第一章过程控制基本概念知识讲解.ppt

过程控制系统主要的教学内容主要的教学内容第一章过程控制的基本概念1.1工业过程控制系统What’sprocesscontrolsystems?石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡
胶，合成氨
电力：火电厂
冶金：冶金加热炉，热处理炉
生化：啤酒，制药
轻工：食品，漂染
环境：水处理，大气监测
其它：农业，养殖业，…例1.1加热器的温度控制（见图1.1）例1.2换热器的温度控制（见图1.3）到底什么样的结构是过程控制系统呢？过程控制系统的基本组成
被控对象
传感器和变送器
控制器
执行器常用术语
被控对象(Process/Object)：被控制的设备或装置
被控变量(ControlledVariable)：需要对其进行控制的工艺变量
扰动(Disturbance)：影响被控变量的各种扰动作用
操纵变量(ManipulatedVariable)：受执行机构操纵用于克服扰动影响的变量
测量值(Measurement)：被控变量经检测变送后即是测量值
给定值(SetPoint)：即被控变量的设定值
偏差值(Error)：被控量的给定值与测量值之差
为什么要采用过程控制？
安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；
稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；
经济性：实现效益最大化或成本最小化。
过程控制系统的特点
被控对象的多样性
对象动态特性存在滞后和非线性
控制方案丰富多样
有多个过程检测控制仪表

过程控制系统的目标：
在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。
过程控制系统的分类
按调节器的控制规律分：P、PI、PD、PID等
按被控量的多少分：单变量和多变量控制系统
按系统的复杂程度来分：单回路和多回路系统
按系统的结构特点来分：反馈控制，前馈控制，复合控制(前馈-反馈控制)
…
HowtocontrolaPCsystem?1.2控制规律的选择PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构。
在很多情形下，PID控制可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。
PID不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。
PID控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。1.2控制规律的选择PID：ProportionalIntegralDerivative1.2.1比例作用（P）
控制器输出信号u(t)与误差信号e(t)成比例关系，即：

其中δ称为比例带/比例度。例1.3换热器的温度控制系统直线1：是比例调节器的静特性,即调节阀开度随水温变化的情况.δ↑,斜率↑
曲线2和3：分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性,他们表示加热器在没有调节器控制时,在不同流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系直线1与直线2的交点O：代表在热水流量为Q0，在P调节下的稳态运行点。此时出口水温为θ0，调节阀开度为u0.
若热水流量减小为Q1，则调节过程结束后，新的稳态点将是直线1与3的交点A。
P调节下残差为:θA-θ0
无调节下:θB-θ0
残差的计算:1.2.2积分作用（I）
积分控制是控制器的输出变化率与误差成正比，即：比例积分作用（PI）
30残差的消除是PI调节器积分动作的结果．比例部分的阀位输出μp在调节过程的初始阶段起较大作用,调节过程结束后返回到扰动发生前的数值.μp=Kce,当调节过程结束后，e=0,则μp=0,回到原来的位置．1.2.3微分作用（D）
微分控制是指调节器的输出与被调量或其偏差对时间的导数成正比，即：式中TD—微分时间1.2控制规律的选择-PID控制 δ越小(Kc越大)，比例作用越强;TI越小,积分作用越强;TD越大,微分作用越强;TD＝0,则为PI控制;TI＝∞,则为PD控制.
小结积分饱和的定义：由于积分过量造成的控制不及时现象称为积分饱和。
原因：
误差长时间存在
积分区间误差太大
危害
使调节系统失去调节作用
调节不及时易造成事故1.3积分饱和现象与抗饱和方案过程控制系统1.4控制器参数整定与系统性能评估1.4控制器参数整定与系统性能评估劳斯表例1.5给定如下位置跟踪控制系统结构图，其中
请确定控制器的参数使得系统满足如下设计指标：
（1）阶跃输入下位置跟踪稳态误差小于10%；
（2）在考虑纯延迟情况下，相位裕度大于50°；
（3）阶跃输入时超调量小于10%。采用比例控制，不考虑纯延迟时系统开环传递函数为：由图可知：在满足稳态误差要求，且未考虑纯延迟情况下，系统相位裕度约为39°。不能满足指标（2）的要求。

如果考虑纯延迟，系统幅频特性不会变化，但相位会进一步滞后，相