工业电气自动化过程控制(精).ppt

工业电气自动化工业电气自动化过程控制过程控制电信学院电信学院2002级级 电气自动化专业电气自动化专业教教 师师:王王 玉玉联系方式：联系方式：1工业电气自动化过程控制课程安排课程安排简单控制系统简单控制系统复杂控制系统复杂控制系统 过程控制仪表过程控制仪表 典型控制系统实例典型控制系统实例 过程控制单元过程控制单元 模拟式模拟式数字式数字式例：化工生产例：化工生产选料、配料、输送进入反应装置、选料、配料、输送进入反应装置、反应、输出产品反应、输出产品2工业电气自动化过程控制第一章第一章 绪论绪论过程控制的概念过程控制的概念 采用数字或模拟控制方式对生产过程的某采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制。3工业电气自动化过程控制被控参数种类被控参数种类 温度温度 压力压力 流量流量 液位液位(容器中液体的高度或者液面的位置容器中液体的高度或者液面的位置)成分（产品组成成份等）成分（产品组成成份等）物性（粘度，密度等）物性（粘度，密度等）4工业电气自动化过程控制2020世纪世纪4040年代以前年代以前工业生产大多处于手工操作工业生产大多处于手工操作1 1、局部自动化局部自动化(20(20世纪世纪50506060年代年代)单回路控制系统单回路控制系统气动基地式仪表、气动组合仪表气动基地式仪表、气动组合仪表 根轨迹法和频率法根轨迹法和频率法 19421942年年 PID PID （Proportion Integral DifferentialProportion Integral Differential）1.1 1.1 过程控制的发展过程控制的发展5工业电气自动化过程控制2 2、集中控制阶段、集中控制阶段(20(20世纪世纪60607070年代年代)电子仪表电子仪表 计算机使用计算机使用 复杂的控制（串级控制、前馈控制复杂的控制（串级控制、前馈控制）现代控制理论（计算机仿真技术）现代控制理论（计算机仿真技术）3 3、集散控制阶段、集散控制阶段(20(20世纪世纪7070至今至今)DCS(Distributed Control System)DCS(Distributed Control System)集散型控制系统集散型控制系统 网络网络 数字化仪表数字化仪表 先进控制算法和优化控制算法先进控制算法和优化控制算法6工业电气自动化过程控制现代过程控制现代过程控制7工业电气自动化过程控制1.2 1.2 工业生产中的过程控制系统工业生产中的过程控制系统工业生产按工业生产按加工原料分类加工原料分类气体、液体、粉体气体、液体、粉体（石油、化工、制药、轻（石油、化工、制药、轻工、食品、建材）工、食品、建材）已成型的材料已成型的材料8工业电气自动化过程控制1.2 1.2 工业生产中的过程控制系统工业生产中的过程控制系统 1.2.1 1.2.1 液位控制液位控制图图1-1 1-1 人工液位控制人工液位控制 图图1-2 1-2 机械式液位控制机械式液位控制 9工业电气自动化过程控制图图1-3 1-3 实际生产中的液位控制系统实际生产中的液位控制系统 L TL T液位测量及信号变换装置液位测量及信号变换装置浮球浮球L CL C液位调节器液位调节器杠杆杠杆阀门阀门可接受电信号可接受电信号10工业电气自动化过程控制1.2.2 1.2.2 温度控制温度控制 图图1-4 1-4 换热器温度控制系统换热器温度控制系统 TTTT温度测量装置温度测量装置TCTC温度调节器温度调节器 管道11工业电气自动化过程控制1.3 1.3 反馈原理反馈原理 反馈反馈把输出信号回送到系统的输入端，并把输出信号回送到系统的输入端，并送加到输入信号中送加到输入信号中几乎所有的自动控制系统都是负反馈控制系统几乎所有的自动控制系统都是负反馈控制系统 正反馈正反馈电子振荡器、炸弹电子振荡器、炸弹 图图1-5 1-5 反馈原理反馈原理 12工业电气自动化过程控制1.4 1.4 过程控制系统的特点和分类过程控制系统的特点和分类 