态值等于设定值，新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于那么最大偏差就等于超调量。超调量。100%BCAytBBC0 衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。 （2 2）衰减比）衰减比n nBnB衰减比衰减比n nCtyBBA0 n1

23、:n1:衰减振荡。衰减振荡。 n n越大，则控制系统的稳定度也越高，越大，则控制系统的稳定度也越高，当当n n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。接近于非振荡过程。 n=1:n=1:等幅振荡等幅振荡。 n1:n1:发散振荡发散振荡。 n n越小，意味着控制系统的振荡过程越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，越剧烈，稳定度也越低， 根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在比在4:14:1到到10:110:1

24、的范围内。的范围内。衰减率：衰减率：BBB衰减比衰减比4:14:1衰减率衰减率0.750.75衰减比衰减比10:110:1衰减率衰减率0.900.90CtyBBA0（3 3）余差）余差e e 定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。稳态值之差。( )ery 余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。希望其为零，或不超过预定的范围。CtyBBA0( )eryC 在控制系统中，对余在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越

25、好。的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小控制要求高，余差就要小一些。一些。（4 4）回复时间（过渡时间）回复时间（过渡时间）t ts s 回复时间表示控制系统过渡过程的长短。回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。值达到新的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。长的时间。CtyBBA0 实际上，被控变量实际上，被控变量接近于新稳态值的接近于新稳态值的5%5%或或2%2%的范围内且不再的范围内且不再越出时为止所经历的时越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一一般希望过渡时间短一些。些。（5 5）振荡频