过程控制系统-第一章

1、过程控制系统过程控制系统第第1 1章章 绪论绪论天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院孙立军孙立军1. 学时：学时：56学时。学时。2. 教材：郭一楠教材：郭一楠，过程控制系统，机械工业出版社，过程控制系统，机械工业出版社，2009。3. 参考书：参考书：邵裕森，戴先中，过程控制工程，第邵裕森，戴先中，过程控制工程，第2版，机械工版，机械工业出版社，业出版社，2000；潘永湘，杨延西，赵跃，过程控制与自动化仪表，潘永湘，杨延西，赵跃，过程控制与自动化仪表，第第2版，版，2007； 邵裕森，巴筱云主编，过程控制系统及仪表，机械邵裕森，巴筱云主编，过程控制系统及仪表，机械工业出版

2、社；工业出版社； 金以慧主编，过程控制，清华大学出版社；金以慧主编，过程控制，清华大学出版社； 课件课件过程控制系统课程基本信息过程控制系统课程基本信息过程控制系统课程要求过程控制系统课程要求 参加听课是参加听课是必要条件必要条件； 互动是提高课程学习的润滑剂；互动是提高课程学习的润滑剂； 作业是充分条件；作业是充分条件； 平时占平时占10-20%，最后考试占，最后考试占80-90%。过程控制系统课程的主要内容过程控制系统课程的主要内容第第1章章 绪论；绪论；第第2章章 被控过程特性及其数学模型被控过程特性及其数学模型第第4章章 执行器执行器第第6章章 PID控制器设计及参数控制器设计及参数第

3、第7章章 复杂控制系统（复杂控制系统（第一、二节，其他自学）第一、二节，其他自学）第第10章章 过程控制工程应用实例（选讲）过程控制工程应用实例（选讲）液位液位Liquid level(L)温度温度Temperature(T)压力压力Pressure(P)成分：成分：L流量：流量：F流量：流量：Fl 定压预热过程定压预热过程a-b（由（由273.15 K的水加热到温度为的水加热到温度为Ts)；l 定压汽化过程定压汽化过程b-c-d（由（由Ts的水到全部变为的水到全部变为Ts的饱和的饱和汽）；汽）；l 饱和蒸汽的饱和蒸汽的定压过热定压过热d-e（由（由Ts的饱和蒸汽变到温度为的饱和蒸汽变到温度为

4、T的过热蒸汽）。的过热蒸汽）。 水蒸汽的发生全过程水蒸汽的发生全过程 真实气体真实气体饱和蒸汽密度表饱和蒸汽密度表或或 绝对压力绝对压力饱和蒸汽温度饱和蒸汽温度饱和蒸汽密度饱和蒸汽密度绝对压力绝对压力饱和蒸汽温度饱和蒸汽温度饱和蒸汽密度饱和蒸汽密度MPakg/m3MPakg/m30.199.70.58831.41957.10380.2120.11.12881.5198.37.59280.3133.41.65071.6201.48.0820.4143.52.16281.7204.38.57180.5151.82.66831.8207.19.06160.6158.83.16921.9209.89.

5、5520.7164.93.66652.0212.410.0430.8170.44.16162.1214.810.5350.9174.34.65442.2217.211.0281.0179.95.14512.3219.511.5211.1184.15.63672.4221.812.0161.2187.96.1252.5223.912.5111.3191.66.6143)(pf)(tf真实气体真实气体过热蒸汽密度表过热蒸汽密度表3/mkg 温温 度（度（） 压力压力(MPa)150 2002503003504000.11.040.930.830.760.690.650.21.581.391.251

6、.141.050.970.32.121.871.681.521.401.290.42.352.111.911.751.620.52.842.542.302.111.950.63.332.972.692.462.270.73.833.413.082.822.600.94.864.303.883.543.261.15.915.204.674.263.921.47.556.585.895.364.931.98.987.977.216.622.411.4910.119.118.332.914.1712.3211.0510.073.417.0314.6113.0211.843.916.9915.0513

7、.634.922.0719.2617.306.330.08 25.5322.66),(tpf1.1 定义定义 生产过程中自动生产过程中自动控制系统的被控变控制系统的被控变量是量是温度、压力、温度、压力、流量、液位、成份流量、液位、成份等这样一些变量的等这样一些变量的系统。系统。这些变量和速度、这些变量和速度、位置及加速度相比位置及加速度相比有什么特点？有什么特点？为什么要学习过程控制？为什么要学习过程控制？作为作为工程师工程师需要掌握的基本问题。需要掌握的基本问题。对于一个专家有许多令人兴奋的职对于一个专家有许多令人兴奋的职业业机会机会。 在一个动态的过程中，如何能够将在一个动态的过程中，如何

8、能够将温度和温度和液位液位保持在需要的值？保持在需要的值？ 如果如果原材料的性能改变原材料的性能改变，如何能够使制造，如何能够使制造的产品始终保持高质量？的产品始终保持高质量？ 对于一个危险的状况，必须在对于一个危险的状况，必须在多少时间多少时间内内响应？响应？为什么要学习过程控制？为什么要学习过程控制？学习如何去学习如何去实现实现一个生产过程，是很有意思的。一个生产过程，是很有意思的。随着学习的深入，我们将学会设计及能够保证随着学习的深入，我们将学会设计及能够保证安全生产，又可以保证产品质量的系统装置。安全生产，又可以保证产品质量的系统装置。 首先要进行稳态的分析，因为它是比较容易和重首先要

