過(guò)程控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

1、過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制的主要控制對(duì)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(yùn)行正常且具有一定的穩(wěn)定裕度，通?？扇∷p比作為穩(wěn)定指標(biāo)，隨動(dòng)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(guò)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(biāo)的要求基礎(chǔ)上，根據(jù)安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)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(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，提出合理的控制方案，設(shè)計(jì)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，選擇最優(yōu)的控制器

2、參數(shù)及生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方案等！過(guò)程控制系統(tǒng)的基本要求：安全性:一個(gè)控制系統(tǒng)的必要條件，無(wú)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(guò)程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的要求經(jīng)濟(jì)性：隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)程控制系統(tǒng)的組成：被控對(duì)象（過(guò)程）:指需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備或裝置。如鍋爐鍋筒、水槽被控變量（被控量）:被控對(duì)象中要控制的某個(gè)物理量或生產(chǎn)過(guò)程中的某個(gè)參數(shù)，如加熱爐的溫度、水槽的液位檢測(cè)和變送器:用于檢測(cè)被控對(duì)象的被控量，并將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出控制器（調(diào)節(jié)器）:將檢測(cè)信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)

3、行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)，按一定的控制規(guī)律對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)輸出到執(zhí)行器執(zhí)行器：將控制信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換為控制操縱變量的執(zhí)行信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)控制閥。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制閥：接受執(zhí)行器的輸出信號(hào)變換為控制進(jìn)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(hào)稱為干擾或者擾動(dòng)，內(nèi)干擾，外干擾偏差：被控量的給定量與實(shí)際量之差，但能夠直接得到的信號(hào)是被控量的測(cè)量值，通常把給定值與測(cè)量值之差成為偏差輔助裝置：報(bào)警裝置，連鎖保護(hù)裝置過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 1.被控對(duì)象的多樣性:過(guò)程控制設(shè)計(jì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域（如石油，化工，冶金，機(jī)械，電力，建材等領(lǐng)域） 2.對(duì)象特性的難辨性：過(guò)程控制被控對(duì)象的內(nèi)在

4、機(jī)理較為復(fù)雜，具有嚴(yán)重的非線性，具有多變量過(guò)程，要想完全從機(jī)理上揭示其內(nèi)在規(guī)律，幾乎不可能，所以，根據(jù)過(guò)程輸入、輸出數(shù)據(jù)確定過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的系統(tǒng)辨識(shí)方法建模，構(gòu)成白箱模型，黑箱模型和灰箱模型。 3.對(duì)象滯后與耦合：被控量具有較大的慣性，被控對(duì)象往往具有純滯后性。滯后對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)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(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。被控量與控制量之間呈現(xiàn)出交互影響的關(guān)系，每個(gè)控制量的變化引起幾個(gè)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(lái)就是非線性的，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(duì)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(jí)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(jì)算機(jī)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(guò)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(guò)程：過(guò)程控制的被控對(duì)象往往具有很大的儲(chǔ)蓄容積，導(dǎo)致被控量變化十分緩慢。8.容錯(cuò)性：對(duì)復(fù)雜（如非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動(dòng)等）控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。過(guò)程系統(tǒng)的性能指標(biāo)：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(shí)際過(guò)程系統(tǒng)工作環(huán)境、參數(shù)、原料等的變化，對(duì)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(zhǔn)確性：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)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(biāo)，通常希望靜態(tài)偏差盡可能小。快速性：控制系統(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(shí)域控制性能指標(biāo)： 以二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)輸出為例 ; ； :為系統(tǒng)的無(wú)阻尼自然振蕩角頻率 ：阻尼比 ：系統(tǒng)的振蕩周期上升時(shí)間 峰值時(shí)間: ( 為第 個(gè)峰值，峰值時(shí)間 為第一個(gè)峰值時(shí)間)最大超調(diào)量: 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（

7、調(diào)節(jié)時(shí)間）: 若取 ，并忽略時(shí)，則得 若取 ，并忽略時(shí)，則得 Overshoot:超調(diào)量； ：穩(wěn)態(tài)值； Peak time:峰值時(shí)間；Rise time: 上升時(shí)間 Setting time:調(diào)節(jié)時(shí)間 y(t)：輸出值 :峰值1. 衰減比（穩(wěn)定性） 定義為兩個(gè)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(dòng)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(dāng) 時(shí)， ）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(guò)一個(gè)周期，輸出響應(yīng)曲線波動(dòng)幅值衰減的百分?jǐn)?shù)。3. 余差（靜態(tài)偏差）C（準(zhǔn)

8、確性）余差是指輸出系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)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(zhǔn)確性指標(biāo)，對(duì)于定值或者隨動(dòng)系統(tǒng)，一般要求余差為零或小于工藝設(shè)計(jì)范圍4最大動(dòng)態(tài)偏差（最大超調(diào)量Overshoot）(動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性)最大動(dòng)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(duì)百分?jǐn)?shù)構(gòu)成系統(tǒng)的最大超調(diào)量 5.調(diào)節(jié)時(shí)間（過(guò)渡過(guò)程時(shí)間）（快速性）調(diào)節(jié)時(shí)間反映了控制系統(tǒng)的快速性，調(diào)節(jié)時(shí)間 越短，表明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，系統(tǒng)克服擾動(dòng)信號(hào)的能力越強(qiáng)綜合性能指標(biāo)： 控制系統(tǒng)除上述單項(xiàng)控制性能指標(biāo)外，也采用綜合控制性能指標(biāo)來(lái)衡量控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，常采用偏差積分性能指標(biāo)偏差積分（IE）偏差絕對(duì)積分（IAE） 該綜合性能指

9、適用于衰減和無(wú)靜差系統(tǒng)偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分(ITEA) 該綜合性能指標(biāo)既包含了控制系統(tǒng)初始大誤差對(duì)性能指標(biāo)影響，有同時(shí)強(qiáng)調(diào)了過(guò)渡過(guò)程后期的誤差對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響偏差二次方差積分(ISE) 該積分性能指標(biāo)重點(diǎn)考慮抑制過(guò)渡過(guò)程中的大偏差名詞解釋無(wú)靜差調(diào)節(jié)（無(wú)差）：無(wú)靜差是系統(tǒng)的被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時(shí)等于系統(tǒng)的給定量，偏差為零，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)與負(fù)載無(wú)關(guān)，只取決于給定量。有靜差就是被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時(shí)與給定量存在一定的差量通常，伺服系統(tǒng)為無(wú)靜差系統(tǒng)，而自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為有靜差系統(tǒng)。對(duì)于無(wú)靜差系統(tǒng)，無(wú)靜差性是相對(duì)于某種特定形式的輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用而言的。一個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)于單位階躍函數(shù)（見拉普拉斯變換）的輸入信

10、號(hào)或擾動(dòng)作用是無(wú)靜差的，并不表示它對(duì)單位斜坡函數(shù)的輸入或擾擾動(dòng)也是無(wú)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(dāng) 和均無(wú)量綱（采用計(jì)算機(jī)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(dāng)偏差處在這個(gè)范圍以內(nèi)時(shí)，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(shí)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(guò)測(cè)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(hào)，

11、進(jìn)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(dá)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(duì)具有大慣性和純滯后時(shí)間常數(shù)較大的時(shí)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(dòng)信號(hào)的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)，如果被控過(guò)程有嚴(yán)重的可測(cè)、可控的擾動(dòng)信號(hào)，前饋控制可以利用干擾信號(hào)直接產(chǎn)生控制輸出，以減少干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響，它應(yīng)用的是補(bǔ)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(diǎn)是不存在閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)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