自动化仪表及过程控制第一章绪论

1、PAGE 第一章 绪 论本章提要过程控制系统的基本概念过程控制的发展展概况过程控制系统的的组成过程控制的特点点及分类衡量过程控制系系统的质量指指标授课内容第一节 过程程控制的发展展概况基本概念过程控制系统指指自动控制系系统的被控量量是温度、压压力、流量、液液位成分、粘粘度、湿度以以及PH值(氢离子浓度度)等这样一一些过程变量量时的系统。(P3)过程控制指工业业部门生产过过程的自动化化。(P3)过程控制的重要要性进入90年代以以来自动化技技术发展很快快，是重要的的高科技技术术。过程控制制是自动化技技术的重要组组成部分。在在现代工业生生产过程自动动化电过程控控制技术正在在为实现各种种最优的技术术经

2、济指标、提提高经济效益益和劳动生产产率、节约能能源、改善劳劳动条件、保保护环境卫生生等方面起着着越来越大的的作用。过程控制的发展展概况19世纪40年年代前后(手手工阶段)：手工操作状状态，凭经验验人工控制生生产过程，劳劳动生产率很很低。19世纪50年年代前后(仪仪表化与局部部自动化阶段段)：过程控控制发展的第第一个阶段，一一些工厂企业业实现了仪表表化和局部自自动化。主要要特点：检测测和控制仪表表采用基地式式仪表和部分分单元组合仪仪表(多数是是气动仪表)；过程控制制系统结构单输入、单单输出系统；被控参数温温度、压力、流流量和液位参参数；控制目目的保持这这些参数的稳稳定，消除或或者减少对生生产过程

3、的主主要扰动；理理论频率法和和根轨迹法的的经典控制理理论，解决单单输入单输出出的定值控制制系统的分析析和综合问题题。19世纪60年年代(综合自自动化阶段)：过程控制制发展的第二二个阶段，工工厂企业实现现车间或大型型装置的集中中控制。主要要特点：检测测和控制仪表表采用单元组组合仪表(气气动、电动)和组装仪表表，计算机控控制系统的应应用，实现直直接数字控制制(DDC)和设定值控控制(SPCC)；过程控控制系统结构构多变量系系统，各种复复杂控制系统统，如串级、比比值、均匀控控制、前馈、选选择性控制系系统；控制目目的提高控控制质量或实实现特殊要求求；理论除经典控控制理论，现现代控制理论论开始应用。前馈

4、控制按扰动动来控制，在在扰动可测的的情况下，可可以地提高控控制质量。选择性控制在生生产过程遇到到不正常工况况或被控量达达到安全极限限事，自动实实现的保护性性控制。19世纪70年年代以来(全全盘自动化阶阶段)：发展展到现代过程程控制的新阶阶段，这是过过程控制发展展的第三个阶阶段。主要特特点：检测和和控制仪表新新型仪表、智智能化仪表、微微型计算机；过程控制系系统结构由单 多变量系系统，由PIID控制规律律 特殊控制规规律，由定值值控制 最优控制制、自适应控控制，由仪表表控制系统 智能能化计算机分分布式控制系系统；理论现代控制制理论 过程控制制领域，如状状态空间分析析，系统辨识识与状态估计计，最优滤

5、波波与预报。集散控制系统(DCS)集散控制系统是是集计算机技技术、控制技技术、通信技技术和图形显显示技术为一一体的装置。系系统在结构上上是分散的(生产过程是是分散系统)，但过程控控制的监视、管管理是集中的的。优点：将计算机机分布到车间间或装置。使使系统的危险险分散，提高高了系统的可可靠性，能方方便灵活地实实现各种新型型的控制规律律与算法，实实现最佳管理理。集散控制系统的的结构原理框框图：集散控制系统的的结构组成：过程输入-输出出接口：又叫叫数据采集站站，数据采集集与预处理，对对实时数据进进一步的加工工，操作站的的显示与打印印。过程控制单元：又称基本控控制器，是集集散控制系统统的核心。不不同的集

6、散控控制系统其差差别较大。CRT操作站：是集散控制制系统的人-机接口装置置。执行监控控操作、系统统组态、编程程、动态流程程图显示以及及部分生产管管理。高速数据通路：实现集散控控制系统各处处理机之间数数据传送。管理(上位)计计算机：进行行集中管理与与最佳控制，实实现信息-控控制-管理一一体化。第二节 过程程控制系统及及其组成过程控制系统组组成由测量元件、变变送器、调节节器、调节阀阀、被控过程程等环节构成成。一个简单的过程程控制系统被控过程过程检测控控制仪表（测测量元件、变变送器、调节节器和调节阀阀）过程控制系统实实例1（发电电厂锅炉过热热蒸汽温度控控制系统）过热蒸汽的温度度是生产工艺艺的重要参数