9、进行稳态的分析，因为它是比较容易和重要的。要的。 同时要掌握在一些基本的生产过程中（如：流动、同时要掌握在一些基本的生产过程中（如：流动、热传导、温度过程和化工过程）的专门技术，用一热传导、温度过程和化工过程）的专门技术，用一些具体的事例来实现控制。些具体的事例来实现控制。 在掌握综合的设计过程之前，需要掌握如何实现在掌握综合的设计过程之前，需要掌握如何实现控制。控制。什么是控制系统？什么是控制系统？先来看一些具体例子，再得出一些基本的概念。先来看一些具体例子，再得出一些基本的概念。l 如何开车？如何开车？l 如果不看挡风玻璃外，如果不看挡风玻璃外，能否开车？能否开车？l 设计汽车时什么是必须

10、设计汽车时什么是必须提供的？提供的？l 如果不要方向盘，你能如果不要方向盘，你能有一个更好的设计吗？有一个更好的设计吗？先来看一些具体例子，再得出一些基本的概念。先来看一些具体例子，再得出一些基本的概念。l 如何使房间保暖？如何使房间保暖？l 温度有什么样的动温度有什么样的动态特性？态特性？l 设计房间时什么是设计房间时什么是必须提供的？必须提供的？l 如果不要加热的机如果不要加热的机构，你能有一个更好构，你能有一个更好的设计吗？的设计吗？什么是控制系统？什么是控制系统？在生产过程中，所有的变量像这样是在生产过程中，所有的变量像这样是否足够好？否足够好？如果选择是如果选择是“好好”，我们的课程

11、就可，我们的课程就可以结束了！以结束了！什么是控制系统？什么是控制系统？在控制系统中有三个基本部分，分别用来在控制系统中有三个基本部分，分别用来模拟人的眼、脑、手的功能模拟人的眼、脑、手的功能 。什么是控制系统？什么是控制系统？怎样选择传感怎样选择传感器的位置？器的位置？在生产过程中，典在生产过程中，典型的执行器有哪些？型的执行器有哪些？在这里在这里“箭头箭头”代表什么？代表什么？什么是控制系统？什么是控制系统？ 自动控制系统这三部分可以说是构成了自动控自动控制系统这三部分可以说是构成了自动控制系统了吗？制系统了吗？ 在自动控制系统中，除了上述三部分自动化装在自动控制系统中，除了上述三部分自动

12、化装置之外，还必须具有所要控制的生产设备，才能构置之外，还必须具有所要控制的生产设备，才能构成一个自动控制系统。成一个自动控制系统。 所要控制的生产设备称为：所要控制的生产设备称为：被控对象。被控对象。 在在化工生产中的化工生产中的被控对象有：被控对象有：各种塔器、反应各种塔器、反应器、换热器、各种泵、容器、管路等。器、换热器、各种泵、容器、管路等。 自动控制系统是由：测量元件与变送器、自动自动控制系统是由：测量元件与变送器、自动调节控制器、执行器（调节阀）、被控对象的闭环调节控制器、执行器（调节阀）、被控对象的闭环回路构成。回路构成。什么是控制系统？什么是控制系统？控制控制（动词）（动词）：

13、通过调整系统中选择的变量，使一通过调整系统中选择的变量，使一个物理过程保持希望的状态。个物理过程保持希望的状态。反馈控制：反馈控制：用系统的输出影响系统的输入。用系统的输出影响系统的输入。输入输入=动机动机输出输出=效果效果什么是控制系统？什么是控制系统？过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统 控制流程图控制流程图过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统 框图框图 被控变量：被控变量：能够体现系统性能或者最终产品质量能够体现系统性能或者最终产品质量的参数，也称为的参数，也称为输出变量输出变量。 控制变量控制变量：不断进行调整从而确保被控变量保持：不断进行调整从而确保被控变量保持在设定点的在设

14、定点的输入变量输入变量。 干扰变量干扰变量：也称为负载变量，即使得被控变量偏：也称为负载变量，即使得被控变量偏离各自设定点的离各自设定点的输入变量输入变量。 设定值的变化设定值的变化：控制系统要求发生变化。：控制系统要求发生变化。 设定设定值发生变化，控制变量进行相应的调整从而达到新值发生变化，控制变量进行相应的调整从而达到新的控制要求。也称为的控制要求。也称为伺服系统伺服系统。 干扰量的变化干扰量的变化：发生干扰时的短暂的校正控制行：发生干扰时的短暂的校正控制行为，也称为为，也称为调整控制调整控制或或负载变化负载变化。一个控制系统必。一个控制系统必须能够在发生干扰的情况下恢复每一个被控参量值

15、须能够在发生干扰的情况下恢复每一个被控参量值到其要求的控制点。到其要求的控制点。什么是控制系统？什么是控制系统？控制专业词汇控制专业词汇(1) 被控变量被控变量（亦称系统输出）（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳被控过程内要求保持稳定的工艺参数；定的工艺参数；(2) 控制变量控制变量（亦称操作变量控（亦称操作变量控制介质）制介质）q(t)：使被控变量保使被控变量保持期望值的持期望值的物料量或能量物料量或能量；(3) 干扰量干扰量f(t)：除被控变量外，除被控变量外，作用于被控过程并引起被控作用于被控过程并引起被控变量变化的各种因数；变量变化的各种因数；(4) 设定值设定值r(t)：与

