过程控制系统

上海第二工业大学

电子与电气工程学院

自动化系郑璞ProcessControlSystems过程控制系统过程控制系统第一讲课程简介一、学时数48上课42学时实验6学时二、课程性质过程控制是一门为扩宽自动化专业本科生控制理论与技术知识的专业选修课程。三、学习目的开设本课程的目的是为了向有一定自控原理基础的高年级本科生介绍过程控制系统的基本理论、基本分析方法和基本实验技能。1.1控制理论与过程控制系统的发展状况1.2过程控制系统1.3控制系统过渡过程及品质指标1.4过程控制系统的研究对象与任务第1章绪论过程控制系统第一讲1.1控制理论与过程控制系统的发展状况第1章绪论过程控制系统第一讲

20世纪40年代开始形成的控制理论被称为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个方面有着深远的影响。

第1章绪论第一讲我国古代指南车

指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。

工业上的应用一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点工业自动化的萌芽时期的自动化装置是机械式的，而且是自力型的随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。1.1控制理论与过程控制系统的发展状况第1章绪论过程控制系统第一讲工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。

公元1788年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统第1章绪论第一讲初期自动化装置是机械式的，而且是自力型的。随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。1.1控制理论与过程控制系统的发展状况第1章绪论第一讲第二次世界大战前后形成经典控制理论。Nyquist（1932）频率域分析技术和稳定判据的产生。Bode（1945）开发了易于实际应用的Bode图。Evans（1948）提出了一种易于工程应用的求解闭环特征方程根的简单图解方法—根轨迹方法。至此自动控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计的理论----经典控制理论。经典控制理论最辉煌的成果之一----PID控制规律。PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效，直到目前为止，在工业过程控制中有80%~90%的系统还使用PID控制规律。经典控制理论最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出，完成镇定任务。第1章绪论第一讲1960年代形成现代控制理论。现代控制理论以状态空间方法为基础：极小值原理（Pontryagin，1962）动态规划方法（Belman，1963）采用Kalman滤波器的随机干扰下的线性二次型系统（LOG）（Kalman，1960）主要研究的是多输入多输出系统，其中特别重要的是对描述控制系统本质的基本理论的建立，如可控性、可观性、实现理论、典范型、分解理论等。为了扩大现代控制理论的适用范围，相继产生和发展了系统辩识与估计、随机控制、自适应控制以及鲁棒控制等各种理论分支。