过程控制系统与仪表全套教案Word格式.doc
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阀门
图1室温人工控制示意图
恒温室
温度计
眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器可接受的信号。
脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行比较（相减求偏差）,并按偏差值计算出控制量。
手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变开度。
人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。
而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。
图2为室温自动控制，自动化仪表代替了人。
送风送风风
1
3
4
M
TC
TT
回水水
热水
2
图2室温自动控制示意图
1—热水加热器；
3—控制器；
2—传感变送器；
4—执行器
过程控制系统的定义：
为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系的自动化仪表、装置及被控对象、工艺设备构成的一个整体。
又称自动控制系统。
在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。
如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调节阀和加热器及房间组成，如图3所示：
给定值
被控变量
干扰f
控制器
变送器
调节阀
加热器及房间
及房间
+
e
实测值
实测实测值值
－
图3室温控制系统组成图
过程控制系统方框图通常用标准名称表示。
如图4所示：
给定值
被控对象及房间
图4过程控制系统方框图
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。
1.1过程控制的特点
1）．控制对象复杂、控制要求多样
2）．控制方案丰富
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）．通常使用标准自动化仪表及装置
1.2过程控制的发展概况
过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。
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50～60年代）
1）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。
2）适用于小规模、局部过程控制。
2．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）
特点：
1）自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。
2）控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。
操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。
3）适用于生产规模较大的多回路控制系统。
3．集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）
计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。
用一台计算机可取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（DDC，DirectDigitalControl）。
但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。
因此，DDC系统并未得到广泛应用。
80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。
基于“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，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS，DistributedControlSystem）。
DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。
得到广泛应用。
随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。
控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）。
FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。
而用开放的、标准化的通信网络——现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息集中管理。
1.2.2过程控制策略与算法发展
伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展历程。
以经典控制理论为基础的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，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。
随着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。
现代自动控制技术的主要特点：
1）、功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和规模越来越大。
2）、技术密集化、系统集成化，是控制技术、通讯技术、计算机技术相结合的产物。
3）、系统的智能化程度日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。
常见的自动化仪表生产企业：
西安仪表厂、四川仪表厂、上海仪表公司、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell、Foxboro等公司。
1.3过程控制系统分类及其性能指标
1.3.1过程控制系统的分类
过程控制系统有多种分类方法。
按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；
按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；
按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。
但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。
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。
2.按系统的结构特点分类
1）反馈控制系统（闭环控制系统）
将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。
如图5所示：
图5反馈控制系统方框图
反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式
2）前馈控制系统（开环控制系统）
控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。
如图6所示：
执行器
被控对象
变送器
干扰f
测量值
图6开环控制系统原理框图
3）复合控制系统
前馈与反馈相结合，优势互补。
如图7所示
加法器
变送器1
控制器2
变送器2
——
控制器1
图7前馈-反馈复合控制系统原理框图
1.3.2过程控制系统的性能指标
当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。
为此，要有评价控制系统的性能指标。
控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。
t
y
1.3.2.1稳态与动态
1、稳态
被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态）。
当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节也都处于稳定状态。
但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了
静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
静态
动态
2、动态
被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。
当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。
动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
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。
1、内部因素：
系统特性
系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。
2、外部因素：
输入信号
在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。
生产中，出现的干扰信号是随机的。
但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。
A
f（t）
时域分析时经常使用阶跃信号。
v阶跃信号变化突然，对被控变量的影响最大。
如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。
v阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
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）=Ae（t）
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：
①单调衰减过程
被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。
②振荡衰减过程
被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。
①
θa
③等幅振荡过程
被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。
④振荡发散过程
被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。
③
④
aaa
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。
被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。
衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。
单调过程的过渡过程较长，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。
2）不稳定的过渡过程
发散振荡过程中，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。
3）临界过渡过程
处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。
只是某些简易的控制系统（如位式控制），只能达到
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