第10章 过程控制系统基本概念

1、刘玉长刘玉长下篇 过程控制 过程控制一般是指冶金、石油、化工、电力、轻工、建材等工业部门生产过程的自动化，即通过采用各种自动化仪表、电子计算机等自动化技术工具，对生产过程中某些物理参数进行自动检测、监督和控制，以保证现代企业安全、优质、低耗和高效益生产。刘玉长刘玉长第十章 过程控制系统基本概念第一节 过程控制系统的组成与分类第二节 过程控制系统过渡过程和品质指标第三节 被控对象特性第四节 被控过程的数学模型 刘玉长刘玉长第一节 过程控制系统的组成与分类一、过程控制系统自动控制：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

2、(被控量)按照预定的规律自动地运行。自动控制系统(Automatic Control Systems )：是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。 过程控制系统(Process Control Systems )：以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。 刘玉长刘玉长二、过程控制系统组成v对象对象：被控制的装置或设备，其输出即为被控量；v检测元件及变送器检测元件及变送器：检测元件的功能是感受并测出被控量的大小，变送器的作用则是检测元件测出的被控量变换成控制器所需要的信号形式；v控制器控制器：它将检测元件或变送器送来的信号

3、与被控变量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据这个偏差信号的大小按一定的运算规律计算控制信号u，然后将控制信号传送给执行器。 v执行器执行器：其作用是接受控制器发出的控制信号u，直接改变操纵量q(例如电流、重油、煤气等的量)，即调整能量或物料的平衡，使被控量回复至设定数值。 刘玉长刘玉长三、控制系统的工程表示自动控制系统有两种表示方法，即方框图与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号” 或其它行业标准】。(a)工艺控制流程图 (b)方框图锅炉汽包液位控制蒸汽蒸汽检测变送LT控制器LC控制阀V锅炉期望值SV实际值给

4、水给水LCLTVPVPVSVMV刘玉长刘玉长四、过程控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法，可以按被控量分类，例如温度控制系统、流量控制系统等；也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控制系统、比例积分控制系统等。为了便于分析自动控制系统的性质，可将控制系统按设定值形式的不同分为三类，即定值定值控制控制系统、系统、程序控制程序控制系统系统与随动控制随动控制系统系统 。刘玉长刘玉长第二节过程控制系统过渡过程和品质指标 一、静态与动态在自动控制中，把被控量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。在生产过程中，扰动是客观存在，且是不可避免的，因此

5、了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。 刘玉长刘玉长二、自动控制系统的过渡过程 系统无时无刻都受到干扰，其结果是系统一直处于变动之中，即处于动态。当然在某个时刻可看作是稳定的，即处于静态。从一个静态到另一个静态所经历的过程称为过渡过程。过渡过程具有以下几种形式：(a) 发散振荡 (b) 等幅振荡 (c) 衰减振荡 (d) 单调过程过渡过程的几种基本形式稳快准稳要求:不稳不稳稳快慢刘玉长刘玉长三、控制系统的品质指标控制系统性能指标是根据系统在零初使条件(输出量和输入量的各阶导数为0)下的单位阶跃响应曲线计算得到的。实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性能指标定义也不一样。因为衰减振荡

6、是一种比较好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。刘玉长刘玉长性能指标定义(衰减振荡)阶跃扰动作用时过渡品质指标示意图阶跃扰动作用时过渡品质指标示意图(衰减振荡衰减振荡)0 td tr tp ts y(t)(1-D)CC(1+D)CTBBD取0.02或0.05刘玉长刘玉长(一)衰减比n= B B减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过渡过程稳定性的动态指标，它等于被控量产生周期性振荡前后两个峰值比；在图中，衰减比就是B B，习惯上表示为n 1。如果n = 1，则表示过渡过程曲线不衰减，呈等幅振荡；假如n只比1稍大一点。说明过渡过程的衰减程度很小，它与等幅振荡过

7、程接近，由于振荡过于频繁不够安全，一般不采用；如果n1，则接近非周期衰减(或单调过程)，这都不是生产上所欢迎的。通常以n = 410为宜。 刘玉长刘玉长(二)最大偏差A=B+C最大偏差又称短时偏差，是指受控变量第一个波峰值与设定值之差；它表示了偏离设定值的程度（衡量）是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。 (1)偏差愈大，时间越长，离生产状态愈远。 (2)工艺不希望，甚至引起生产事故。刘玉长刘玉长(三)余差Ce()ry()余差C是控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差，又称长时偏差。它是反映控制精确度的一个稳态指标，值越小，精度越高。在实际控制过程中，余差的大小只要能满足生产工艺要求就