现代控制理论虽然在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果，但对于复杂的工业过程却显得无能为力。第1章绪论第一讲1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步发展形成了大系统理论（Mohammad，1983）。核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的典范。大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系统仍然束手无策。第1章绪论第一讲1980年代发展起来智能控制，对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用。成为自动控制的前沿学科之一。第1章绪论第一讲从控制系统结构来看，已经经历了四个阶段。基地式控制：自力式温度控制器、就地式液位控制器等。功能往往限于单回路控制。单元组合仪表组成的控制系统：有电动和气动两大类。PID控制，常用的复杂控制系统（例串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。计算机控制系统：直接数字控制（DDC），集散控制系统（DCS）。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化。DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂控制算法。1.1控制理论与过程控制系统的发展状况第1章绪论第一讲第1章绪论第一讲计算机控制系统：直接数字控制（DDC），集散控制系统（DCS）。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化。DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂控制算法。二级优化控制：在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。在硬件上采用上位机和DCS或电动单元组合仪表相结合，构成二级计算机优化控制。实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统（CIPS）。以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通讯的现场总线网络控制系统（FCS）。1.1控制理论与过程控制系统的发展状况第1章绪论第一讲当前伍过程真控制挺系统柳发展著的一荐些主蹲要特呼点是阀：生产藏装置侦实施盆先进或控制凯成为笑发展荐主流过程螺优化库得到隆迅速焦发展故障利检测匠与诊锤断受青到各垫方面简遍关真注传统雾的DC术S在走舰向国立际统检一标虾准的帅开放赤式系搏统综合仪自动罚化系刑统（CI弟PS）是菊发展旨方向第1章系绪论第一约讲第1章哲绪论第一众讲1.跑2过程膝控制芝系统1.糟2.切1概述生产避过程察中，旬对各钢个工俯艺过够程的统物理赶量（局或称塔工艺绢变量肠），迟有着递一定蔬的控郑制要析求。有些郊工艺炎变量佳直接扬表征猎生产虾过程符，对凤产品稿的数骨量和季质量上起着壶决定我性的增作用蒙。精馏尺塔的铲塔顶翅或塔址釜温互度；加热拼炉出授口温净度；化学胁反应抛器的足反应胸温度逮。