过程装备控制技术及应用2015第一章

1、 主讲：电信学部 潘学军 课时：40学时 课程性质：必修课 参考书：工业出版社第1章 控制系统的基本概念1.1 概述1.2 控制系统的组成1.3 控制系统的方框图1.4 控制系统的分类1.5 控制系统的过渡过程及性能指标1.6 本门课程的主要内容1.1 概 述过程装备控制过程装备控制是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及适合的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。这种利用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化生产过程自动化。因此，过程装备控制是生产过程自动化最重要的一个分支。生产过程自动化生产过程自动化是提高社会生产力的有

2、力工具之一。它在确保生产正常运行，提高生产质量，降低能耗，降低劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。 1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容生产过程自动化系统所包含的内容生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容：（1）自动检测系统自动检测系统 （2）信号连锁系统信号连锁系统（3）自动操纵系统自动操纵系统 这是一种根据预先规定的程序，自动的对生产设备进行某种周期性操作。 （4） 自动控制系统自动控制系统 利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动地重新回复到规定的范围内

3、，从而保证生产的正常进行。1.1.2 过程装备控制的任务和要求过程装备控制的任务和要求 过程装备控制是工艺生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等参数进行控制。 工艺生产过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为三项要求：即安全性、经济性和稳定性。安全性，是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限报警，事故报警和连锁保护等措施加以保证。稳定性，是指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。 过程装备控制的任务就是在了解，掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上

4、，根据上叙三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。因此可以说，过程装备控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪表仪器等相结合而构成的一门综合性应用科学。工业生产过程都是在一定的温度、压力、浓度、物位等工艺条件下进行的。为此，必须对这些工艺变量进行控制，使其稳定在保证生产正常运行的范围之内。为了实现控制要求 ，通常有两种方式可以选择：人工控制和自动控制。 下面以锅炉汽包水位控制为例，说明人工控制与自动控制的执行过程。 1.2.1 过程装备的控制过程装备的控制1.2 控制系统的组成控制系统的组成图图11 锅炉水位控制示意图锅炉水位控制示意图（a）人工控制）人工控

5、制 （b）自动控制）自动控制 1.2.2 控制系统的组成控制系统的组成自动控制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制系统，它包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换热器等。系统各部分的作用如下: 被控对象 ：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象，简称对象。 测量元件和变送器 ：测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号（电流信号或气压信号）的仪器。 调节器：又称控制器，它将检测元件或变送器送来的信号与其内部的工艺参数给定值进行比较，得到偏差信号；根据这个偏差的大小按一定的运算规律计

6、算出控制信号，并将控制信号传送给执行器。 执行器： 接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给被控对象的能量或物料。 在研究控制系统时，为了能够更清楚表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息联系，一般用方框图来表示控制系统的组成和作用。如图12所示为一简单控制系统的方框图。 1.3 控制系统的方框图控制系统的方框图 被控变量y ： 指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度等。它是被控对象的输出信号,也是自动控制系统的输出信号。但它是理论上的真实值，由测量变送器输出的信号是被控变量的测量值ym 。 给定值（或设定值）Ys ：对应于生产过程中被控变量的期望值。

7、测量值 Ym： 由检测元件得到的被控变量的实际值。 操纵变量（或控制变量）m ： 在图11所示的例子中，就是锅炉的给水流量。化工、炼油等工厂流过调节阀的各种物料或能量，或者由触发器控制的电压或电流都可以作为操纵变量。 干扰（或外界干扰）f ：引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。锅炉水位控制中，蒸汽用量的变化就是一种干扰。 偏差信号 e ： 在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差，而能够直接获取的信息是被控变量的测量值。因此，通常把给定值与测量值的差作为偏差，即 e = y sy m。在反馈控制系统中，调节器根据偏差信号的大小去决定操纵变量。 控制信号 u ：控制器将偏差按一