16、被控变量相与被控变量相对应的设定值；对应的设定值；(5) 反馈值反馈值z(t)：被控变量经测被控变量经测量变送后的实际测量值；量变送后的实际测量值；(6) 偏差偏差e(t)：设定值与反馈值设定值与反馈值之差；之差；(7) 控制作用控制作用u(t)：控制器的输控制器的输出值。出值。什么是控制系统？什么是控制系统？控制专业词汇控制专业词汇注意：注意：在常用的术语中有一些共同的错误。在常用的术语中有一些共同的错误。一般的语言一般的语言工程与科学用语工程与科学用语负反馈：负反馈：这佯做，是一这佯做，是一个愚蠢的做法。个愚蠢的做法。正反馈：正反馈：这是一个很好这是一个很好的做法，谢谢你。的做法，谢谢你。

17、负反馈：负反馈：作用可以减少作用可以减少距离希望的误差。距离希望的误差。正反馈：正反馈：作用可以增加作用可以增加距离希望的误差。距离希望的误差。好！好！什么是控制系统？什么是控制系统？为什么控制是必须的？为什么控制是必须的？一个词：一个词：扰动！扰动！连续搅动水箱式反应器。连续搅动水箱式反应器。希望达到下面的要求：希望达到下面的要求： 安全安全 环境保护环境保护 设备保护设备保护 平稳操作平稳操作 产品质量产品质量 利润利润 监控和诊断监控和诊断釜式反应器釜式反应器一种低高径比的一种低高径比的圆筒形反应器圆筒形反应器，用于实现液相单相，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反

18、应过程。反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。置换热面，也可通过外循环进行换热。 釜式反应器按操作方式可分为：釜式反应器按操作方式可分为：间歇釜式反应器，或称间歇釜。间歇釜式反应器，或称间歇釜。 操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小操作灵活，易于适应不

19、同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。至今还采用间歇釜。连续釜式反应器，或称连续釜。连续釜式反应器，或称连续釜。 可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的

20、场合，釜内在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用利因素。此时可采用多釜串联反应器多釜串联反应器，以减小返混的不利影响，以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。并可分釜控制反应条件。半连续釜式反应器。半连续釜式反应器。指一种原料指一种原料一次一次加入，另一种原料加入，另一种原料连续加入连续加入的反应器，其的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。特

21、性介于间歇釜和连续釜之间。为什么控制是必须的？为什么控制是必须的？一个词：一个词：扰动！扰动！精馏塔！精馏塔！希望达到下面的要求：希望达到下面的要求： 安全安全 环境保护环境保护 设备保护设备保护 平稳操作平稳操作 产品质量产品质量 利润利润 监控和诊断监控和诊断精馏原理精馏原理 :蒸馏的基本原理是将蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化液体混合物部分气化,利用其中利用其中各组份挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按各组份挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 精馏塔：

22、精馏塔：是进行精馏的一种是进行精馏的一种塔式汽液接触装置塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。精馏塔与间歇精馏塔。 蒸气由塔底进入蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发相接触中，下降液中的易挥发(低沸点低沸点)组分不断地向组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点高沸点)组分不断地向组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发

23、组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，富集，达到组分分离的目的达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。出。为什么控制是可能的？为什么控制是可能的？在过程设计时，如果

24、工程师提供了需要在过程设计时，如果工程师提供了需要的设备，控制就可以实现。的设备，控制就可以实现。1. 控制设备控制设备为什么控制是可能的？为什么控制是可能的？在过程设计时，如果工程师提供了需要的设备，在过程设计时，如果工程师提供了需要的设备，控制就可以实现。控制就可以实现。2. 过程设备过程设备如何确定如何确定反应器的反应器的容积？容积？如何确定如何确定热传导的热传导的区域？区域？在什么位置进行控制？在什么位置进行控制？传统的控制面板传统的控制面板传感器、本地传感器、本地显示、调节阀显示、调节阀等。等。在集中控制中心，显示各变量、在集中控制中心，显示各变量、计算结果和与现场的通讯等。计算结果

25、和与现场的通讯等。在什么位置进行控制？在什么位置进行控制？现代的计算现代的计算机控制面板机控制面板传感器、本地传感器、本地显示和调节阀显示和调节阀等。等。在集中控制中心，显示各变量、在集中控制中心，显示各变量、计算结果和与现场的通讯等。计算结果和与现场的通讯等。过程控制设计文件的基本要求过程控制设计文件的基本要求 设计文件需要设计文件需要提供工艺过程文件提供工艺过程文件，如，管线、仪，如，管线、仪表等工艺流程框图。表等工艺流程框图。 复杂的系统需要复杂的系统需要用文字来描述用文字来描述。 采用采用标准的符号标准的符号。F=Flow， 流量流量L=Level， 液位液位P=Pressure， 压

26、力压力T=Temperature，温度，温度一些具体实例（一些具体实例（1 1）实现流量手动控制：实现流量手动控制： 典型流量传感器。典型流量传感器。 被控过程如何响应被控过程如何响应控制变量？控制变量？ 如果改变控制要求，如果改变控制要求，如何动作？如何动作？流量控制系统流量控制系统一些具体实例（一些具体实例（2 2） 温度控制系统温度控制系统热水器的流程示意图热水器的流程示意图一些具体实例（一些具体实例（2）温度控制系统温度控制系统热水器控制系统框图热水器控制系统框图家庭供热系统设计家庭供热系统设计一些具体实例（一些具体实例（2 2）温度控制系统温度控制系统一些具体实例（一些具体实例（3）