1.4.1 1.4.1 过程控制的特点过程控制的特点被控过程多样性被控过程多样性系统有众多过程检测仪表、控制仪表系统有众多过程检测仪表、控制仪表控制方案丰富控制方案丰富 多为慢过程参量控制多为慢过程参量控制 过程控制主要控制形式为定值控制过程控制主要控制形式为定值控制 图图1-6 1-6 过程控制系统的框图过程控制系统的框图 13工业电气自动化过程控制1.4.2 1.4.2 过程控制的分类过程控制的分类按工艺分类（不同被控参数）按工艺分类（不同被控参数）温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统按系统调节器的控制规律分类按系统调节器的控制规律分类 比例控制、前馈控制比例控制、前馈控制按给定值分类按给定值分类按系统克服干扰方式分类按系统克服干扰方式分类 14工业电气自动化过程控制一、给定值特点分类一、给定值特点分类 定值控制系统定值控制系统给定值不变或者变化很小的控制系统给定值不变或者变化很小的控制系统 例：空调控制系统例：空调控制系统图图1-7 1-7 空调室温调节控制系统温度曲线空调室温调节控制系统温度曲线 随动控制系统随动控制系统给定值变化的控制系统给定值变化的控制系统 例例1 1：火箭飞行控制：火箭飞行控制 例例2 2：空调设定室内温度比室外温度低：空调设定室内温度比室外温度低55。15工业电气自动化过程控制程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统给定值是随着事先设定好的程序变化给定值是随着事先设定好的程序变化例：电饭锅例：电饭锅图图1-8 1-8 电饭锅温度控制曲线电饭锅温度控制曲线 电饭锅准备电饭锅准备 启动加热启动加热 100 100 恒温阶段恒温阶段 保温保温 自动降温自动降温 （由程序控制完成的）（由程序控制完成的）16工业电气自动化过程控制二、二、按系统克服干扰的方法分类按系统克服干扰的方法分类反馈控制反馈控制测量被控变量，进行给定值比较测量被控变量，进行给定值比较前馈控制前馈控制测量干扰变量，也不进行给定值比较测量干扰变量，也不进行给定值比较前馈控制反馈控制前馈控制反馈控制17工业电气自动化过程控制1.5 1.5 基本概念及术语基本概念及术语 对象对象被控制的物理装置被控制的物理装置被控变量被控变量对象的某个变量对象的某个变量调调节节变变量量对对被被控控装装置置的的被被控控变变量量具具有有较较强强的的直直接接影影响响且且便便于于调调节节的变量。的变量。干扰干扰除了调节变量外，对被控变量具有影响作用的所有变量。除了调节变量外，对被控变量具有影响作用的所有变量。给给定定值值（设设定定值值、期期望望值值）人人们们希希望望控控制制系系统统实实现现的的目目标标，即即被控变量的期望值。被控变量的期望值。偏差偏差设定值或给定值与测量值之差。设定值或给定值与测量值之差。图图1-9 1-9 控制系统方块图控制系统方块图 18工业电气自动化过程控制还有几个基本概念：还有几个基本概念：系统系统按某种划分得到的若干元素的集合。按某种划分得到的若干元素的集合。反馈反馈将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结构和工作方式。将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结构和工作方式。负负反反馈馈使使系系统统输输出出信信号号趋趋于于稳稳定定或或者者说说使使系系统统的的被被控控变变量量与与给给定定值值之差减少的反馈。之差减少的反馈。负反馈控制系统负反馈控制系统具有负反馈作用的控制系统。具有负反馈作用的控制系统。正正反反馈馈使使系系统统输输出出变变量量单单调调变变化化趋趋于于极极限限或或者者说说使使系系统统的的被被控控变变量量与给定值之差不断增大的反馈。与给定值之差不断增大的反馈。开环控制开环控制没有反馈的简单控制。没有反馈的简单控制。