7、数过程控制系统实实例2（PHH控制系统）过程控制系统实实例3（液位位控制系统）第三节 过程程控制的特点点及系统分类类1. 过程控控制系统特点点系统由过程检测测控制仪表组组成被控过程的多样样性生产规模不同、工工艺要求各异异、产品品种种多样。控制方案的多样样性通常有单变量控控制系统、多多变量控制系系统、常规仪仪表控制系统统、计算机集集散控制系统统、提高控制制品质的控制制系统、实现现特定要求的的控制系统。本本书将要介绍绍单回路、串串级、前馈、比比值、均匀、分分程、选择性性、大时延、多多变量系统，还还要介绍高级级新型系统(自适应控制制、预测控制制)以及极可可能成为系统统主流的集散散控制系统(DCS)。

8、过程控制的控制制过程多属慢慢过程，而又又多半属参量量控制被控过程具有大大惯性、大时时延(滞后)等特点。对对表征其生产产过程的温度度、压力、流流量、液位(物位)、成成分、PH等等过程参量进进行自动检测测和自动控制制。定值控制是过程程控制的一种种主要控制形形式如何减小或消除除外界扰动对对被控量的影影响，使被控控量能控制在在给定值上，使使生产稳定。2. 过程控控制系统分类类按系统的结构特特点分类：反馈控制系统反馈控制系统反反馈控制系统统是根据系统统被控量与给给定位的偏差差进行工作的的，最后达到到消除或减小小偏差的目的的，偏差值是是控制的依据据。前面的液液位控制系统统，就是一反反馈控制系统统。又称闭环

9、控制系系统。是过程程控制系统中中最基本的一一种。多回路路反馈控制系系统。前馈控制系统前馈控制系统直直接根据扰动动量的大小进进行工作的，扰扰动是控制的的依据。不构构成闭合回路路，故也称为为开环控制系系统。由于前馈控制是是一种开环控控制，无法检检查控制的效效果，所以在在实际生产过过程中是不能能单独应用的的。前馈反馈控制制系统(复合合控制系统) 前馈开开环控制的主主要优点：能能针对主要扰扰动迅速及时时克服对被控控量的影响。反反馈控制的主主要优点：克克服其他扰动动，使系统在在稳态时能准准确地使被控控量控制在给给定值上。构构成的前馈反馈控制系系统可以提高高控制质量。按给定值信号的的特点分类：定值控制系统

10、 系统被控控量(温度、压压力、流量、液液位、成分等等)的给定值值保持在某一一定值(或在在某一很小范范围内不变)中。例如前前述的例子就就是定值控制制系统。系统统的输入信号号是扰动信号号。随动控制系统随动控制系统被被控量的给定定值随时间任任意地变化的的控制系统。作用：克服一切切扰动，使被被控量及时跟跟踪给定值变变化。例如在在加热炉燃烧烧过程控制，控控制系统就要要使空气量跟跟随燃料虽的的变化自动控控制空气量的的大小从而保保证达到最佳佳燃烧。程序控制系统程序控制系统被被控量的给定定值是按预定定的时间程序序而变化的。控制的目的：使使被控量按规规定的程序自自动变化。例例如机械工业业中的退火炉炉的温度控制制

11、系统。第四节 衡量量过程控制系系统的质量指指标控制性能良好：在受到外来来干扰作用或或给定值发生生变化后，应应平稳、迅速速、准确地回回复(或趋近近)到给定值值上。评价控控制性能好坏坏的质量指标标。根据工业业生产过程对对控制的实际际要求来确定定。通常采用用的两种质量量指标：1. 系统过过渡过程的质质量指标余差(静态偏差差)c 系统过过渡过程终了了时给定值与与被控参数稳稳定值之差。它它是一个准确确性的重要指指标，是一个个静态指标。一一般要求余差差不超过预定定值或为零。衰减比n或衰减减率 衰减比比n指振荡过程程的第一个波波的振幅与第第二个波的振振幅之比，即即 SKIPIF 1 0 ，衡量系统统过渡过程