有些陶工艺染变量迅虽不闹直接故地影禁响产查品的距数量刘和质蔬量，凑然而贤保持寸其平叙稳却朱是使瞎生产菜获得召良好批控制锅的前忌提。用蒸列汽加慌热反水应器摘蒸汽侄总压师；中间演贮槽血的液卖位高耀度与霸气柜肝压力京；第1章进绪论第一镜讲1.碧2过程敬控制筹系统1.辞2.利1概述生产述过程领中，卫对各宅个工率艺过争程的烫物理柜量（梢或称欲工艺吊变量等），俱有着摇一定器的控德制要弹求。有些删工艺诊变量蜜虽不挠直接绳地影掉响产邻品的或数量繁和质委量，谜然而舟保持贫其平府稳却果是使按生产疮获得料良好送控制拦的前瘦提。用蒸召汽加份热反绕应器猪蒸汽里总压页；中间股贮槽减的液阿位高扁度与苍气柜且压力粮；有些标工艺梢变量倘是决么定安凝全生恨产的浅因素眉。锅炉菊汽包井的水纤位、悼受压洁容器顷的压劲力等做，不床允许钻超出锹规定攻的限鸟度，易否则蹲将威校胁生吉产的误安全收。还有竟一些煌工艺砖变量扬直接岂鉴定寨产品羊的质距量。某些戒混合碌气体河的组饱成、瘦溶液照的酸偶碱度泪等。第1章洋绪论第一违讲锅炉挽汽包蜂示意锯图，贴其液辉位是诵一个忽重要锯的工颗艺参稿数。遥液位炼过低数，影河响产死汽量抚，且叠易烧燥干而性发生犹事故氧；液啄位过倦高，厚影响农蒸汽灶质量狱，因私此对罚汽包欣液位絮因严渠加控态制。蒸汽给水汽包1.团2过程绞控制绞系统第1章摆绪论第一细讲把工样艺所阔要求光的汽蛛包液玩位高逗度称筒为设定压值；把所僻要求舌控制逝的液肥位参境数称隐为被控合变量或输出郑变量；影响觉被控轧变量叨使之成偏离名设定默值的殊因素湖称为扰动掉作用，如惑给水着量、斤蒸汽劲量的煌变化旁等，设定呆值和钻扰动柳作用培都是筋系统登的输蜻入变山量；用以幕使被敢控变零量保冰持在源设定登值范疗围内俊的作歉用称筋为控制扭作用。1.雷2过程舍控制鞠系统第1章币绪论第一区讲为了联保持睁液位惧为定袭值，腔手工若控制喂时主速要有亏三步排：观察被控怀变量予的数父值，馅在此查即为殖汽包帝的液削位；把观乡丰察到梁的被嘴控变宜量值共与设管定值疫加以比较，根学据二础者的数偏差档大小寒或随黎时间枝变化伸的情首况，崇作出判断，并果发布命令；根据狮命令操作给水负阀，学改变米进水私量，序使液纠位回暴到设帜定值葛。1.宣2过程容控制牌系统第1章其绪论第一锋讲如采趁用检础测仪化表和爆自动耳控制枪装置幼来代真替手材工控吗制，馆就成偏为自股动控千制系锡统。LTLC汽包蒸汽给水1.毒2过程柴控制娇系统第1章摇绪论第一际讲反馈--沿--输出恒变量骆通过炼适当宿的检剧测仪桥表，嫌又送扫回输在入端厕，并书与输幅入变箭量相巧比较坦。二神者相躲加称数为正反可馈，二蒸者相斑减称贼为负反延馈。偏差--细--输出伐变量江与输缝入变炕量相凭比较证所得悄的结哭果。闪控制塞装置爹根据亏偏差咬方向头、大夫小或爬变化超情况厕进行瞎控制哲，使幅偏差笑减小膜或消舰除。笼发现橡偏差灿，然胖后去践除偏瞧差，专这就誓是反韵馈控宽制的和原理扎。利砖用这鼓一原遗理组绸成的公系统茫称为反馈锄控制普系统，通辈常也税称为自动确控制涝系统。有反随馈存醋在，陪按偏虾差进梁行控植制，迟是自僵动控装制系访统最榆主要雀的特铜点。1.拜2过程溉控制畜系统第1章骗绪论第一吊讲1.搁2.知2闭环牌控制赴与开恼环控猜制在反躲馈控甜制系呈统中框，被侄控变慢量送予回输帅入端主，与裳设定洁值进符行比政较，恩根据郑偏差工进行狐控制浇，控钻制被仓控变杨量，禽这样庄，整截个系舒统构老成了公一个炎闭环卖，因脆此称蝇为闭环兰控制。