27、 液位控制系统液位控制系统实现液位手动控制：实现液位手动控制：l 典型液位传感器。典型液位传感器。l 被控过程如何响被控过程如何响应控制变量？应控制变量？l 如果改变控制要如果改变控制要求，如何动作？求，如何动作？ 当流入量（或流出量）波动时会引起液罐内液位当流入量（或流出量）波动时会引起液罐内液位的波动，的波动，严重时会造成溢出或抽空严重时会造成溢出或抽空 。一些具体的实例（一些具体的实例（4 4） 煤气厂以煤气厂以标准条件下标准条件下的计量出售煤气给用户。如的计量出售煤气给用户。如果用孔板流量计测量流出的流量。果用孔板流量计测量流出的流量。 如果煤气的密度与设计密度相比变化如果煤气的密度与

28、设计密度相比变化-10%。我们。我们应该怎样做？应该怎样做？煤气计量、控制煤气计量、控制一些具体的实例（一些具体的实例（5）搅拌加热罐控制搅拌加热罐控制-：电子仪表信号：电子仪表信号TT：温度变送器：温度变送器TC：温度控制器：温度控制器一些具体的实例（一些具体的实例（5）搅拌加热罐控制搅拌加热罐控制搅拌加热罐控制系统框图搅拌加热罐控制系统框图一些具体的实例（一些具体的实例（5）蒸汽加热罐控制蒸汽加热罐控制蒸汽加热罐控制系统框图蒸汽加热罐控制系统框图一些具体的实例（一些具体的实例（6）人工胰腺控制人工胰腺控制葡萄糖葡萄糖设定值设定值控制器控制器传感器传感器注射泵注射泵患者患者uyr血糖浓度测定

29、血糖浓度测定一些具体的实例（一些具体的实例（7）典型的连续性系统典型的连续性系统一些具体的实例（一些具体的实例（8）典型的非连续性系统典型的非连续性系统过程控制的目的过程控制的目的 提高生产的产量提高生产的产量 增加高质量产品的收益增加高质量产品的收益 降低能源的消耗降低能源的消耗 降低污染降低污染 降低生产的风险降低生产的风险 提高生产的安全性提高生产的安全性 延长设备寿命延长设备寿命 提高操作性提高操作性 降低劳动量降低劳动量1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按按被控变量被控变量分类为：温度、压力、流量、分类为：温度、压力、流量、液位等控制系统。液位等控制系统。 按控制器采用的

30、按控制器采用的控制规律控制规律分类为：比例、分类为：比例、比例积分、比例积分微分等控制系统。比例积分、比例积分微分等控制系统。 按被控变量的按被控变量的给定值是否变化给定值是否变化分类为：分类为： 定值控制系统：定值控制系统：生产中，控制系统的作用是使被控变量保生产中，控制系统的作用是使被控变量保持在给定的生产指标上不变。持在给定的生产指标上不变。例如前面所述的液位控制和温度例如前面所述的液位控制和温度控制。注：化工生产中大都采用这种控制系统，本课程讨论的控制。注：化工生产中大都采用这种控制系统，本课程讨论的大部分也都是定值控制系统。大部分也都是定值控制系统。 随动控制系统：随动控制系统：生产

31、中，控制系统的作用是使被控变量准生产中，控制系统的作用是使被控变量准确而快速的跟随给定值的变化而变化。确而快速的跟随给定值的变化而变化。例如化工生产中的比值例如化工生产中的比值系统，甲流体流量与乙流体流量保持一定的比值；当乙流体流系统，甲流体流量与乙流体流量保持一定的比值；当乙流体流量变化时，甲流体的流量能快速而准确的随之变化。再如雷达量变化时，甲流体的流量能快速而准确的随之变化。再如雷达系统、天线接收系统。系统、天线接收系统。 程序控制系统：程序控制系统：生产中，控制系统的给定值是变化的、已生产中，控制系统的给定值是变化的、已知的时间函数；即被控变量按一定的时间程序变化。知的时间函数；即被控

32、变量按一定的时间程序变化。这类系统这类系统在间歇生产过程中应用较普遍。计算机技术的应用为程序控制在间歇生产过程中应用较普遍。计算机技术的应用为程序控制提供了良好的技术条件。提供了良好的技术条件。流量稳定性研究平台（流量稳定性研究平台（4#装置装置DN15） 水流量标准装置变频加容器稳压系统工艺流程图水流量标准装置变频加容器稳压系统工艺流程图 微机过程控制系统基本框图微机过程控制系统基本框图 1.3 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标1.3.1 系统静态与动态系统静态与动态 静态静态被控变量不随时间而变化的被控变量不随时间而变化的平衡状态。平衡状态。 自动控制系统中

33、的静态：是指各信号的自动控制系统中的静态：是指各信号的变化率为零变化率为零；即信号保持在某一常数，此时生产过程进行是平稳即信号保持在某一常数，此时生产过程进行是平稳的、无波动的，而不是指物料的、无波动的，而不是指物料不流动不流动或能量或能量不交换不交换。 例如：例如：液位控制系统液位控制系统，只有当流入液罐的流量与流，只有当流入液罐的流量与流出液罐的流量相等时，液位才能恒定，系统处于静出液罐的流量相等时，液位才能恒定，系统处于静态；态；温度控制系统温度控制系统，只有当进入换热器的热量和由，只有当进入换热器的热量和由换热器出去的热量相等时，温度才能恒定，达到了换热器出去的热量相等时，温度才能恒定

