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1、过程控制系统与仪表,王再英 陈毅静 编著,例：发电厂示意图,工作目标: 安全生产。 单位电能的能耗。 排出烟气对环境的污染。,通过良好的工业生产过程控制系统实现。,图锅炉工艺流程,汽包,过热蒸汽,饱和蒸汽,炉墙,炉膛,热空气,燃料,过热器,省煤器,热空气送往炉膛,給水G,冷空气,烟气,PM,D,主要调节系统： 1汽包水位调节系统 2燃烧调节系统 3过热蒸汽温度调节系统,燃料,空气,烟气,給水,过热蒸汽,锅炉控制系统例,目录:,第1章 绪论 第2章 检测仪表(2.1,2.4.2) 第3章 控制仪表(3.1) 第4章 执行器及安全栅(4.1) 第5章 被控过程的数学模型 第6章 简单控制系统的设计
2、与参数整定 第7章 复杂控制系统 第8章 先进过程控制技术 第9章 计算机控制系统 第10章 过程控制系统应用实例,主要参考书 施仁， 自动化仪表与过程控制 电子工业出版社 ，2003 侯志林， 过程控制与自动化仪表 机械工业出版社 ，2002 历玉鸣， 化工仪表与自动化 化学工业出版社 ，2003 刘元杨， 自动检测和过程控制 冶金工业出版社 ，2003 金以慧，过程控制 清华大学出版社 ，1998,过程控制相关资源 中国工控网： MATLAB 大观圆：http:/www.matlab- PAControl(过程自动化控制)： http:/ 控制工程：http:/ 工业控制技术国家重点实验室
3、： 中国自动化在线：platform.automation- 理解自控系统的工作原理及各环节的作用，掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过程的影响，能对自动控制系统进行调试和维护。 掌握常见的几种控制方案的原理，系统组成，特点，能对给出的常见的被控过程进行合理系统方案设计。 了解常用过程控制设备，先进过程控制技术（PLC，DCS，现场总线技术等）,第一章绪论 了解过程控制系统的发展历程，特点 理解过程控制系统设计时的性能指标的含义 掌握简单控制系统的组成，过程控制系统的分类,室温控制问题,第1章 绪论,一般简单控制系统的组成（掌握）,过程控制系统的定义： 为实现对某个工艺参数的自动控制，由相
4、互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的 一个整体。,过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。,控制系统由被控对象、检测变送器、控制器和执行器等组成,一般控制系统的组成及框图,控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成,通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象。,一般控制系统的框图,变送器检测液位 控制器对偏差运算 执行器改变操纵变量 试指出被控对象，控制参数（操纵变量），被控参数（被控变量），扰动，并作出系统方框图。,课堂练习1。液位控制系统示例,课堂练习2：储罐液位控制系统,
5、下面给出了两个液位控制系统，（1）试分别指出两个系统的被控对象，被控参数，操纵变量，扰动量。（2）画出系统的方框图。注意：系统的流入量，流出量和系统的输入量，输出量有何区别？,图1,图1方框图,图2方框图,课堂练习3。温度控制系统示例 变送器检测温度 控制器对偏差运算 执行器改变操纵变量 试指出被控对象，控制参数，被控参数，并作出系统方框图,1.1 过程控制的特点（了解） 过程控制系统具有以下特点： 1控制对象复杂、控制要求多样 2控制方案丰富（单回路，串级，前馈，比值，均匀，选择，分程，解耦控制） 3控制对象大多属于慢过程 4大多数工艺要求定值控制 5大多使用标准化的检测、控制仪表及装置,1
6、.2 过程控制的发展概况（了解） 1.2.1过程控制装置与系统的发展过程 1局部自动化阶段 （20世纪 5060年代）,2模拟单元仪表控制阶段（20世纪6070年代）,3计算机控制阶段（20世纪70年代中期至今）,直接数字控制（ DDC， Direct Digital Control ）一台计算机取代所有回路的控制仪表 集散型控制系统（ DCS， Distributed Control System）集中管理，分散控制” 的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，集中、分散相结合 现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System)。,1.2.2过程控制策略与算法发
7、展（理解） 简单控制以经典控制理论为基础的PID （Proportional Integral Derivative）控制算法 复杂控制由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、Smith预估控制及选择性控制等控制策略。 先进过程控制现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。,先进控制（Advanced Process Control-APC),各种先进控制策略,西安仪表厂,渭河电厂,巴基斯坦古杜电厂,核电厂,新疆炼油厂,哈尔滨伊兰煤气,污水处理厂,哈尔滨第三水厂,扬子石化,兰州石化,自来水厂,控制柜,控制