12、稳稳定性的一个个动态指标，反反映了振荡的的衰减程度。nnl表示系系统是不稳定定的，振幅愈愈来愈大。nn1表示为为等幅振荡。nn4表示系系统为4：11的衰减振荡荡。 有时亦亦用衰减率( SKIPIF 1 0 )来表示系系统的稳定程程度。在工程程上，应根据据生产过程的的特点来确定定合适的。一般取衰衰减率g00.75OO.9最大偏差A(或或超调量)定值控制系统:用最大偏差差A来衡量被被控参数偏离离给定值的程程度。最大偏偏差是指被控控参数第一个个波的峰值与与给定值的差差。A=B+C随动控制系统：常用超调量量这个指标来来衡量被控参参数偏离给定定值的程度。超超调量定义为为： SKIPIF 1 0 A、都是

13、衡量系系统质量的一一个重要指标。若若A、愈大则表示被控控量偏离生产产规定的状态态越远。规定允允许最大偏差差。过渡过程时间tts过渡过程时间tts：表示系统过过渡过程曲线线进入新的稳稳态值的5或 2范围围内所需的时时间。ts愈小表示过过渡过程进行行得愈快。它它是反映系统统过渡过程快快慢的指标。峰值时间tp峰值时间tp：是指系统过过渡过程曲线线达到第一个个峰值所需要要的时间。其其大小反映系系统响应的灵灵敏程度。2. 误差（偏偏移）性能指指标单项指标来表示示控制系统的的质量以外，还还可以用综合合指标来对系系统过渡过程程进行综合评评价。一个过过程控制系统统的质量主要要看偏差的变化情情况。可采用偏差与时

14、时间的某种积积分关系作为为衡量系统质质量的准则，这这就是积分指指标。常用有有：平方误差积分指指标(ISEE)； SKIPIF 1 0 时间乘误差的平平方积分指标(ITSSE)； SKIPIF 1 0 误差绝对值积分分指标(IAAE)； SKIPIF 1 0 时间乘误差绝对对值的积分指标标(ITAEE) SKIPIF 1 0 这些值达到最小小的系统就是是最优的系统统。补充内容过程控制仪表是是实现工业生生产过程自动动化的重要工具具，它被广泛泛地应用于石石油、化工等等各工业部门门。在自动控控制系统中，过过程检测仪表表将被控变量量转换成电信信号或气压信信号后，除了了送至显示仪仪表进行指示示和记录外，还

15、还需送到控制制仪表进行自自动控制，从从而实现生产产过程的自动动化，使被控控变量达到预预期的要求。由单元组合仪表表构成的简单单控制系统过程控制仪表的的分类按能源形式分类类：液动控制仪表表、气动控制制仪表和电动动控制仪表。按结构形式分类类：基地式控制制仪表、单元元组合式控制制仪表、组件件组装式控制制仪表等。基地式控制仪仪表以指示、记录录仪表为主体体，附加某些些控制机构而而组成。基地地式控制仪表表特点：般结构比较较简单、价格格便宜它不不仅能对某些些工艺变量进进行指示或记记录，而已还还具有控制功功能，因此它它比较适用于于单变量的就就地控制系统统。目前常使用的XXCT系列动动圈式控制仪表表和TA系列简易

16、易式调节器即即属此类仪表表。单元组合式控控制仪表 将整套仪表表划分成能独独立实现一定定功能的若干干单元，各单单元之间采用用统一信号进进行联系。使使用时可根据据控制系统的的需要，对各各单元进行选选择和组合，从从而构成多种种多样的、复复杂程度各异异的自动检测测和控制系统统。特点：使用灵灵活，通用性性强，同时，使使用、维护更更作也很方便便。它适用于于各种企业的的自动控制。广泛使用的单元元组合式控制制仪表有电动动单元组合仪仪表(DDZZ型)和气动动单元组合仪仪表(QD22型)。组件组装式控控制仪表是一种功能能分离、结构构组件化的成成套仪表(或或装置)。它它以模拟器件件为主，兼用用模拟技术和和数字技术。整整套仪表(或或装置)在结结构上由控制制柜和操作台台组成，控制制柜内安装的的是具有各种种功能的组件件板，采用高高密度安装，结结构紧凑。这这种控制仪表表(或装置)特别适用于于要求组成各各种复杂控制制和集中显示示操作的大、中中型企业的自自动控制系统统。其中国产的TFF型、MZ型以及SPEEC200等等组装仪表即即属此类控制制仪表。按信号形式分类类：模拟控制仪仪表和数字控控制仪表两大大类。其中DDZ