8、定规律计算得到的量。1.4 控制系统系统的分类控制系统系统的分类 自动控制系统的分类方法有很多。例如，按被控变量的不同，可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制系统、成分控制系统等。按调节器的控制规律来分类，可分为比例控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述几种分类方法。 1.4.1 按给定值的特点划分按给定值的特点划分 定值控制系统 ：定值控制系统的给定值是恒定不变的。控制系统的输出（即被控变量）应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在规定工艺的上下一定范围内变化。在生产过程中，大多数场合要求被控变

9、量保持恒定或在给的给定值附近。 随动控制系统： 随动控制系统的给定值是一个不断变化的信号。这类系统的主要任务是使被控变量能够迅速地、准确无误地跟踪给定值的变化，因此这类系统又称为自动跟踪系统。 程序控制系统： 程序控制系统的给定值也是一个不断变化的信号，但这种变化是一个已知的时间函数。这类系统在间隙生产中的应用比较广泛，食品工业中的罐头温度控制、造纸工业中制浆蒸煮温度控制等，它们要求的温度指标不是一个恒定的数值，而是一个按工艺规程规定好的时间函数，具有一定的升温时间、保温时间、降温时间等。 1.4.2 1.4.2 按系统输出信号对操纵变量影响划分按系统输出信号对操纵变量影响划分 闭环控制：在闭

10、环控制系统中，系统输出信号的改变会返回影响操纵变量，所以操纵变量不是独立的变量，它依赖于输出变量。闭环控制系统的最常见形式是负反馈控制系统。当操纵变量使系统的输出信号增大时，反馈影响操纵变量的结果使输出信号减小。负反馈是系统稳定工作的基本条件。一个工业控制系统，当调节器进入“自动”运行时，就是一个闭环控制系统。 开环控制：开环控制系统的操纵变量不受系统输出信号的影响。为了使系统的输出满足事先规定的要求，必须周密而准确的计算操纵本来的变化规律。一个工业控制系统，当反馈回路断开就成为开环控制系统。1.4.3 按系统的复杂程度划分简单控制系统 ：一般称图12所示的控制系统为简单控制系统。这类控制系统

11、只有一个简单的反馈回路，所以也可称为单回路控制系统。 复杂控制系统 ： 工程上的控制系统常常比较复杂，它们可表现为在系统中包含多个调节器、检测变送器或执行器，从而形成系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个输出信号。为了和简单控制系统相区别，称其为复杂控制系统。图13所示的夹套式反应器温度控制系统就是具有两个回路的控制系统。该反应器的温度T1通过进入夹套的蒸汽量加以控制。图中TC为温度调节器，TT为温度测量变送器。图14为该控制系统的方框图。 从图14中可以看出，这是具有两个反馈回路的控制系统，工程上又称为串级控制系统。此外，还可以有更多的回路或更为复杂的形式 。 反馈控制系统

12、 ：如图15所示，当干扰f使系统被控变量发生改变时，被控变量反馈至系统输入端与给定值相比较并得到偏差信号，经调节器及调节阀影响操纵变量以减弱或消除被控变量的变化。 1.4.4 1.4.4 按系统克服干扰的方法划分按系统克服干扰的方法划分前馈控制系统 ：如图16所示。当干扰 f 引起被控对象的输出y2改变时，控制系统测得干扰信号的大小，并输入前馈补偿器（或称前馈控制器），由前馈补偿器的输出去控制操纵变量m，引起被控对象输出y1的改变，并且y1与y2的方向相反，由此减弱或消除被控变量y受干扰影响而产生的变化。当前馈完全补偿时，有yy1y20。 前馈反馈控制系统 ：当以上两种控制系统复合到一起时，就

13、构成了前馈反馈控制系统，如图17所示。这种系统当受到干扰f的影响时，可以通过前馈控制器使被控变量不变，若前馈补偿不完全，还可以通过反馈控制系统加以修正。控制系统受其他因素影响，或系统的给定值发生改变时，则由反馈控制系统加以控制。1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标控制系统的过渡过程及其性能指标处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用后，被控变量会发生变化而偏离给定值，系统进入过渡过程。自动控制系统的作用就是检测变化、计算偏差并消除偏差。在这一过程中，被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速度、精度等都是衡量自动化控制系统质量的依据。 1.5.1 控制系统的过渡过程控制系统