8、柜触摸显示屏,控制柜内部,控制柜内PLC,过程控制实验室,1. 按设定值的形式分类 1）定值控制系统 设定值恒定不变。 2）随动控制系统设定值随时可能变化。 3）程序控制系统设定值按预定的时间程序变化。,给定值,被控变量,干扰f,控制器,变送器,执行器,被控对象,+,e,实测值,1.3 过程控制系统分类及其性能指标（掌握） 1.3.1过程控制系统的分类,2. 按系统的结构特点分类 1）反馈控制系统（闭环控制系统）,2）前馈控制系统（开环控制系统）,3）复合控制系统,前馈-反馈复合控制系统原理框图,1.3.2.1稳态与动态 1、稳态把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态）。 静态特
9、性静态时系统各环节的输入输出关系。,1.3.2过程控制系统的性能指标,2、动态把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。 动态特性在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。,系统扰动,1.3.2.2控制系统的过渡过程 控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。,系统的过渡响应受内部和外部两种因素的影响。,给定值,被控量,干扰f,控制器,传感器,执行器,被控对象,+,e,实测值,内部因素：系统特性 外部因素：输入信号 。,如图，输入信号在 t = 0时，阶跃上升幅度为 A ，其后保持。表达为,f (t) = A ( t ),特定的
10、输入信号-阶跃信号,-阶跃信号,在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：,振荡衰减过程,单调衰减过程,等幅振荡过程,振荡发散过程,过渡过程的分类 （1）稳定的过渡过程 单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。,（2）不稳定过渡过程 发散振荡过程 （3）临界过渡过程,(a)干扰阶跃响应,给定值,被控变量,干扰f,控制器,传感器,执行器,被控对象,+,e,实测值,1.3.2.3控制系统的性能指标,给定值,被控变量,干扰f,控制器,传感器,执行器,被控对象,+,e,实测值,t,1）衰减比n和衰减率稳定程度,图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线,y,r,y1,y3,C,y
11、(),Tp,TS,T,t,1. 系统阶跃响应的单项性能指标,2）最大动态偏差A和超调量,A,3）余差C,静差（稳态误差),4）调节时间Ts和振荡频率,峰值时间Tp（又称上升时间），,例 某换热器的温度控制系统给定值为200 。 在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。 解：,最大偏差 A = 230-200 = 30 余差 C= 205-200 = 5 衰减比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1,振荡周期 T = 20 5 = 15 （min） 设被控变量进入稳态值的土2，就认为过渡过程结束，则误差区域=205 （ 2） 4.1 调节
12、时间 Ts = 22min,控制系统的单项品质指标小结 稳定性 衰减比n = 4:110:1最佳 准确性 余差C小好 最大偏差 A 小好 快速性 过渡时间 Ts 短好 振荡周期 T 短好,2. 系统阶跃响应的综合性能指标偏差积分,偏差积分IE（Integral of Error）,t,绝对偏差积分IAE （Integral Absolute value of Error）,平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）,时间与绝对偏差乘积积分ITAE （Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error
13、）,学习本课程的目的,了解工艺参数的基本测量方法和测量仪表的工作原理，能正确使用自动化仪表。 理解自控系统的工作原理及各环节的作用，掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过程的影响，能对自动控制系统进行调试和维护。 掌握常见的几种控制方案的原理，系统组成，特点，能对给出的常见的被控过程进行合理系统方案设计。,什么是定值控制系统？对于定值控制系统来说，系统的输入量是什么？,2乙炔发生器是利用电石和水来生产乙炔气的装置。为了降低电石消耗量，提高乙炔气的收率，确保生产安全，故设计如图所示温度控制系统。生产要求发生器温度控制在801。试画出温度控制系统的方框图。并指出图中的被控对象，被调参数，调节参数。,乙炔发生器温度控制,思考题与习题1-2.1-4.1-10 P12,