34、，达到了平衡状态，即静态。平衡状态，即静态。 系统的平衡即静态是系统的平衡即静态是暂时的、相对的、有条件的。暂时的、相对的、有条件的。 动态动态被控变量随时间而变化的被控变量随时间而变化的不平衡状态。不平衡状态。 自动控制系统中的动态：自动控制系统中的动态：若一个处于平衡状态即静若一个处于平衡状态即静态的系统，由于干扰的作用，被控变量发生变化，从态的系统，由于干扰的作用，被控变量发生变化，从而使控制器、控制阀等自动化装置改变了原有的平衡而使控制器、控制阀等自动化装置改变了原有的平衡状态，必定产生一定的控制作用来克服干扰的影响，状态，必定产生一定的控制作用来克服干扰的影响，使系统恢复平衡。从干扰

35、开始，到系统重新建立平衡使系统恢复平衡。从干扰开始，到系统重新建立平衡的这段时间中，整个系统的的这段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变各个环节和信号都处于变动状态动状态当中，这段过程称为系统的动态。当中，这段过程称为系统的动态。 系统的不平衡即动态是系统的不平衡即动态是普遍的、绝对的、无条件的。普遍的、绝对的、无条件的。1.3.2 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程过渡过程：过渡过程：是指系统受干扰后，被控变量从平衡态是指系统受干扰后，被控变量从平衡态过渡到另一个平衡态的时间过渡到另一个平衡态的时间变化过程变化过程。这一过程的。这一过程的规律取决于干扰的形式。规律取决于干扰的形式。干扰

36、：干扰：是是指引起被控变量波动的因素指引起被控变量波动的因素。干扰形式多。干扰形式多种多样，多半属于随机性质的。种多样，多半属于随机性质的。在分析和设计系统在分析和设计系统时时，为了安全和方便常选择一些定性的干扰形式。，为了安全和方便常选择一些定性的干扰形式。最常用的是最常用的是阶跃干扰阶跃干扰。阶跃干扰：阶跃干扰：是指在某一是指在某一瞬间瞬间，干扰突然阶跃式，干扰突然阶跃式的加到系统上，并保持一定幅度。的加到系统上，并保持一定幅度。阶跃干扰作用阶跃干扰作用0000ttfttf控制过程的基本形式控制过程的基本形式 过渡过程过渡过程的几种基本形式的几种基本形式 非周期衰减过程非周期衰减过程 (a

37、) 衰减振荡过程衰减振荡过程 (b) 等幅振荡过程等幅振荡过程 (c) 发散振荡过程发散振荡过程 (d) 多数情况下，都希望自动多数情况下，都希望自动 控制系统在阶跃输入作下，其控制系统在阶跃输入作下，其过渡过程为过渡过程为衰减振荡过程衰减振荡过程。 特殊情况下，希望自动控制系统在阶跃输入作下，过渡过程特殊情况下，希望自动控制系统在阶跃输入作下，过渡过程为为无超调过程无超调过程（一阶非周期过程）。（一阶非周期过程）。1.3.3 控制系统的性能指标控制系统的性能指标 自动控制系统调节品质的优劣，表示了控自动控制系统调节品质的优劣，表示了控制系统克服外来干扰能力的大小。制系统克服外来干扰能力的大小

38、。 一个控制系统的调节品质，可用控制系统一个控制系统的调节品质，可用控制系统在受到单位阶跃输入作用后，被控变量在控在受到单位阶跃输入作用后，被控变量在控制过程中的变化曲线来分析。制过程中的变化曲线来分析。 常把常把对阶跃干扰的反映对阶跃干扰的反映作为判别系统抗干作为判别系统抗干扰能力好坏的标准。扰能力好坏的标准。 控制系统的性能指标控制系统的性能指标 综合性能指标综合性能指标单项性能指标单项性能指标时域指标时域指标频域指标频域指标静态偏差静态偏差y( )或或e( )最大动态偏差最大动态偏差ym或超或超调量调量 衰减率衰减率 衰减比衰减比n 过渡过程时间过渡过程时间ts 其它指标其它指标1.3.

39、3 控制系统的性能指标控制系统的性能指标 余差余差 C 最大偏差最大偏差 A 超调量超调量 B 衰减比衰减比 B : B 过渡过程时间过渡过程时间 从干扰作用发生，到系统重新建立新的平衡。从干扰作用发生，到系统重新建立新的平衡。 振荡周期或频率振荡周期或频率 同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间，其倒数同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。为振荡频率。 1静态偏差静态偏差y( )或或e( )静态偏差是指被控变量的稳态值与给定值的长静态偏差是指被控变量的稳态值与给定值的长期偏差。期偏差。e( )= r( )-y( )静态偏差是衡量控制系统静态偏差是衡量控制系统准确性准确性的重要指标

40、之的重要指标之一，它反映了控制系统的一，它反映了控制系统的调节精度调节精度。图中坐标图中坐标y=0位置对应设定值位置对应设定值2最大动态偏差最大动态偏差ym或超调量或超调量 在定值控制系统中，常用最大动态偏差在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指这个指标来衡量标来衡量被控变量偏离给定值被控变量偏离给定值的程度。的程度。 ymy1y() 随动控制系统常用随动控制系统常用超调量超调量这个指标来衡量被控制这个指标来衡量被控制量偏离给定值的程度。超调量量偏离给定值的程度。超调量可定义为：可定义为： %1001yy图中坐标图中坐标y=0位置对应设定值位置对应设定值3.衰减率衰减率 衰减率是指每经过