闭环棚控制他的特烂点是艘按偏木差进白行控津制。于不论抽什么厉原因画引起宾被控亡变量荣偏离喝设定员值，心只要歪出现披偏差盈，就歌会产影生控浅制作忽用，默使偏类差减膜小或逃消除荒，达礼到被亭控变蜓量与唤设定敲值一易致的粉目的端，这证是闭艇环控艳制的灯优点忌。闭环励控制思不够宏及时俗。此位外，持如果婚系统虾内部延各环蒸节配为合不慕当，蹦系统窜会引而起剧抗烈震导荡，残甚至拴会使客系统资失去名控制克，这阁些是插闭环陶控制东系统司的缺刘点。第1章雁绪论第一糟讲1.帝2.爆2闭环肉控制悠与开抛环控寸制（匹续）开环盗控制方式好比较允简单坑，不冬需要抹对被励控变纯量进罗行测亡量，插只根树据输阿入信葵号进隔行控制制。由于薄不测债量被险控变伏量，消也不昆与设袖定值纽奉相比览较，浩所以寇系统伐受到最扰动够作用通后，龙被控盏变量愈偏离泉设定贤值，亩并无欠法消鹿除偏眨差，友这是街开环怕控制冒的缺营点。分配器步进电机

精密传动机构工作台工作台位移控制撑脉冲数字质程序搁控制神机床政精密扰定位贷控制积系统第1章越绪论第一园讲1.苏2.掌2闭环踢控制小与开竭环控产制（劲续）FTFFC给水蒸汽汽包开环财的液被位控逮制系门统。这里舟是根湾据扰宽动信行号（喘蒸汽扇流量歇）来雨控制悲给水栗量。依据皆扰动忆作用倾进行蔽控制刚的系索统，雅虽然宗不一抖定能波消除找偏差掌，但涌是也柄有突迎出的认优点牢，即盒控制蚂作用鞋不需右等待碧偏差赛的产锈生，影控制雹很及恒时，勒对于谢较频价繁的聋主要码扰动猫能起菠到补顽偿的宝效果助。这种恢系统栏称为怠前馈企控制凶系统企。所者用的寄控制阴装置FF户C称为导前馈判控制遥器。前馈-反馈蝇控制炕系统剖就是是开环叹与闭乔环控饶制的蛙组合才形式第1章到绪论第一悼讲1.同2.幸3控制暮系统奸的组磁成及倾方框吼图设定侄值测量恰值偏差旬，e(零t)轮=r(党t)睡–较y敏(t串)控制台作用被控盾变量操纵意变量第1章衔绪论第一笔讲1.隐2.弃3控制绸系统呜的组病成及恳方框斯图（翠续）检测旁元件富和变此送器躺的作嫩用是裂把被越控变电量c(幼t)转化但为测颗量值y(乡丰t)。比较骆机构宫的作递用是猛比较益设定侵值r(浊t)与测示量值y(木t)并输小出其俭差值搅。控制雅装置故的作孩用是画根据肚偏差剖的正萌负、碑大小勤及变患化情许况，枕按某肉种预撞定的栋控制求规律薪给出胶控制绒作用u(烛t)。比较禽机构责和控穷制装出置通胜常组陆合在传一起滴，称酬为控建制器毕。执行陪器的止作用旱是接柜受控忽制器惕送来炭的u(嘱t)，相尖应地波去改渔变操礼纵变怀量q(猛t)。最罗常用扣的执减行器部是气患动薄粗膜控蔬制阀盗，在易采用阶电动姜控制衔器的邮场合怕，控掏制器是的输竟出u(茄t)还需确经电-气转盛换器抱将统阳一的强电流陵信号乱转换不成统粥一的每气压里信号坚。系统桃中控羞制器悠以外激的各久部分鹅组合仿在一寺起，颜即过贝程、侧执行扣器、既检测遥元件谱与变可送器渣的组恭合称瓶为广环义对门象。第1章协绪论第一服讲1.懂2.索3控制恩系统为的组予成及赤方框只图（燃续）几个坛很重灾要的啊概念伤：信息件的概肆念闭环贷的概鼻念动态拆的概觉念第1章者绪论第一棚讲1.担2.软4控制糖系统犯的分坟类按设堂定值蔑的不依同情京况，子将自温动控仁制系钱统分缸为三寸类，贵即定值标控制穿系统、随动铃控制抓系统和程序油控制舅系统。第1章皇绪论第一伯讲定值赴控制腊系统设定劝值保乐持不侄变（博为一仇恒定潮值）乱的反矮馈控等制系枣统称拉为定刷值控模制系贿统。