8、可以了。刘玉长刘玉长(四)稳定时间ts从阶跃扰动开始作用起至被控量又建立新的平衡状态止，这一段时间叫做稳定时间(或称过渡时间)。工程上规定当被控量达到稳定值的5%(或2%)的范围内时，就认为被控量已经达到了稳定值。按这个规定，稳定时间就是从扰动开始作用之时起，直至被控量进入稳定值的5%(或2%)的范围内所经历的时间。稳定时间短，表示过渡过程进行得比较迅速，这时即使扰动频繁出现，系统也能适应，系统质量较高。 刘玉长刘玉长(五)振荡周期或频率 过渡过程曲线中同向两个波峰之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为频率。 刘玉长刘玉长(六)其他指标延迟时间延迟时间td：是指干扰开始作用起到稳态值的

9、50%所需要的时间。上升时间上升时间tr：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。振荡次数振荡次数N：调节时间内响应在稳态值附近波动次数，N=ts/T 。刘玉长刘玉长总结v主要指标有：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。根据实际情况来定。v原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。标应该优先保证。刘玉长刘玉长第三节被控对象特性 所谓被控对象特性，就是指对象各个输入量与输出量之间的函数关系。 以被控量作为输出，

10、以操纵量(或控制作用)作为输入，则它们之间的关系称为对象的控制通道特性；若以被控量作为输出，以扰动量作为输入，则它们之间的关系称为对象的扰动或干扰通道特性。 被控对象的控制通道与扰动通道被控量干扰操纵量控制通道干扰通道刘玉长刘玉长一、对象特性的类型 多数工业过程的特性分为四种类型：v自衡的非振荡过程：在阶跃作用下，被控变量无须外加任何控制作用、不经振荡过程能逐渐趋于新的状态的性质，称自衡的非震荡过程。v无自衡非振荡过程：如果不依靠外加控制作用，不能建立起新的物料平衡状态，这种特性称为无自衡。 v有自衡的振荡过程：在阶跃作用下，被控变量出现衰减振荡过程，最后趋于新的稳态值，称为有自衡的振荡过程。

11、 v具有反向特性的过程：有少数过程会在阶跃作用下，被控变量先降后升，或先升后降，即起始时的变化方向与最终的变化方向相反。刘玉长刘玉长几个基本概念v单容过程：只有一个容积，一个容量系数和一个时间常数。v自衡特性：对象在扰动作用，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下，自动恢复平衡的特性。 v无平衡特性：平衡状态下，一旦受到破坏，无法自行重建平衡。v自衡率：表示自衡能力。一般希望它大一些，即在很大干扰下，被控变量变化很少。刘玉长刘玉长(一)自衡的非振荡过程在阶跃作用下，被控变量无须外加任何控制作用、不经振荡过程能逐渐趋于新的状态的性质。12LF1F2凝液凝液进料进料出出料料蒸汽蒸汽蒸汽加热

12、器蒸汽加热器储液槽储液槽(0) 自衡的非振荡过程自衡的非振荡过程(a) 一阶(b) 二阶或高阶h(t)h(0)tt(t) 刘玉长刘玉长(二)无自衡非振荡过程当输入作阶跃变化后，如果不依靠外加控制作用，不能建立起新的平衡状态，这种特性称为无自衡，例如出水阀为定量泵时的水槽特性。无自衡的非振荡液位过程（a）F1F2(b)th(t)刘玉长刘玉长(三) 有自衡的振荡过程在阶跃作用下，被控变量出现衰减振荡过程，最后趋于新的稳态值，称为有自衡的振荡过程，其响应曲线见图。 自衡振荡过程响应曲线c(t)刘玉长刘玉长(四) 具有反向响应过程反向特性：起始变化方向与最终的变化方向相反。如锅炉汽包水位在蒸汽量突然变

13、化时的特性。c(t)具有反向特性的过程 锅炉负荷D突变时的汽包水位H响应 特性tDHH0刘玉长刘玉长二、对象特性的参数 对象特性有多种描述方法，但都可以用几个主要物理量来说明对象的特性。 以图示的储液槽液位控制对象为例，来说明对象特性是如何描述的。LF1F2储液槽液位和流量变化曲线FF1F10L2L0LF1F2V2V1刘玉长刘玉长(一)放大系数K放大系数K是一个静态特性参数，只与被控量的变化过程起点与终点有关，而与被控量的变化过程没有关系。其值等于输出(被控量)增量y与输入(操纵量)增量x之比：K=y/x被控对象的静态特性一般有两种：一种是线性关系，另一种是非线性关系。如果静态特性为线性关系，