41、一个波动周期，被控变量波动衰减率是指每经过一个波动周期，被控变量波动幅值减少的程度。幅值减少的程度。 式中式中 y1偏离稳态值的第一个偏离稳态值的第一个波峰幅值波峰幅值； y3偏离稳态值的第三个波峰幅值。偏离稳态值的第三个波峰幅值。 它常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的它常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度衰减速度。131311yyyyy 若若 0，调节过程是，调节过程是发散振荡发散振荡，这种系统是不稳定的。，这种系统是不稳定的。若若 0，则调节过程是，则调节过程是等幅振荡等幅振荡，这种系统处于边界稳，这种系统处于边界稳定。定。若若0 1，则调节过程是，则调节过程是衰减振荡衰

42、减振荡，这种系统是稳定，这种系统是稳定的。可以应用。的。可以应用。若若 1，则调节过程是不振荡的衰减过程，则调节过程是不振荡的衰减过程(非周期过程非周期过程)，这种系统稳定。这种系统稳定。 在在0 1的范围内，的范围内， 的数值还可表明系统的数值还可表明系统稳定裕量稳定裕量(富富裕量或贮备量裕量或贮备量)的大小的大小 ，一般取，一般取 0.750.90。131311yyyyy 衰减比衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅是指振荡过程的第一个波的振幅y1与与第三个波的振幅第三个波的振幅y3之比，即之比，即 ny1/y3它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指

43、标，反映了振荡的标，反映了振荡的衰减程度衰减程度。 n1 表示系统稳定；表示系统稳定； n=4表示系统为表示系统为4:1的衰减振荡的衰减振荡。4. 衰减比衰减比n5过渡过程时间（调节时间）过渡过程时间（调节时间）ts对于对于定值控制系统定值控制系统，过渡过程时间是指阶跃响应曲线，过渡过程时间是指阶跃响应曲线由开始起到最后一次进入由开始起到最后一次进入偏离稳态值偏离稳态值为为范围，范围，并且以后不再越出此范围的时间即并且以后不再越出此范围的时间即 tts 时时y(t)- y() y() ， = 5%或或2%。对于对于随动控制系统随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其稳，控制过程时间是指被调量与

44、其稳态值之差不超过稳态值的态值之差不超过稳态值的5%或或2%所需要的时间，所需要的时间，就认为控制过程已经结束。即就认为控制过程已经结束。即tts 时时 y(t)- y() 5%y()或或2%y()调节时间调节时间 tS静态偏差静态偏差y( )或或e( ) 最大动态偏差最大动态偏差ym或超调量或超调量 衰减率衰减率 衰减比衰减比n 例：例：某换热器的温度调节系统在单位阶跃作用下的过某换热器的温度调节系统在单位阶跃作用下的过渡过程曲线如图所示。分别求出最大偏差、余差、衰渡过程曲线如图所示。分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200，规定，

45、规定被控变量进入给定值的被控变量进入给定值的2%时过渡过程结束时过渡过程结束 ）。）。解：余解：余 差：差： C =205 200 = 5 最大偏差：最大偏差：A =230 200 =30 衰减比：衰减比：由图可见，由图可见， 第一波峰值第一波峰值 B=230205 =25 第二波峰值第二波峰值 B=210205 =5 则，则，B：B= 25：5 = 5：1振荡周期：振荡周期：为两同向之间的间隔，为两同向之间的间隔，T=205=15（min）过渡时间：过渡时间：按照规定：限制范围为按照规定：限制范围为200（2%）=4 ；则在新稳态值两侧以宽度；则在新稳态值两侧以宽度为为 4 画一个阴影区域表

46、示，只要被控变量进入画一个阴影区域表示，只要被控变量进入这一区域且不在越出，可以认为过渡过程结束。由这一区域且不在越出，可以认为过渡过程结束。由图可见，图可见，过渡时间为过渡时间为22 min。1.4 过程控制设计要求过程控制设计要求1. 环境要求环境要求：工厂的气体、液体和固体必须按：工厂的气体、液体和固体必须按照环境的标准和规则。照环境的标准和规则。2. 产品的质量和产量产品的质量和产量：为了生产利益，所生产：为了生产利益，所生产的产品必须满足产品的质量和产量。的产品必须满足产品的质量和产量。3. 工厂经济运行机制工厂经济运行机制：控制目标必须考虑经济：控制目标必须考虑经济目标。目标。4.

47、 稳定运行机制稳定运行机制：控制系统是保证工厂设备平：控制系统是保证工厂设备平滑 、 稳 定 运 行 、 关 键 变 量 没 有 振 荡滑 、 稳 定 运 行 、 关 键 变 量 没 有 振 荡 （excessive oscillation）。）。安安 全！全！过程控制操作者的观点过程控制操作者的观点 一个工厂操作员的一天一个工厂操作员的一天过程控制操作者的观点过程控制操作者的观点 如果你是操作员，如果你是操作员，你怎么办你怎么办? ?l 井井A开采出错开采出错 原因未知。原因未知。l 转到井转到井B，也出错，也出错 原因未知。原因未知。l 很快，响起大量警报很快，响起大量警报 原因未知。原因