例：照明中的调光控制；电风扇的多级速度调节；例：照明中的调光控制；电风扇的多级速度调节；闭环控制闭环控制具有负反馈的控制。具有负反馈的控制。19工业电气自动化过程控制1.6 1.6 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 以被控参数有关的阶跃干扰作为控制系统的输入，得到被控参数的不同以被控参数有关的阶跃干扰作为控制系统的输入，得到被控参数的不同过渡过程曲线。过渡过程曲线。建立统一的衡量指标。建立统一的衡量指标。过渡过程的性能指标过渡过程的性能指标 单位阶跃输入作用单位阶跃输入作用 图图1-101-10a a 过渡过程性能指标示意图（定值）过渡过程性能指标示意图（定值）阶跃干扰阶跃干扰20工业电气自动化过程控制值值过渡过程性质过渡过程性质111衰减衰减表表1-1 1-1 衰减比代表的过渡过程性质衰减比代表的过渡过程性质 1.1.衰减比和衰减率（衰减比和衰减率（衡量振荡的衰减程度衡量振荡的衰减程度）衰减比衰减比衰减率衰减率21工业电气自动化过程控制2 2、最大偏差和超调量、最大偏差和超调量（系统动态准确性的指标）（系统动态准确性的指标）定值系统定值系统 最大偏差：第一个波峰和新稳定值最大偏差：第一个波峰和新稳定值y()y()的差的差随动系统随动系统 超调量：超调量：图图1-101-10b b 过渡过程性能指标示意图（随动）过渡过程性能指标示意图（随动）22工业电气自动化过程控制3 3、余差余差（它是系统稳态准确性的衡量指标）（它是系统稳态准确性的衡量指标）余差余差指过渡过程结束后，被控量新的稳定值指过渡过程结束后，被控量新的稳定值y()y()与与给定值给定值y ys s的差值。的差值。23工业电气自动化过程控制4 4、调节时间（回复时间、过渡时间）、调节时间（回复时间、过渡时间）t ts s 和振荡频率和振荡频率调节时间调节时间t ts s 从过渡过程开始到这个过渡过程从过渡过程开始到这个过渡过程结束的时间结束的时间振荡频率振荡频率 过渡过程中第一个波峰和第二个过渡过程中第一个波峰和第二个波峰之间的时间间隔称为振荡周期波峰之间的时间间隔称为振荡周期T T，它的倒数就它的倒数就是振荡频率。是振荡频率。24工业电气自动化过程控制两个注意和一个提示：两个注意和一个提示：振荡频率同样，衰减比振荡频率同样，衰减比越大，调节时间会相对较短；越大，调节时间会相对较短；衰衰减减比比相相同同，振振荡荡频频率率越越高高，振振荡荡周周期期就就越越短短，调调节节时时间就会越短。间就会越短。调节时间、振荡频率：衡量过程控制系统快速性的指标调节时间、振荡频率：衡量过程控制系统快速性的指标 25工业电气自动化过程控制本章的主要掌握内容本章的主要掌握内容了解过程控制的发展历史了解过程控制的发展历史了解过程控制的几个特点了解过程控制的几个特点了解过程控制的分类了解过程控制的分类掌握过程控制（自动控制）的基本概念掌握过程控制（自动控制）的基本概念掌握过程控制的性能指标掌握过程控制的性能指标过渡过程性能指标过渡过程性能指标26工业电气自动化过程控制例题：例题：某某化学反应器工艺规定，操作温度为化学反应器工艺规定，操作温度为4001540015C C，考虑安全考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值不得超过因素，调节过程中温度偏离给定值不得超过6060C C。现现设计设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰下的过渡过程运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰下的过渡过程曲线如图所示，试求该过渡过程的最大偏差、余差、衰减曲线如图所示，试求该过渡过程的最大偏差、余差、衰减比、过渡时间（按被控变量进入新稳态值的比、过渡时间（按被控变量进入新稳态值的22为准）和为准）和振荡周期，并说明该调节系统能否满足工艺要求。振荡周期，并说明该调节系统能否满足工艺要求。27工业电气自动化过程控制