14、则对象的放大系数K可直接用上式表示，否则采用求导的方法得到： ddyKx刘玉长刘玉长例如图示对象，若出液阀V2为层流阀(F2L)，则静态特性为线性的，如图(b)，则放大系数为：K=L/F而当V2为紊流阀(F2L0.5)时，则静态特性为非线性的，需在工作点附近采用线性化方法，使其特性近似地视为线性，如图(c)，此时放大系数为：LF1F2V2V1FFLLFFLLL0F0L0F0(c) 非线性静态特性非线性静态特性(b) 非线性静态特性非线性静态特性(a) 储液槽储液槽0dlimdFLLKFFD DD刘玉长刘玉长通道不同，对象的放大系数不同，而且对被控量的影响也不一样。根据控制作用的不同，放大系数又

15、分为控制通道的放大系数为K0，扰动通道的放大系数Kf ，则：0 , fLLKKFfDDDD其中F为操纵量的变化，f为扰动的大小。这两个参数的不同取值对系统性能影响很大，具体如下。刘玉长刘玉长放大系数K对系统的影响放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量变化缓慢。但放大系数过大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统稳定性下降。控制通道当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响

16、。扰动通道刘玉长刘玉长(二)时间常数 Tc时间常数Tc是说明被控量变化快慢的参数，其值等于系统阻值R与容量C的乘积【电路中为电阻与电容，流体流动中分别为流阻与容量(对于水槽就是横截面积A)，等等】：Tc=RC物理意义：是指当过程受到阶跃输入作用后，被控变量保持初始速度变化，达到新的稳态值所需要的时间。时间常数Tc的求取：有很多种方法，如可根据定义求；亦可根据响应曲线求(见教材)。刘玉长刘玉长不同时间常数的对象及其响应曲线 (a) 水槽液位单容对象; (b)蒸汽加热单容与双容(或多容)对象刘玉长刘玉长对系统时间常数的要求一般说来，时间常数Tc小，则对象惯性小，被控量变化速度大，不易控制。(1)控

17、制通道的时间常数越大，则控制过程将越缓慢；(2)控制通道的时间常数越小，则对系统输出越不利； (3)在决定控制方案时，应当分析各种扰动(即对象的各种输入)的响应情况，选择最有利的控制通道，以便获得最佳的控制效果。 刘玉长刘玉长(三)滞后时间 对象在受到扰动作用后，被控量不是立即变化，而是经过一段时间后才开始变化，这个时间就称为滞后时间，根据其产生原因，将滞后分为纯滞后和容量滞后两种。1、纯滞后0介质输送或热的传递需要的时间。 0=l/v 式中l传输距离，v传输速度。0测点在管道上的蒸汽直接测点在管道上的蒸汽直接加热器及其特性加热器及其特性FF1F10T2T1FTF1FlTF蒸汽蒸汽水溶液水溶液

18、温度测点刘玉长刘玉长2、过渡滞后或容量滞后c vO1点开始变化到B点之间的一段时间，称为过渡滞后或容量滞后c；v原因：双容量或多容量对象，故初始速度很慢。v纯滞后与过渡滞后尽管在本质上不同 ，很难严格区别。处理办法：用总的滞后时间来表示 =0+ c有过渡滞后的对象特性(a)阶跃扰动;(b)被控量变化F1-输入热量；F2 -输出热量刘玉长刘玉长3、滞后时间对系统的影响v控制通道存在滞后：控制通道存在滞后：由于存在滞后，使控制作用落后于被控变量的变化，从而使被控变量的偏差增大，控制质量下降。滞后时间越大，控制质量越差。v扰动通道存在滞后：扰动通道存在滞后：扰动通道存在滞后，相当于扰动延迟了一段时间

19、才进入系统，而扰动在什么时间出现，本来就是无从预知的，因此，并不影响控制系统的品质。扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响趋于缓和，对控制系统是有利的。刘玉长刘玉长总结控制通道：要求K0大、T0适当、小；干扰通道：要求Kf小、Tf大、影响不大。刘玉长刘玉长第四节 被控过程的数学模型 v数学模型：输出与输入间关系的数学描述输出与输入间关系的数学描述。 v模型分类：动态与静态(稳态)模型；【是否随时间而变】参数模型与非参数模型。【是否用数学方程式描数学方程式描述述】v建模方法：机理建模；【根据内部机理求得】实验建模。【根据实验获取】刘玉长刘玉长一、机理建模 机理建模过程：根据对象或生产过程的内部机理，写出各种有关的平衡方程，如物料/动量/相平衡方程，以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，某些物性方程、设备的特性方程等，从而获取对象的数学模型。 机理建模特点：物理意义明确，所得的模型具