第九章過程控制系統一、組成與分類手動控制自動控制液位控制系統控制系統的組成對象：檢測元件及變送器：控制器：執行器：液位控制系統的組成與方塊圖控制系統方框圖被控變量：給定值（設定值）：測量值：操縱變量（控制變量）：干擾：偏差信號：控制信號：閉環系統：開環系統：反饋：調節器執行器過程測量變送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)過熱蒸汽溫度控制系統TCTT減溫器溫度測量冷水調節器執行器過程測量變送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－液位控制器儲罐HTHC差壓變送器液位調節器執行器調節器執行器過程測量變送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－干擾烤爐溫度控制示意圖調節器執行器過程測量變送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－控制系統的分類定值控制系統：將被控制量保持在某一定值或很小的范圍中的控制系統。程序控制系統：被控量的給定值按預定的時間程序而變化的控制系數。隨動控制系統：被控量的給定值隨時間任意地變化的控制系統。二、過程控制系統的發展概況第一階段（20世紀50年代）：采用基地式儀表和部分單元組合儀表。信號標準：0.2-1.0kgf/cm2。第二階段（20世紀60年代）：采用半導體分立元件制造的電動II型儀表，集中控制，計算機開始應用。信號標準：0-10mADC。第三階段（20世紀70年代）：采用電動III型儀表，DCS和PLC得到應用。信號標準：4-20mADC。第四階段（20世紀80年代）：DCS廣泛應用，自動化儀表數字化、智能化，網絡、通信技術應用。第五階段（20世紀90年代）：現場總線控制系統和智能化儀表。三、過程控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的靜態與動態系統的靜態：被控量不隨時間而變化的平衡狀態。系統的動態：被控量隨時間而變化的不平衡狀態。自動控制系統的過渡過程系統的過渡過程：當系統的輸入發生變化后，被控量隨時間不斷變化的過程。過渡過程的基本形式：發散振蕩等幅振蕩衰減振蕩單調振蕩發散振蕩等幅振蕩衰減振蕩單調振蕩自動控制系統的品質指標衰減比n：振蕩過程的第一個波的振幅與第二個波的振幅之比。衰減率

Φ：經過一個周期后，波動幅度衰減的百分比。 y2 y1最大偏差A：被控參數第一個波的峰值與給定值的差。余差e：系統過渡過程終了時給定值與被控參數穩定值之差。最大偏差給定值余差穩定時間ts：系統過渡過程曲線進入新的穩定值的5%或2%范圍內所需的時間。峰值時間tp：系統過渡過程曲線到達第一個峰值所需的時間，反映系統響應的靈敏程度。給定值tpts余差2%或5%對控制系統的性能要求：穩：動態過程的振蕩傾向和系統重新恢復平衡工作狀態的能力。過程2過程1準：系統過渡到新的平衡工作狀態后或系統受到擾動后重新恢復平衡后，最終保持的精度，反映了動態后期的性能。過程2過程1快：動態過程進行的時間長短，過程時間持續很長，將使系統長時間出現大偏差，同時也說明系統響應很遲鈍，難以復現快速變化的信號。過程2過程1四、過程特性對象特性的類型：指當被控量（操縱變量或擾動變量）發生變化時輸出變量（被控變量）隨時間的變化規律。自衡的非振蕩過程：在階躍作用下，被控變量無須外加任何控制作用、不經振蕩過程能逐漸趨于新的狀態的性質。Q2Q1h1h2液位控制的階躍響應無自衡的非振蕩過程：在階躍作用下，被控變量不能建立新的平衡狀態。有自衡的振蕩過程：在階躍作用下，被控變量出現衰減振蕩過程，最后趨于新的穩態值。具有反向特性的過程：在階躍作用下，被控變量起始時的變化方向與最終的變化方向相反。描述對象特性的參數：放大系數K：在兩個穩定狀態下，輸出量的變化值與輸入量的變化值之比。時間常數Tc：對象在階躍擾動作用下，被調量以最大的速度變化到新穩態值時所需要的時間。滯后時間τ：當輸入量變化時，被控量要滯后一定的時間才開始變化。五、被控過程的數學模型靜態數學模型：動態數學模型：三類主要的信息源：1、要確定明確的輸入量與輸出量通常選一個可控性良好，對輸出量影響最大的一個輸入信號作為輸入量，其余的輸入信號則為干擾量。2、要有先驗知識在建模中，被控對象內部所進行的物理、化學過程符合已經發現的許多定理、原理及模型。在建模中必須掌握建模對象所要用到的先驗知識。3、試驗數據過程的信息能通過對對象的試驗與測量而獲得。被控對象數學模型的要求:要求它準確、可靠。在線運用的數學模型要求實時性。在建立數學模型時，要抓住主要因素，忽略次要因素，需要做很多近似處理，如：線性化、分布參數系統和模型降階處理等。用于控制的數學模型并不要求非常準確。閉環控制本身具有一定的魯棒性，模型的誤差可以視為干擾，閉環控制在某種程度上具有自動消除干擾影響的能力。機理建模原理：根據對象或生產過程的內部機理，寫出各種有關的平衡方程從而獲取對象或過程的數學模型。特點：概念明確、適用范圍寬，要求對該過程機理明確。用機理法建模的首要條件是生產過程的機理必須為人們充分掌握，可以比較確切的加以數學描述。模型應該盡量簡單，保證達到合理的精度。用機理法建模時，出現模型中某些參數難以確定的情況或用機理法建模太煩瑣，可以用測試的方法來建模。實驗建模原理：對過程的輸入（包括控制變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時記錄相關的輸入輸出數據，再對這些數據進行處理，由此獲得對象的動態模型。特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準確性有限。為了獲得動態特性，必須使被研究的過程處于被激勵的狀態，施加一個階躍擾動或脈沖擾動等。用測試法建模一般比用機理法建模要簡單和省力，如果兩者都能達到同樣的目的，一般都采用測試法建模。測試法建模又可分為經典辨識法和現代辨識法兩大類。經典辨識法只需對少量的測試數據進行簡單的數學處理，現代辨識法可以消除測試數據中的偶然性誤差即噪聲的影響，需要處理大量的測