過程控制系統(tǒng)的簡介

1、過程控制系統(tǒng)過程控制的主要控制對象：溫度（ Temperature），壓力（Pressure），液位（Liquid level），成分（Component）和物性（Physical property）等參數(shù)控制系統(tǒng)首要的要求：系統(tǒng)穩(wěn)定性，所有參數(shù)必須保證系統(tǒng)能夠運行正常且具有一定的穩(wěn)定裕度，通常可取衰減比作為穩(wěn)定指標，隨動系統(tǒng)，常取衰減比為10:1；定值系統(tǒng)常取衰減比為4:1；過程控制的任務(wù):在了解，掌握生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)綜合指標的要求基礎(chǔ)上，根據(jù)安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性的要求，應(yīng)用控制理論、最優(yōu)控制、系統(tǒng)論的理論知識對系統(tǒng)進行分析與設(shè)計，提出合理的控制方案，設(shè)計報警和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，選擇最優(yōu)的控制器

2、參數(shù)及生產(chǎn)過程現(xiàn)場調(diào)試方案等！過程控制系統(tǒng)的基本要求：安全性:一個控制系統(tǒng)的必要條件，無安全性保證不談控制系統(tǒng)穩(wěn)定性：如何有效抑制或減小系統(tǒng)外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運行的是設(shè)計控制系統(tǒng)的要求經(jīng)濟性：隨著市場競爭力以及資源匱乏的情況下，在滿足安全性及穩(wěn)定性的前提下，要求控制系統(tǒng)低成本，高效益過程控制系統(tǒng)的組成：被控對象（過程）:指需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或裝置。如鍋爐鍋筒、水槽被控變量（被控量）:被控對象中要控制的某個物理量或生產(chǎn)過程中的某個參數(shù)，如加熱爐的溫度、水槽的液位檢測和變送器:用于檢測被控對象的被控量，并將檢測信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準電信號輸出控制器（調(diào)節(jié)器）:將檢測信號與設(shè)定值信號進

3、行比較，產(chǎn)生偏差信號，按一定的控制規(guī)律對偏差信號進行運算，產(chǎn)生控制信號輸出到執(zhí)行器執(zhí)行器：將控制信號進行放大，轉(zhuǎn)換為控制操縱變量的執(zhí)行信號，以驅(qū)動控制閥。氣動調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥控制閥：接受執(zhí)行器的輸出信號變換為控制進給量。有氣開閥和氣關(guān)閥干擾：凡是影響被控量的各種作用信號稱為干擾或者擾動，內(nèi)干擾，外干擾偏差：被控量的給定量與實際量之差，但能夠直接得到的信號是被控量的測量值，通常把給定值與測量值之差成為偏差輔助裝置：報警裝置，連鎖保護裝置過程控制系統(tǒng)的特點： 1.被控對象的多樣性:過程控制設(shè)計各個工業(yè)領(lǐng)域（如石油，化工，冶金，機械，電力，建材等領(lǐng)域） 2.對象特性的難辨性：過程控制被控對象的內(nèi)在

4、機理較為復(fù)雜，具有嚴重的非線性，具有多變量過程，要想完全從機理上揭示其內(nèi)在規(guī)律，幾乎不可能，所以，根據(jù)過程輸入、輸出數(shù)據(jù)確定過程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的系統(tǒng)辨識方法建模，構(gòu)成白箱模型，黑箱模型和灰箱模型。 3.對象滯后與耦合：被控量具有較大的慣性，被控對象往往具有純滯后性。滯后對于調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生不利的影響，它將降低調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大調(diào)節(jié)參數(shù)的偏差，延長調(diào)節(jié)時間。被控量與控制量之間呈現(xiàn)出交互影響的關(guān)系，每個控制量的變化引起幾個被控量的變化，形成控制量的被控量的耦合。4.特性往往具有非線性:客觀世界本來就是非線性的，工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多數(shù)是非線性的，非線性是控制系統(tǒng)中普遍存在的系統(tǒng)特性。5.控制方案的

5、多樣性：控制對象的多樣性決定了控制方案的多樣性，出現(xiàn)了單回路控制、串級控制、前饋-反饋控制、比值控制、均勻控制、分程控制、選擇性控制、智能控制（專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）、數(shù)字和計算機控制系統(tǒng)等6.定制系統(tǒng)主要是控制形式：大多數(shù)生產(chǎn)過程中被控量的設(shè)定值為一定值，控制的目的是使系統(tǒng)盡快減小或消除干擾的影響，使被控量保持或接近設(shè)定值，即系統(tǒng)為定值控制7.系統(tǒng)多屬于慢變化過程：過程控制的被控對象往往具有很大的儲蓄容積，導(dǎo)致被控量變化十分緩慢。8.容錯性：對復(fù)雜（如非線性、快時變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動等）控制系統(tǒng)來說，能進行有效的全局控制，并具有較強的容錯能力。過程系統(tǒng)的性能指標：穩(wěn)定性：穩(wěn)