48、未知。l 几分钟内，发生爆炸和火灾。两人当场死亡，另有几人受伤。几分钟内，发生爆炸和火灾。两人当场死亡，另有几人受伤。l 当时是晚上当时是晚上10:00 。l 现场找不到经理，他在苏格兰的现场找不到经理，他在苏格兰的 Aberdeen。l 现在位于北海中央一个海面石油平台的顶部。现在位于北海中央一个海面石油平台的顶部。我们关注的是过程安全：我们关注的是过程安全：大型事故大型事故 1988 年苏格兰西部石油的年苏格兰西部石油的Piper Alpha 灾难灾难海面石油平台爆炸海面石油平台爆炸 164 人死亡人死亡 损失损失$20亿亿1984印度印度bhopal的碳化物的碳化物事故事故MIC 释放到

49、大气中释放到大气中 3000-10,000 人死亡人死亡 100,000 受伤受伤 损失损失 $510亿亿 2000年年6月科威特月科威特KPCL发生的发生的Mina Al-Ahmedhi精精炼厂事故炼厂事故 泄漏引起可燃气体排放到泄漏引起可燃气体排放到大气中，并引起爆炸。大气中，并引起爆炸。 7 人死亡，人死亡，50 人受伤。人受伤。 损失损失$？亿。？亿。 2001年年3月巴西石油事故月巴西石油事故 海面石油平台爆炸。海面石油平台爆炸。 10 人死亡，损失人死亡，损失$50亿。亿。 平台沉入大西洋。平台沉入大西洋。大型事故大型事故l 2001年年9月月21法国图卢兹硝酸氨爆炸法国图卢兹硝酸

50、氨爆炸 31 人死亡人死亡 2442人受伤人受伤 损失几亿美元损失几亿美元大型事故大型事故近期国内大型事故近期国内大型事故2007年年11月月8日，吉林松原石油化工股份有限公司在建干气综日，吉林松原石油化工股份有限公司在建干气综合利用装置利用导热油脱除管道系统内残留水分过程中导热油合利用装置利用导热油脱除管道系统内残留水分过程中导热油泄漏着火，造成泄漏着火，造成4人死亡。人死亡。2007年年11月月27日，江苏联化科技有限公司（以下简称联化公司）日，江苏联化科技有限公司（以下简称联化公司）重氮盐生产过程中发生爆炸，造成重氮盐生产过程中发生爆炸，造成8人死亡、人死亡、5人受伤（其中人受伤（其中2

51、人重伤），直接经济损失约人重伤），直接经济损失约400万元。万元。2007年年11月月28日，浙江湖州菱化实业股份有限公司亚磷酸二甲日，浙江湖州菱化实业股份有限公司亚磷酸二甲酯生产过程中发生爆炸，造成酯生产过程中发生爆炸，造成3人死亡。人死亡。 国家安全生产监督管理总局文件，安监总危化国家安全生产监督管理总局文件，安监总危化2007251号。号。“国家安全监管总局关于江苏联化科技有限公司国家安全监管总局关于江苏联化科技有限公司”11.27“爆炸等事故的通报爆炸等事故的通报”事故发生简要经过事故发生简要经过 重氮化工艺过程是在重氮化釜中，先用硫酸和亚硝重氮化工艺过程是在重氮化釜中，先用硫酸和亚硝

52、酸钠反应制得亚硝酰硫酸，再加入酸钠反应制得亚硝酰硫酸，再加入6溴溴2，4二硝二硝基苯胺制得重氮液，供下一工序使用。基苯胺制得重氮液，供下一工序使用。11月月27日日6时时30分，联化公司分，联化公司5车间当班车间当班4名操作人员接名操作人员接班，在上班制得亚硝酰硫酸的基础上，将重氮化釜温度班，在上班制得亚硝酰硫酸的基础上，将重氮化釜温度降至在降至在25。6时时50分，开始向分，开始向5000升重氮化釜加入升重氮化釜加入6溴溴2,4二二硝基苯胺，先后分三批共加入反应物硝基苯胺，先后分三批共加入反应物1350千克。千克。9时时20分加料结束后，开始分加料结束后，开始打开夹套蒸汽对重氮化釜内打开夹套

53、蒸汽对重氮化釜内物料加热至物料加热至37，9时时30分关闭蒸汽阀门保温。按照工艺要求，保温温度分关闭蒸汽阀门保温。按照工艺要求，保温温度控制在控制在352，保温时间，保温时间4-6小时。小时。10时许，当班操作人员发现重氮化釜冒出黄烟（氮氧时许，当班操作人员发现重氮化釜冒出黄烟（氮氧化物），化物），重氮化釜数字式温度仪显示温度已达重氮化釜数字式温度仪显示温度已达70，在向车间报告的同时，将重氮化釜夹套切换为冷冻盐在向车间报告的同时，将重氮化釜夹套切换为冷冻盐水。水。10时时6分，分，重氮化釜温度已达重氮化釜温度已达100，车间负责人向联，车间负责人向联化公司报警并要求所有人员立即撤离。化公司报

54、警并要求所有人员立即撤离。10时时9分，联化公司内部消防车赶到现场，用消防水向分，联化公司内部消防车赶到现场，用消防水向重氮化釜喷水降温。重氮化釜喷水降温。10时时20分，重氮化釜发生爆炸，分，重氮化釜发生爆炸，造成抢险人员造成抢险人员8人死亡人死亡（其中（其中3人当场死亡）、人当场死亡）、5人受伤（其中人受伤（其中2人重伤）。人重伤）。建建筑面积为筑面积为735平方米的平方米的5车间车间B7厂房全部倒塌，主要生厂房全部倒塌，主要生产设备被炸毁。产设备被炸毁。事故原因初步调查分析事故原因初步调查分析 根据事故调查组的初步分析判断，操作人员根据事故调查组的初步分析判断，操作人员没没有将加热蒸汽阀

