主編倪志蓮龔素文機械工業出版社過程控制與自動化儀表1過程控制與自動化儀表第一章過程控制系統了解過控系統的組成、分類和品質指標。能簡單使用MATLAB軟件。了解本課程定位及學習方法。3了解過程控制技術的開環、閉環概念。1242過程控制與自動化儀表1.1引言

所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加設備或控制裝置使生產過程或被控對象中的某一物理量或多個物理量自動地按照期望的規律去運行或變化。所謂過程控制，是指根據工業生產過程的特點，采用測量儀表、執行機構和計算機等自動化工具，應用控制理論，設計工業生產過程控制系統，實現工業生產過程的自動化。3過程控制與自動化儀表1.1引言自動化技術的發展階段1）20世紀50年代，單輸入單輸出的單回路定值控制系統，多采用基地式儀表、氣動組合儀表和氣動儀表控制器來完成簡單控制。2）20世紀60年代，集中控制及直接數字控制。電動儀表開始使用，并逐步取代氣動儀表，單元組合式儀表和組裝式儀表。3）20世紀70年代，集散控制系統（DCS）。先進控制技術、數字化儀表、計算機，特別是網絡通信技術的進一步發展，體現“分散控制，集中管理”的理念。4）近30多年來，計算機控制技術、各種集散控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）不斷涌現，人工智能技術如專家系統、人工神經網絡、模糊控制、遺傳算法等也有了長足進步。

4過程控制與自動化儀表1.2開環與閉環的概念開環控制：不設反饋環節閉環控制：設有反饋環節開環控制閉環控制5過程控制與自動化儀表1.2開環與閉環的概念1.2.1開環控制系統開環控制是最簡單的一種控制方式。它的特點是，僅有從輸入到輸出的前向通路，而沒有從輸出到輸入的反饋通路。缺點：控制精度取決于組成系統的元件的精度，因此對元器件的要求比較高。由于輸出量不能反饋回來影響控制部分，所以輸出量受擾動信號的影響比較大，系統抗干擾能力差。6過程控制與自動化儀表直流電動機轉速開環控制當調節電位器的滑臂位置時，可以改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動機的電樞電壓，最終改變電動機的轉速。7過程控制與自動化儀表1.2開環與閉環的概念1.2.2閉環控制系統不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路，還有一條從輸出端到輸入端的反饋通路。輸出量通過一個測量變送元件反饋到輸入端，與輸入量比較后得到偏差信號來作為控制器的輸入，反饋的作用是減小偏差，以達到滿意的控制效果。閉環控制又稱為反饋控制。如果輸入量和反饋量相減則稱為負反饋；反之，若二者相加，則稱為正反饋。控制系統中一般采用負反饋方式。輸入量與反饋量之差稱為偏差信號。系統的輸出量能夠自動地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動信號的影響。8過程控制與自動化儀表直流電動機轉速閉環控制在原來開環控制的基礎上，增加了一個由測速發電機構成的反饋回路，該回路檢測輸出轉速的變化并作反饋。9過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統的組成貯槽液位控制人工控制自動控制10過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統的組成過程控制系統一般由自動化裝置及生產裝置兩部分組成。1）被控對象——又稱被控過程，是需要控制其工藝變量的生產設備或機器。2）變送器——將被控制的物理量檢測出來并轉換成工業儀表間的標準統—信號。11過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統的組成過程控制系統一般由自動化裝置及生產裝置兩部分組成。3）控制器——又稱為調節器。其作用是根據反饋量與輸入量比較得出的偏差，按一定的規律運算后對執行器發出相應的控制信號或指令的裝置。4）執行器——其作用是依據控制器發出的控制信號或指令，改變操縱變量，從而對被控對象產生直接的控制作用。12過程控制與自動化儀表1.3過程控制系統的組成系統的各種作用量1）被控變量——是表征生產設備或過程運行狀況，需要加以控制的變量，也是過程控制系統的輸出量。2）設定值——又稱給定值，是工藝要求被控變量需要達到的目標值，也是過程控制系統的輸入量。3）測量值——是檢測元件與變送器的輸出信號值，也稱反饋量。4）擾動量——又稱干擾或“噪聲”，通常是指引起被控變量發生變化的各種因素。5）操縱變量——受執行器操縱，具體實現控制作用的變量稱為操縱變量。6）偏差——通常把設定值與測量值之差稱作偏差。13過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統的分類和品質指標1.4.1過程控制系統的分類1．定值控制系統在生產過程中，如果要求控制系統使被控變量保持在一個生產指標上不變，或者說要求工藝參數的設定值不變，這類控制系統稱為定值控制系統。2．隨動控制系統設定值是一個未知變化量的控制系統稱為隨動控制系統，隨動控制系統的目的是使被控變量準確快速地跟隨著設定值的變化而變化。這類控制系統又稱為自動跟蹤系統。3．程序控制系統也稱順序控制系統。這類控制系統的設定值是時間的已知函數，即設定值按一定的時間順序變化。14過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統的分類和品質指標1.4.2過程控制系統的過渡過程穩態：各個信號保持不變，被控變量不隨時間變化而變化的平衡狀態。動態：生產過程受到擾動時，被控變量隨時間變化而變化的不平衡狀態。過程控制系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程稱為過程控制系統的過渡過程。