6、定性是控制系統(tǒng)的首要要求，并且考慮到實際過程系統(tǒng)工作環(huán)境、參數(shù)、原料等的變化，對系統(tǒng)除要求穩(wěn)定外，還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。準確性：系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，控制系統(tǒng)被控量與設(shè)定值之間的偏差是衡量系統(tǒng)性能的重要指標，通常希望靜態(tài)偏差盡可能小?？焖傩裕嚎刂葡到y(tǒng)受到干擾影響后，系統(tǒng)是否可迅速做出響應(yīng)，根據(jù)偏差調(diào)節(jié)操縱變量是被控量與設(shè)定值之間的偏差盡快地減小，并且被控量在工藝要求范圍內(nèi)變化。時域控制性能指標： 以二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)輸出為例 ; ； :為系統(tǒng)的無阻尼自然振蕩角頻率 ：阻尼比 ：系統(tǒng)的振蕩周期上升時間 峰值時間: ( 為第 個峰值，峰值時間 為第一個峰值時間)最大超調(diào)量: 過渡過程時間（

7、調(diào)節(jié)時間）: 若取 ，并忽略時，則得 若取 ，并忽略時，則得 Overshoot:超調(diào)量； ：穩(wěn)態(tài)值； Peak time:峰值時間；Rise time: 上升時間 Setting time:調(diào)節(jié)時間 y(t)：輸出值 :峰值1. 衰減比（穩(wěn)定性） 定義為兩個相鄰的同相波峰值之比 ,衰減比越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)為衰減振蕩系統(tǒng)的響應(yīng)為等幅振蕩 系統(tǒng)的響應(yīng)為發(fā)散振蕩一般隨動系統(tǒng)，常取衰減比為10:1；定值系統(tǒng)常取衰減比為4:1；2. 衰減率（快速性） （一般當 時， ）衰減率也用于快速控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的衡量。衰減率是指每經(jīng)過一個周期，輸出響應(yīng)曲線波動幅值衰減的百分數(shù)。3. 余差（靜態(tài)偏差）C（準

8、確性）余差是指輸出系統(tǒng)的過渡過程穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差。余差是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性指標，對于定值或者隨動系統(tǒng)，一般要求余差為零或小于工藝設(shè)計范圍4最大動態(tài)偏差（最大超調(diào)量Overshoot）(動態(tài)穩(wěn)定性)最大動態(tài)偏差是指系統(tǒng)輸出量的最大值與輸出的穩(wěn)定值之差其與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對百分數(shù)構(gòu)成系統(tǒng)的最大超調(diào)量 5.調(diào)節(jié)時間（過渡過程時間）（快速性）調(diào)節(jié)時間反映了控制系統(tǒng)的快速性，調(diào)節(jié)時間 越短，表明系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)越快，系統(tǒng)克服擾動信號的能力越強綜合性能指標： 控制系統(tǒng)除上述單項控制性能指標外，也采用綜合控制性能指標來衡量控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，常采用偏差積分性能指標偏差積分（IE）偏差絕對積分（IAE） 該綜合性能指

9、適用于衰減和無靜差系統(tǒng)偏差絕對值與時間乘積的積分(ITEA) 該綜合性能指標既包含了控制系統(tǒng)初始大誤差對性能指標影響，有同時強調(diào)了過渡過程后期的誤差對系統(tǒng)性能指標的影響偏差二次方差積分(ISE) 該積分性能指標重點考慮抑制過渡過程中的大偏差名詞解釋無靜差調(diào)節(jié)（無差）：無靜差是系統(tǒng)的被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時等于系統(tǒng)的給定量，偏差為零，電動機的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時與負載無關(guān)，只取決于給定量。有靜差就是被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時與給定量存在一定的差量通常，伺服系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)，而自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)為有靜差系統(tǒng)。對于無靜差系統(tǒng)，無靜差性是相對于某種特定形式的輸入信號或擾動作用而言的。一個控制系統(tǒng)對于單位階躍函數(shù)（見拉普拉斯變換）的輸入信

10、號或擾動作用是無靜差的，并不表示它對單位斜坡函數(shù)的輸入或擾擾動也是無靜差的比例度（比例帶）：比例度 表示比例控制輸出與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入（偏差）的范圍 當 和均無量綱（采用計算機控制），則 故此： （由此可見，比例度與比例系數(shù)成反比）比例度的物理含義：如果 直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，那么 表示調(diào)節(jié)閥開度改變100%，即從全關(guān)到全開所需被調(diào)量的變化范圍。只有當偏差處在這個范圍以內(nèi)時，調(diào)節(jié)閥的開度才與偏差成正比。超出比例帶外，調(diào)節(jié)閥已處于全關(guān)或全開的狀態(tài)，此時調(diào)節(jié)閥的輸入輸出已不再保持比例關(guān)系！反饋控制系統(tǒng)：反饋系統(tǒng)通過測量系統(tǒng)的輸出值、反饋到系統(tǒng)的輸入端與設(shè)定值比較，產(chǎn)生偏差信號，

11、進行系統(tǒng)控制，系統(tǒng)輸入端與輸出端之間不僅存在輸入到輸出的前向通道，還存在輸出到輸入的反饋通道，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是利用偏差糾正偏差，即偏差值是控制的依據(jù)，控制的目的是達到減小或消除誤差，控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應(yīng)能力。由于反饋系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后再產(chǎn)生,因此對具有大慣性和純滯后時間常數(shù)較大的時變系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)：前饋控制是一種利用輸入或者擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)，如果被控過程有嚴重的可測、可控的擾動信號，前饋控制可以利用干擾信號直接產(chǎn)生控制輸出，以減少干擾對控制系統(tǒng)的影響，它應(yīng)用的是補償原理，前饋控制能有效改善控制系統(tǒng)的性能 前饋控制是一種開環(huán)控制方法，開環(huán)控制的優(yōu)點是不存在閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，但它要求模型精確，且不能消除余差復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系