在工抄业生招产中默的应堆用：化例如主各种俘温度造、压近力、励流量划、液尘位等闷控制吩系统距；恒宣温箱旗的温畏度控谅制；栗稳压蒜电源贴的电收压稳柱定控炕制等督。第1章邀绪论第一惭讲电阻旗丝加搭热恒剃温箱柔温度号控制伐系统控制乎变压卵器活粪动触闲点的塌位置楚即改学变了匆输入申电压盒，则毁通过犹电阻仆丝的播电流咐将产厦生变俭化，闭使恒滥温箱吧得到放不同消的温绸度。被控苦变量睬是恒词温箱傲的温姐度，浸经热田电偶贼测量昼并与开设定脆值比误较后欣，其广偏差辽经过叨放大辛器放封大，沫控制些电动售机的爹转向何，然仪后经填过传拆动装税置，耽移动系变压碰器的早活动茂触点袜位置庙。结殖果使疾偏差驶减少冻，直骆到温窄度达遥到给肯定值浸为止废。第1章内绪论第一尿讲随动丑控制鸟系统设定躺值不院断变采化，熔且事象先是茄不知脊道的晨，并击要求旅系统飘的输杂出（辩被控琴变量矛）随铃之而捐变化变。例如贸雷达勿跟踪握系统择。各臂类测抚量仪愁表中蚊的变甩送器鸭本身云亦可岛以看盐作是捏一个柳随动蚕控制京系统岭，它愿的输房诚出（匹指示鉴值）野应迅顽速和照正确套地随蛋着输最入（蛇被测分量值耗）而奔变化抹。第1章顽绪论第一哭讲比值银控制泼系统第1章疲绪论第一筒讲程序见控制孤系统设定傻值也刷是变旨化的略，但祥它是北一个泡已知坏的时尼间函贡数，廊即根掉据需裂要按泛一定景时间姓程序蜜变化谊。第1章拿绪论第一唱讲1.瓣3控制维系统童过渡暖过程弹及品轰质指您标1.叛3.福1静态谜与动醋态1.采3.涝2控制结系统举的过降渡过塘程及肯品质钢指标当自灿动控耗制系山统的当输入我发生形变化私后，鲜被控访变量僻（即雪输出随）随阳时间怕不断玻变化迹，它民随时短间而诱变化烧的过张程称镇为系挤统的垂过渡党过程逃。也系就是种系统惹从一轨个平足衡状切态过欣渡到用另一爆个平洞衡状闲态的恩过程当。第1章勇绪论第一伍讲阶跃零作用踩为输注入时单的被逮控变胖量的宋过渡恢过程第1章往绪论第一准讲单项嚷控制筐指标衰减具比n衰减金比是僵衡量酸过渡厕过程孤稳定后性的释动态拿指标唐，它柜的定奇义是销第一委个波盖的振殖幅与肝同方智向第隔二个挺波的恒振幅稿之比折。n黎=掀B/全B道’。对衰女减振客荡而奋言，n恒大绞于1。n越小惜，滔意味总着控贤制系剃统的笋振荡剥过程漫越剧惜烈，搭稳定油度也呢越低扑，n接近报于1时，梳控制羊系统葵的过献渡过削程接纹近于虏等幅鲁振荡秀过程更；反市之，n越大够，则唤控制觉系统室的稳册定度示也越恋高，皂当n趋于静无穷罗大时搁，控口制系鸽统的迁过渡矮过程供接近航于非旺振荡销过程键。根据汤实际盛操作蓬经验估，为位保持辩足够叼的稳惯定裕史度，败一般牙希望厘过渡愚过程孝有两茧个波移左右抬，与壮此对浆应的震衰减馋比在4:慕1到10罗:1的范斑围内隶。第1章中绪论第一棵讲最大奔动态种偏差解或超捏调量最大削动态多偏差顶或超泄调量葡是描宋述被堂控变辫量偏鸟离设遣定值揪最大脉程度流的物救理量咳，也仗是衡黄量过称渡过隆程稳贩定性要的一路个动无态指丙标。对于棒定值扮控制虏系统解，过砍渡过葵程的鼠最大万动态昼偏差辟是指创被控拉变量版第一当个波症的峰腊值与搏设定腰值之诉和。在设办定作垄用下摔的控芹制系胖统（药随动线控制肉系统勇）中食，通逼常采那用超享调量厕这个掌指标精来表潮示被寄控变逼量偏凑离设蚂定值既的程蚁度，保它的猛定义努是第轨一个反波的需峰值才与最丽终稳峰态值裙之差离。一船般超养调量碑以百绕分数芝给出斜，即最大照动态刺偏差趣或超字调量笼越大折，生史产过银程瞬贴时偏楚离设怖定值伴就越稻远。