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1、1自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 l自动化：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。2过程控制运动控制自动化电力电力冶金冶金石油石油煤炭煤炭钢铁钢铁化工化工3l过程控制过程控制-泛指石油、化工、电力、冶金、核能泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成值等过程
2、变量，是自动化技术的重要组成部分。部分。l作用作用-在现代工业生产过程自动化中，过程控制在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。环境卫生等方面起着越来越大的作用。4l自动化仪表自动化仪表 用于用于生产过程自动化生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。企业自动化的必要手段和技术工具。l特点特点 兼容性、统一标准兼容性、统一标准5系统由被控过
3、程与系列化生产的自动化仪表组成特点16特点2 被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计某自治区“十二五”循环经济发展规划 煤电化体化循环经济链条7特点3 控制方案丰富多彩，控制要求越来越高单输入/单输出系统多输入/多输出系统自适应控制预测控制分布参数控制非线性控制连续搅拌釜模型8特点4 控制过程大多属于慢变过程与参量控制大惯性大时延（滞后）温度压力物位流量特点5 定值控制是过程控制的主要形式9(中国)特点6 相关企业污染严重10特点7：工业4.0SIMATIC PCS 71112王宇雷，男，1985年生，吉林大学，通信工程学院控制理论与控制工程系讲师。2004/09-2008/06，南开大学学士
4、；2008/09-2013/10，哈尔滨工业大学，航天学院控制科学与工程专业，博士。2010年至2012年在德国杜伊斯堡埃森大学AKS研究中心联合培养。自2013年起，在吉林大学从事汽车仿真与控制等的教学和科研工作。先后发表学术论文20篇，其中SCI收录5篇，EI收录14篇，核心收录2篇。我在日内瓦车展上课时间：周二第周二第5、6节节第第1-10周周周四第周四第5、6节节第第1-10周周上课地点：南岭一教南岭一教 301过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表实验课实验课 第第11-14周周具体时间另行通知13l参考书1.自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.72.自动
5、化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.23.自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出版社. 2005.34.过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社. 2008.514 1.课堂测验 20%2.实验报告 10%3.期末考试 70% 1.成绩高斯分布2.平均值70分上下3.不及格率10%左右回顾回顾l控制方向分为运动控制运动控制与过程控制过程控制l过程控制的被控量：压力、液位、流量、温度、压力、液位、流量、温度、PH值值等过程变量等过程变量l过程控制仪表：调节器（控制器）、执行器、安全栅调节器（控制器）、执行器、安全栅等等仪表仪表l被控过程
6、复杂性：基于系统辨识的控制策略：基于系统辨识的控制策略1516l所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置 (控制装置) ,使机器、设备或生产过程 (控制对象) 的某个工作状态或参数 (被控量) 自动地按照预定的规律运行。l现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用.如数控车床按预定程序自动切削,人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。第一节第一节 自动控制的基本概念自动控制的基本概念17自动控制的发展历史自动控制的发展历史l第一阶段：上世纪40-60年代，“经典控制理论”，单输入单输出问题，采用传递函数、
7、频域特性、根轨迹为基础的频域分析方法，研究线性定常系统。l第二阶段：上世纪60-70年代，“现代控制理论”，计算机发展驱动空间技术发展，状态空间法-极大值原理、动态规划、卡尔曼滤波。l第三阶段：上世纪70年代末至今。向“大系统理论”和“智能控制”方向发展，随机森林、深度学习和增强学习等智能方法与控制相结合。18第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图 n人工操作与自动控制比较图（液位控制）人工操作与自动控制比较图（液位控制）图1-1 人工操作图图1-2 液位自动控制系统图控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要19自
8、动控制系统的组成自动控制系统的组成组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器20液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图l在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。l下图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。图1-3 液位自动控制系统方块图其中：其中：x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反
9、馈。21图1-2 液位自动控制系统流程图流程图图1-3 液位自动控制系统方块图系统方块图出料流量液位高度数字信号数字信号22图1-4 蒸汽加热器温度控制系统流程图图1-5 加热炉过程控制系统流程图l画系统控制方块图23l注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。n方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。n工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。n自动控制系统通常是一个闭环系统。24l小结l自动控制系统应是
10、具有被控变量负反馈的闭环系统。 l与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。举例举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数操纵指令操纵指令25开环系统开环系统：自动机在操作时，自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工
11、况地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭环系统闭环系统：有针对性有针对性地根据被控变量的变地根据被控变量的变化情况而改变控制作化情况而改变控制作用的大小和方向，从用的大小和方向，从而使系统的工作状态而使系统的工作状态始终等于或接近于所始终等于或接近于所希望的状态。希望的状态。26第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类l几种分类方法l按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；l按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；l将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统
12、分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍27 “定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。13 给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。283.3.程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统） 给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。29第四节第四节 控制系统的过渡过程和品质目标控制系
13、统的过渡过程和品质目标当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。 l一、控制系统的静态与动态自动控制目的：自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。 静态静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化被控变量不随时间
14、而变化的平衡状态（变化率为率为0 0，不是静止）。，不是静止）。30动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态被控变量随时间变化的不平衡状态 。 从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。31l二、控制系统的过渡过程l系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状系统由一个
15、平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。态的过程。 当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例举例图1-6 控制系统方块图32干扰形式干扰形式l系统在过渡过程中，被控变量是随时间变系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的决于作用于系统的干扰形式干扰形式。其次。其次l在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定系统时，为了安全和
16、方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰阶跃干扰。 33采用阶跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。图1-7 阶跃干扰作用34l 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程非周期衰减过程衰减震荡过程衰减震荡过程等幅震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程发散震荡过程X X？对于控制质量要求不对于控制质量要求不高的场合，如果被控高的场合，如果被控变量允许在工艺许可变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要的范围内振荡（主要指在位式控制时），指在位式控制时），才可采用。才可采用。 2023-2-2235预备知识一、控制系统的运动微分方程二、非线性数学模型的线性化三、拉氏变换和拉氏反变换四、传递函数五、系统方框图和信号流图六、控制系统传递函数推导举例、数学模型的基本概念 微分方程微分方程 传递函数传递函数 脉冲响应函数脉冲响应函数36原函数（微分方程的解）象函数