55、门关到位有将加热蒸汽阀门关到位，造成重氮化反应釜在保，造成重氮化反应釜在保温过程中被继续加热，重氮化釜内重氮盐剧烈分解，温过程中被继续加热，重氮化釜内重氮盐剧烈分解，发生化学爆炸，是这起爆炸事故的发生化学爆炸，是这起爆炸事故的直接原因直接原因。 在重氮化反应保温时，操作人员未能及时发现在重氮化反应保温时，操作人员未能及时发现重氮化釜内温度升高，及时调整控制；重氮化釜内温度升高，及时调整控制；装置自动化装置自动化水平低，重氮化反应系统没有装备自动化控制系统水平低，重氮化反应系统没有装备自动化控制系统和自动紧急停车系统和自动紧急停车系统；重氮化釜岗位操作规程不完重氮化釜岗位操作规程不完善，没有制定

56、针对性应急措施，应急指挥和救援处善，没有制定针对性应急措施，应急指挥和救援处置不当，是这起爆炸事故的置不当，是这起爆炸事故的重要原因重要原因。 2007年年4月月18日日7时时45分，分，辽宁省铁岭市清河特殊钢有限辽宁省铁岭市清河特殊钢有限责任公司生产车间，一个装有责任公司生产车间，一个装有约约30吨钢水的钢包在吊运至铸吨钢水的钢包在吊运至铸锭台车上方锭台车上方2-3米高度时，突然米高度时，突然发生滑落倾覆，钢包倒向车间发生滑落倾覆，钢包倒向车间交接班室，钢水涌入室内，致交接班室，钢水涌入室内，致使正在交接班室内开班前会的使正在交接班室内开班前会的32名职工当场死亡，另有名职工当场死亡，另有6

57、名名炉前作业人员受伤，其中炉前作业人员受伤，其中2人人重伤。重伤。国家安全生产监督管理总局文件，安监总管一国家安全生产监督管理总局文件，安监总管一200783号。号。“国家安全监管总局关于辽宁省铁岭市清河特殊钢有限责任公司国家安全监管总局关于辽宁省铁岭市清河特殊钢有限责任公司“418”钢水包倾覆特别重大事故的通报钢水包倾覆特别重大事故的通报 ”事故的直接原因：事故的直接原因：炼钢车间吊运钢水包的起重机主钩在下降作业时，控制回路炼钢车间吊运钢水包的起重机主钩在下降作业时，控制回路中的一个中的一个联锁常闭辅助触点锈蚀断开联锁常闭辅助触点锈蚀断开，致使驱动电动机失电；电，致使驱动电动机失电；电气系统

58、设计缺陷，制动器未能自动抱闸，导致钢水包失控下坠；气系统设计缺陷，制动器未能自动抱闸，导致钢水包失控下坠；制动器制动力矩严重不足，未能有效阻止钢水包继续失控下坠，制动器制动力矩严重不足，未能有效阻止钢水包继续失控下坠，钢水包撞击浇注台车后落地倾覆，钢水涌向被错误选定为班前会钢水包撞击浇注台车后落地倾覆，钢水涌向被错误选定为班前会地点的工具间。地点的工具间。来自操作人员的抱怨来自操作人员的抱怨 实时信息不够精确实时信息不够精确 (例如例如 缺少真实的警报命令缺少真实的警报命令)； 由于容错能力不强引起由于容错能力不强引起的过多警报；的过多警报； 不能充分预料过程扰动；不能充分预料过程扰动； 缺少

59、实时的，彻底的分缺少实时的，彻底的分析析 (基于症状的报警基于症状的报警)； 缺少设备失误与过程偏缺少设备失误与过程偏差之间的区别；差之间的区别； 各种信息和控制系统元各种信息和控制系统元素之间的综合薄弱；素之间的综合薄弱； 观察相关的过程数据的观察相关的过程数据的能力有限；能力有限； 缺少足够的测量，跟踪缺少足够的测量，跟踪和取得非正常情况的以往和取得非正常情况的以往记录的工具；记录的工具； 程序或者操作指示有限程序或者操作指示有限或者受时间限制；或者受时间限制； 工厂各单元之间或者内工厂各单元之间或者内部的通讯笨重且分散。部的通讯笨重且分散。需要实现智能控制！需要实现智能控制！过程安全和过

60、程控制过程安全和过程控制l 过程工业的初始关注。过程工业的初始关注。l 公众对潜在危机的加倍关注，更严格的法公众对潜在危机的加倍关注，更严格的法律要求，以及现代工业工厂的更加复杂性。律要求，以及现代工业工厂的更加复杂性。过程安全的总体看法过程安全的总体看法从整个过程的各个阶段考虑过程安全：从整个过程的各个阶段考虑过程安全： 初级过程设计。初级过程设计。 在 设 计 的 最 后 一 步 ， 应 用在 设 计 的 最 后 一 步 ， 应 用 危 险 和 可 操 作 性危 险 和 可 操 作 性(HAZOP)研究故障模式和故障树分析。研究故障模式和故障树分析。 工厂开始操作以后，为了工厂开始操作以后