第7章 过程控制系统基本概念精选文档.ppt

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1、第7章 过程控制系统基本概念本讲稿第一页，共十八页使用常规仪表的中央控制室过程控制系统的发展概况：本讲稿第二页，共十八页现代的DCS控制系统本讲稿第三页，共十八页现代操作室本讲稿第四页，共十八页图图9-1 9-1 锅炉汽包水位控制示意图锅炉汽包水位控制示意图本讲稿第五页，共十八页第七章 过程控制系统基本概念第一节 过程控制系统的组成与分类第二节 过程控制系统过渡过程和品质指标第三节 被控对象特性第四节 被控过程的数学模型 本讲稿第六页，共十八页第一节 过程控制系统的组成与分类一、过程控制系统 自动控制自动控制：就是在：就是在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用外加的情况下，利用外加的设备

2、或装置的设备或装置(控制装置控制装置)，使机器、设备或生产过程，使机器、设备或生产过程(控制控制对象对象)的某个工作状态或参数的某个工作状态或参数(被控量被控量)按照按照预定的规律预定的规律自动自动地运行。地运行。自动控制系统自动控制系统(Automatic Control Systems)(Automatic Control Systems)：是在无人直接：是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。的控制系统。过程控制系统过程控制系统(Process Control Systems)(Process Con

3、trol Systems)：以表征生产过：以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的的自动控制系统自动控制系统。本讲稿第七页，共十八页二、过程控制系统组成v对象对象：被控制的装置或设备，其输出即为被控量；：被控制的装置或设备，其输出即为被控量；v检测元件及变送器检测元件及变送器：检测元件的功能是感受并测出被控量的：检测元件的功能是感受并测出被控量的大小，变送器的作用则是检测元件测出的被控量变换成控制大小，变送器的作用则是检测元件测出的被控量变换成控制器所需要的信号形式；器所需要的信号形式；v控制器控制器：它将检测元件或变送

4、器送来的信号与被控变量：它将检测元件或变送器送来的信号与被控变量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据这个偏差信的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据这个偏差信号的大小按一定的运算规律计算控制信号号的大小按一定的运算规律计算控制信号u u，然后将控制，然后将控制信号传送给执行器。信号传送给执行器。v执行器执行器：其作用是接受控制器发出的控制信号：其作用是接受控制器发出的控制信号u u，直接改变，直接改变操纵量操纵量q q(例如电流、重油、煤气等的量例如电流、重油、煤气等的量)，即调整能量或物，即调整能量或物料的平衡，使被控量回复至设定数值。料的平衡，使被控量回复至设定数值。本讲稿第八页，共十八

5、页三、控制系统的工程表示 自动控制系统有两种表示方法，即方框图与工艺控制流程图自动控制系统有两种表示方法，即方框图与工艺控制流程图(或称管道仪或称管道仪表流程图表流程图)【需遵循【需遵循“GB/T 2625-1981 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用图形符号和过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号文字代号”或其它行业标准】。或其它行业标准】。(a)(a)工艺控制流程图工艺控制流程图 (b)(b)方框图方框图锅炉汽包液位控制锅炉汽包液位控制蒸汽蒸汽检测变送LT控制器LC控制阀V锅炉期望值SV实际值给水给水LCLTVPVPVSVMV本讲稿第九页，共十八页四、过程控制系统的分

6、类 自动控制系统有自动控制系统有多种分类多种分类方法，可以按被控量分类，例如温度控制系方法，可以按被控量分类，例如温度控制系统、流量控制系统等；也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控制统、流量控制系统等；也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控制系统、比例积分控制系统等。系统、比例积分控制系统等。为了便于分析自动控制系统的性质，可将控制系统按设定值形为了便于分析自动控制系统的性质，可将控制系统按设定值形式的不同分为三类，即式的不同分为三类，即定值控制定值控制系统、系统、程序控制程序控制系统与系统与随动控制随动控制系系统统 。定值控制系统定值控制系统:设定值保持不变（为一恒定值）的反馈设定

7、值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。控制系统称为定值控制系统。程序控制系统程序控制系统:设定值也是变化的，但它是一个已知的时设定值也是变化的，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。间函数，即根据需要按一定时间程序变化。随动控制系统随动控制系统:设定值不断变化，且事先是不知道的，并设定值不断变化，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。要求系统的输出（被控变量）随之而变化。本讲稿第十页，共十八页第二节过程控制系统过渡过程和品质指标 一、静态与动态 静态（定态）：静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，当输入恒定不变时，整个系统

8、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状态。系统中各个环节将暂不动作，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性。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。动态：动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，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程之中，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程之中，这种状态称为动态。这种状态称为动态。本