想对于裙某些苗工艺责要求峰比较结高的派生产驾过程古，例间如存杏在爆泄炸极南限的举化学膊反应驱，就矿需要颗限制龟最大重动态赏偏差蚂的允糖许值宇；同芒时，筐考虑冒到扰戴动会钱不断蜂出现主，偏陆差有臂可能浙是叠右加的觉，这皂就更丽需要该限制垫最大围动态燥偏差烈的允讯许值。第1章颜绪论第一爆讲余差余差急是控铲制系庸统过季渡过扬程终否了时豪设定描值与钻被控紫变量头稳态咬值之打差，型即余差渣是反响映控渣制准稠确性殖的一洪个重永要稳虑态指盘标，豆一般叼希望跃其为傻零，扮或不舅超过跌预定此的范留围，鼻但不柴是所挠有的各控制喇系统卧对余探差都络有很歼高的嫩要求兔，如块一般雷贮槽亦的液寸位控白制，幻玉对余州差的梦要求扁就不压是很阅高，瞧而往变往允予许液奴位在倘一定亿范围友内变杏化。第1章尚绪论第一轻讲回复染时间抓和振俊荡频愚率回复项时间冻表示下控制孝系统方过渡杨过程巨的长队短，馅也就刊是控剃制系掩统在窄受到猴阶跃常外作炮用后牌，被那控变辩量从唯原有辜稳态蛾值达乖到新晶的稳拾态值挑所需朱要的言时间诱。严戏格地患讲，平控制聋系统族在受睡到外悄作用布后，改被控张变量池完全挑达到光最终携稳态宏值需蚀要无挥限长船时间陷。但荷实际侄上当拥被控岁变量呆的变施化幅茶度衰丙减到蚂足够绕小，搁并保滤持在踩一个咳极小蒜的范开围内赢所需善要的翠时间雁还是兆有限脏的。芦对于哀输入山作用洲下的栽控制锻系统逗，被搏控变叔量进偿入工博艺允埋许的滚的稳劫态值勾所需皆要的除时间员称回祥复时京间。鸟对于层设定郑作用奔下的常控制校系统老（即碍随动歪控制载系统涌），贺被控爪变量肾进入摇稳态责值附积近或娱的范毙围内楚所需抓要的臣时间慨称为大回复取时间计。回体复时链间短姨，表型示控恶制系冻统的府过渡本过程英快，蛮即使负扰动阻频繁蕉出现挥，系办统也朽能适弟应；菜反之自，过彩渡时抗间长分。显碧然，项回复辈时间瞎越短肢越好茶。它近是反何映控社制快厉速性沉的一挤个指葡标。在衰普减比正相同昼的条鞋件下饼，振般荡频述率与惧回复帮时间厕成反喇比，府振荡馆频率把越高冶，回悲复时锄间越细短。贷因此巴振荡丽频率挡也可围作为洒衡量移控制奋快速惯性的仆指标住，定岁值控顽制系使统常打用振终荡频庆率来录衡量伤控制孤系统寒的快查慢。第1章者绪论第一航讲综合刑控制嘉指标由于克过渡拢过程桌中动着态偏阀差越卸大，便或是鸽回复耐时间抗越长衫，则拘控制孝品质腥越差恭。所崖以综锣合控涉制指掩标采抓用积欢分鉴谋定的共形式肿。平方嫌积分闲鉴定IS沈E绝对杏值积午分鉴照定IA膀E时间圆乘以肉绝对乐值的矩积分拔鉴定IT舒AE第1章办绪论第一员讲自动呀控制川系统吼控制扛质量猜的好使坏，软取决西于组脉成控肝制系平统的君各个截环节抢，特汪别是盈过程享的特删性。格自动铸控制悔装置电应按征过程窗的特夹性加直以适孤当的猜选择垦和调膛整，沸才能需达到长预期筑的控兴制质避量。恶如果帜过程王和自傍动控物制装睬置两崖者配挤合不蔬当，协或在妹控制坟系统奶运行很过程摩中自祥动控挽制装温置的趣性能碎或过行程的边特性惠发生妖变化剖，都遗会影似响到鸟自动斩控制贝系统炭的控鸽制质更量，匙这些那这些凭问题故在控孝制系裹统的播设计衰和运姐行过圈程中崖都应加该充环分注劫意.第1章糟绪论第一斤讲第1章访绪论1.玩4过程赴控制带系统在的研长究对隆象与危任务1、工倘业自石动化奶的发晨展与研工业郊生产胸过程本身裂的发对展相扣结合2、工乳业自踏动化长已进炒入信搜息化楼时代以各邻种既狗简练徒又实危用的挑控制僻与管惊理的理锣论和抄方法庄，是正今后请过程护控制讯的主弦要研究血内容编。第一剃讲第1章筐绪论运动王控制扒和过胸