15過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統的分類和品質指標1.4.2過程控制系統的過渡過程過渡過程的基本形式16過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統的分類和品質指標1.4.3過程控制系統的品質指標評價指標可概括為“穩”、“準”、“快”

平穩：“穩”即系統必須是穩定的，這也是最重要、最基本的需求。準確：“準”是指控制系統的準確性、控制的精確程度，通常用穩態誤差來描述，它表示系統輸出穩態值與期望值之差。迅速：“快”是指控制系統響應的快速性。穩定性靜態指標動態指標17過程控制與自動化儀表1.4過程控制系統的分類和品質指標1.4.3過程控制系統的品質指標（1）余差C

（2）衰減比n

（3）最大偏差A或超調量σ（4）過渡過程時間（調整時間）ts（5）峰值時間tp（6）振蕩周期T

18過程控制與自動化儀表1.5過程控制系統的特點與要求1.5.1過程控制系統的特點1）系統由被控對象與系列化生產的自動化儀表組成。2）被控對象復雜多樣，通用控制系統難以設計。3）控制方案豐富多彩，控制要求越來越高。4）控制過程大多屬于慢變過程與參量控制。5）定值控制系統是過程控制系統的主要形式。19過程控制與自動化儀表1.5過程控制系統的特點與要求1.5.2過程控制系統的要求（1）安全性整個生產過程中，人身安全和設備安全是控制系統中最重要和最基本的要求。在整個生產過程中，通常采用越限報警、事故報警和聯鎖保護等措施來保證系統的安全性。（2）穩定性工業生產環境中存在各種各樣的干擾以及生產原料的變化和波動，如何有效地抑制或減小系統外部干擾，保持生產過程長期穩定運行是設計過程控制系統的又一要求。（3）經濟性隨著市場競爭加劇和世界能源及原材料的匱乏，在滿足安全性和穩定性的前提下，要求控制系統低成本、高效益。20過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件MATLAB是MatrixLaboratory（矩陣實驗室）的英文縮寫。它是由美國MathWorks公司于1982年推出的一個軟件包。它從數值與矩陣運算開始，經過不斷更新與擴充，已成為一個功能強、效率高、有著完善的數值分析、強大的矩陣運算、復雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟件包；它有著一個方便實用、界面友好的、開放的用戶環境，可以很方便地進行科學分析和工程計算。21過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.1MATLAB界面簡介22過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件命令窗口常用控制命令

命令涵義命令涵義cd設置當前工作目錄edit打開M文件編輯器clf清除圖形窗exit關閉/退出MATLABclc清除命令窗口的顯示內容mkdir創建目錄clear清除MATLAB工作空間保存的變量quit關閉/退出MATLABdir列出指定目錄下的文件和子目錄清單type顯示指定M文件的內容23過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作1．數值的表示MATLAB的數值采用十進制，可以帶小數點或負號。2．變量命名規定1）變量名、函數名：字母大小寫表示不同的變量名。2）變量名的第一個字母必須是英文字母，最多可包含31個字符。3）變量名不得包含空格、標點，但可以有下連字符。0-1000.00812.7521.8e-68.2e52舉例舉例A和a表示不同的變量名A21是合法的變量名，而3A21是不合法的變量名。“A_b21”是合法變量名，而“A，21”是不合法的。24過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作3．基本運算符數學表達式MATLAB運算符MATLAB表達式加a+b+a+b減abab乘ab*a*b除ab/或\a/b或a\b冪ab^a^b25過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作4．表達式MATLAB書寫表達式的規則與“手寫算式”幾乎完全相同。1）表達式由變量名、運算符和函數名組成。2）表達式將按相同的優先級從左向右執行運算。3）優先級規定為：指數運算級別最高，乘除運算次之，加減運算級別最低。4）括號可以改變運算的次序。舉例26過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作6．繪制二維圖形（1）在二維圖形繪制中，最基本的指令是plot（）函數。如果用戶將x和y軸的兩組數據分別在向量x和y中存儲，且它們的長度相同，則調用該函數的格式為plot(x,y)（2）在圖形上加注網格線、圖形標題、x軸與y軸標記繪制多條曲線時，plot（）的格式為plot(x1,y1,x2,y2……)grid(加網格線)；title(加圖形標題)；xlabel(加x軸標記)；y1abel(加y軸標記)。27過程控制與自動化儀表舉例輸入以下命令>>t=0:0.1:4*pi>>plot(t,sin(t))>>grid>>title('正弦曲線')>>xlabel('time')>>ylabel('sin(t)')28過程控制與自動化儀表1.6MATLAB軟件1.6.3MATLAB軟件在控制系統中的應用實例閉環傳遞函數

繪制該系統單位階躍響應曲線的MATLAB程序為num=[8]den=[1,4,8,8]step(num,den)gridonxlabel('t/s'),ylabel('c(t)')29過程控制與自動化儀表1.7課程定位與學習方法課程定位通過本課程學習，使學生