9、讲稿第十一页，共十八页二、自动控制系统的过渡过程 系统无时无刻都受到干扰，其结果是系统一直处于变系统无时无刻都受到干扰，其结果是系统一直处于变动之中，即处于动之中，即处于动态动态。当然在某个时刻可看作是稳定的，即。当然在某个时刻可看作是稳定的，即处于处于静态静态。从一个静态到另一个静态所经历的过程称为。从一个静态到另一个静态所经历的过程称为过渡过渡过程过程。过渡过程具有以下几种形式：。过渡过程具有以下几种形式：(a)(a)发发散散振振荡荡 (b)(b)等等幅幅振振荡荡 (c)(c)衰衰减减振振荡荡 (d)(d)单调过程单调过程过渡过程的几种基本形式过渡过程的几种基本形式稳快准要求:本讲稿第十二

10、页，共十八页三、控制系统的品质指标 控制系统性能指标是根据系统在控制系统性能指标是根据系统在零初使零初使条件条件(输出量和输入量的各阶导数为输出量和输入量的各阶导数为0)0)下的下的单位阶跃响应曲线计算得到的。单位阶跃响应曲线计算得到的。实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一性能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一种比较好的响应曲线，故以下针对衰减振荡种比较好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介绍【注意，有的过程不允许出现过程进行介绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。振荡】。本讲稿第十三页，共十八页本讲稿第十四页，共十八页2

11、 2、最大偏差、最大偏差A A被控变量偏离给定值的最大数值被控变量偏离给定值的最大数值 A=230A=230 200=30200=30（）3 3、超调量、超调量B B第一个波峰值与新稳定值之差第一个波峰值与新稳定值之差 B=230B=230 205=25205=25（）1 1、衰减比、衰减比B B：BB 相邻两个波峰值之比相邻两个波峰值之比 B B：B=B=（230230 205205）/（210210 205205）=5=5：1 1 习惯上表示为习惯上表示为 n n：1 1 ，一般一般 n n 取取 4 4 10 10 之间之间4 4、余差、余差C C过渡过程终了时被控变量的新稳定值过渡过程

12、终了时被控变量的新稳定值 与给定值之偏差与给定值之偏差 C=205C=205 200=5200=5（）C=0 C=0 为无差调节系统为无差调节系统 C0 C0 为有差调节系统为有差调节系统 本讲稿第十五页，共十八页5 5、稳定时间、稳定时间从干扰作用发生时刻起，直到建立从干扰作用发生时刻起，直到建立 新的平衡状态所需的时间。新的平衡状态所需的时间。表示法：表示法：22min 22min（2%2%）6 6、振荡周期或频率、振荡周期或频率过渡过程同向两个波峰间间隔时过渡过程同向两个波峰间间隔时 间为周期，周期的倒数为频率。间为周期，周期的倒数为频率。T=20-5=15T=20-5=15（minmi

13、n）f=1/T=1/f=1/T=1/（60156015）0.0011(Hz)0.0011(Hz)综合以上指标，对调节过程的调节效果进行评价时，一般可从综合以上指标，对调节过程的调节效果进行评价时，一般可从稳定性、稳定性、准确性准确性和和快速性快速性三方面考虑。这三方面往往相互矛盾。稳定性是首要三方面考虑。这三方面往往相互矛盾。稳定性是首要考虑的因素，一般要求被控变量波动具有一定的衰减比（考虑的因素，一般要求被控变量波动具有一定的衰减比（4 4：1 11010：1 1），），也即经过一到两个周期后就看不出明显的波动了，在稳定的前提下尽量满足也即经过一到两个周期后就看不出明显的波动了，在稳定的前提

14、下尽量满足准确性和快速性的要求。准确性和快速性的要求。本讲稿第十六页，共十八页第三节 被控对象特性 所谓所谓被控对象特性被控对象特性，就是指对象各个输入量与输出量之间的函数关系。，就是指对象各个输入量与输出量之间的函数关系。以被控量作为输出，以操纵量以被控量作为输出，以操纵量(或控制作用或控制作用)作为输入，则它们之间的作为输入，则它们之间的关系称为对象的关系称为对象的控制通道特性控制通道特性；若以被控量作为输出，以扰动量作为；若以被控量作为输出，以扰动量作为输入，则它们之间的关系称为对象的输入，则它们之间的关系称为对象的扰动或干扰通道特性扰动或干扰通道特性。被控对象的控制通道与扰动通道被控对象的控制通道与扰动通道被控量被控量干干扰扰操纵量操纵量控制通道控制通道干扰通道干扰通道本讲稿第十七页，共十八页第四节 被控过程的数学模型 v数学模型：输出与输入间关系的数学描述。数学模型：输出与输入间关系的数学描述。v模型分类：模型分类：动态与静态动态与静态(稳态稳态)模型；【是否随时间而变】模型；【是否随时间而变】参数模型与非参数模型。【是否用数学方程式参数模型与非参数模型。【是否用数学方程式描述】描述】v建模方法：建模方法：机理建模；【根据内部机理求得】机理建模；【根据内部机理求得】实验建模。【根据实验获取】实验建模。【根据实验获取】本讲稿第十八页，共十八页