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第一章 绪 论
* 本章提要
1. 过程控制系统的基本概念
2. 过程控制的发展概况
3. 过程控制系统的组成
4. 过程控制的特点及分类
5. 衡量过程控制系统的质量指标
* 授课内容
第一节 过程控制的发展概况
1. 基本概念
* 过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。(P3)
* 过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。(P3)
2. 过程控制的重要性
* 进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为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、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
3. 过程控制的发展概况
* 19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。
* 19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
* 19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。
* 前馈控制-----按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。
* 选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。
* 19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：检测和控制仪表-----新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-------由单 多变量系统，由PID控制规律 特殊控制规律，由定值控制 最优控制、自适应控制，由仪表控制系统 智能化计算机分布式控制系统；理论-----现代控制理论 过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。
4. 集散控制系统(DCS)
* 集散控制系统-----是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。
* 优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。
* 集散控制系统的结构原理框图：
* 集散控制系统的结构组成：
1) 过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。
2) 过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。不同的集散控制系统其差别较大。
3) CRT操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产管理。
4) 高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。
5) 管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控制，实现信息-控制-管理一体化。
第二节 过程控制系统及其组成
1. 过程控制系统组成
由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。
一个简单的过程控制系统＝被控过程＋过程检测控制仪表（测量元件、变送器、调节器和调节阀）
2. 过程控制系统实例1（发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统）
过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数
3. 过程控制系统实例2（PH控制系统）
4. 过程控制系统实例3（液位控制系统）
第二节 建立单容过程的数学模型
* 单容过程------只有一个贮蓄容量的过程。单容过程可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。
1. 自衡过程的建模
* 自衡过程-----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
* 容量或容量系数-----被控过程都具行—定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。
> 例：液位过程
Q1-----流入量，控制过程的输入变量
Q2-----流出量，中间变量
h-----液位，控制过程的输出变量
动态物料平衡关系：，其增量形式：。
物理原理：。
消去中间变量Q2，及拉氏变换后，得传递函数：
被控过程都具行—定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。
> 例：温度过程
> 例：具有纯时延的液位过程
具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为：
2. 无自衡过程的建模
* 无自衡过程-----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身不能重新恢复平衡的过程。
> 例：无自衡液位控制过程
第三节 建立多容过程的数学模型
* 多容过程------被控过程往往是由多个容积和阻力构成。可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。
1. 具自衡能力的双容过程的建模
其被控量是第二只水箱的液位h2，输入量为Q1。根据物料平衡关系可以列出下列方程：
> 多容过程
多容过程的传递函数：
或
过程具有纯时延，则传递函数：
2. 无自衡能力的双容过程的建模
无自平衡能力双容过程的传递函数：
无自平衡能力双容过程的传递函数：
过程具有纯时延，则传递函数：
第四节 用响应曲线法辨识过程的数学模型
有些复杂过程的根据机理建立数学模型较难，即使用解析法得到过程的数学模型，仍然希望采用实验方法加以检验，尤其当推导不出过程数学模型时，更需要通过实验方法即辨识方法来求得：
响应曲线法主要用于测取过程的阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。
1. 阶跃响应曲线的测定
> 测定阶跃响应曲线的原理：在过程的输入量作阶跃变化时测定其输出量随时间而变化的曲线。
> 阶跃响应曲线能形象、直观、完全描述被控过程的动态特性。
> 实验测试注意事项：
* 合理选择阶跃信号值。一般取阶跃信号值为正常输入信号的5～15％左右。
* 在输入阶跃信号前，被控过程必须处于相对稳定的工作状态。
* 相同的测试条件下重复做几次，减少干扰的影响。
* 由于过程的非线性，应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测取其响应曲线，以求取过程的真实特性。
2. 矩形脉冲响应曲线的测定
> 用矩形脉冲响应曲线的原因：当过程长时间处于较大扰动信号作用下时，被控量的变化幅度可能超出实际生产所允许的范围，这时可用矩形脉冲信号作为过程的输入信号，测出过程的矩形脉冲响应曲线（阶跃响应曲线由于测试时间较长而不合适）。
> 响应曲线变换原因：由于试验所得的阶跃响应曲线的参数估计较方便。
> 变换方法：
图2—13是自衡过程的矩形脉冲响应曲线及其求取阶跃响应曲线的方法，由无自衡过程的矩形脉冲响应曲线画出阶跃响应曲线的方法与上相同。
3. 由过程阶跃响应曲线确定其数学模型
> 为了研究、分析和设计过程控制系统，需要根据实验取得的阶跃响应曲线来求出过程的微分方程或传递函数。
> 由阶跃响应曲线确定过程的数学模型，首先选定模型的结构。
> 模型的结构：（近似地以一阶、二阶、一阶加时延、二阶加时延特性之一来描述。）
* 自平衡过程：
* 无自平衡过程：
注：关键由阶跃响应曲线求得放大系数K0、时间常数T0、纯时延时间。
> 几种常用的确定K0、时间常数T0、纯时延时间参数的方法：
* 由阶跃响应曲线确定一阶环节的特性参数（需确定K0、时间常数T0）
，T0由直接作图法或半对数图解法求的，但不准确（见书P22～23，见下图）。
T0半对数图解法（更准确）：（见式（2-40）、式（2-41））
* 由阶跃响应曲线确定一阶时延(滞后)环节的特性参数（需确定K0、时间常数T0、纯时延时间）
，T0、由直接作图法或转换法求得，但不准确（见书P24～25）。
见式（2-47，2-48，2-49）的较准确的方法。
注意：如果T1与T2值、与值相差太大，则不能用这种方法，应选用二阶时廷环节来近似。
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引用 钟灵山 2007/3/15 15:46:46 发表于2楼的内容
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引用 JNZHLF 2007/3/16 21:00:19 发表于3楼的内容
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引用 happyoicq 2007/3/20 9:56:06 发表于4楼的内容
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引用 phjxx 2007/3/21 14:16:16 发表于5楼的内容
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引用 chenguang 2007/3/22 11:01:11 发表于6楼的内容
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引用 tian123 2007/3/23 13:51:38 发表于7楼的内容
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引用 phjxx 2007/3/23 13:58:37 发表于8楼的内容
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引用 匿名 2007/3/30 16:55:39 发表于9楼的内容
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引用 lj7071 2007/3/31 0:27:11 发表于10楼的内容