14、的过渡过程从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内。然而这一回复并不是瞬间完成的，而是要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。它是控制系统在闭环情况下，在干扰和自动控制的共同作用下形成的。图1-8阶跃干扰 在生产过程中，干扰的形成是多种多样的，而且大部分都属于随机性质的，其中阶跃干扰（图18）对控制系统的影响最大，且最为多见。例如负荷的变化、直流电路的突然断开或者接通、阀门的突然变化等。因此，本书只讨论在阶跃干扰影响下控制系统的过渡过程。在阶跃干扰的作用下，控制系统的过渡过程有如图19所示的几种基本形式。图1-9过渡过程的几种

15、基本形式（a）发散振荡；（b）等幅振荡（c）衰减振荡；（d）单调过程 发散振荡过程 ：如图19（a）所示，它表示系统在受到阶跃干扰的作用后，不但不能使被控变量回到给定值，反而越来越偏离给定值，以至超出生产的规定限度，严重时引起事故。这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免。 等幅振荡过程： 如图19（b）所示，被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变。这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用。对于某些工艺上允许被控变量在一定范围内附近上下波动的、控制质量要求不高的场合，这种形式的过渡过程还是可以接受的。 衰减振荡过程： 如图19 (c)所示，被控变量在稳定值附近上下

16、波动，经过二三个周期就稳定下来。这是一种稳定的过渡过程，在控制过程中，多数情况下都希望得到这样的过渡过程。 非振荡的单调过程 ： 如图19（d）所示，它表明被控变量最终稳定下来了，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，因此一般不采用。 1.5.2 控制系统的性能指标控制系统的性能指标衰减振荡的过渡过程是人们所希望得到的一种稳定过程。它能使被控变量在受到干扰作用后重新趋于稳定，并且控制速度快、回复时间短。但每一个衰减振荡过程的控制质量并不完全相同。要评价和讨论一个控制系统性能的优劣，就必须建立某些统一的衡量标准。通常采用如下的两大类标准。 一类是以系统受到单位

17、阶跃输入作用后的响应曲线（又称为过渡过程曲线）的形式给出的，如最大偏差（或超调量）、衰减比、余差、回复时间等，称为过渡过程的质量指标；另一类是偏差积分性能指标，一般是希望输出与系统实际输出之间误差的某个函数的积分，常用的有平方误差积分指标（ISE）、时间乘平方误差的积分指标（ITSE）、绝对误差积分指标（IAE）以及时间乘绝对误差的积分指标（ITAE）等，这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。.最大偏差A（或超调量）： 对一个给定值控制系统来说，最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差，如图110(a)中的A；在随动控制系统中，通常采用另一个指标超调量。00100yyt

18、yp（11） (1) 以阶跃响应曲线形式表示的质量指标以阶跃响应曲线形式表示的质量指标 回复时间 ts： 也称过渡时间、稳态时间，是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。从理论上讲，被控变量完全达到新的稳定状态需要无限长的时间，但通常在被控变量进入新稳态值的 正负5的范围内不再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值。因此，实际的过渡时间是从扰动开始作用之时起，直至被控变量进入新稳态值的正负 5的范围内所经过的时间。 余差e（ ）：是指过渡过程结束时，被控变量新的稳态值与设定值之差，即 e（ ）= y（ ）ys。它虽然不是过渡过程的动态指标，但却是很重要的质量指标。在控制系统中，余差反映了系统的控制精度：余差越小，精度越高，控制质量就越好。 振荡周期T： 过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔称为振荡周期（或称工作周期），其倒数称为振荡频率。在相同的衰减比条件下，振荡周期与过渡时间成正比。因此，振荡周期短些为好。 （2）偏差积分性能指标）偏差积分性能指标偏差：( )( )( )( )- ( )-e tr ty tr ty t其中：给定值 输出值稳态误差：( )( )( )eyr 平方误差积分指标（ISE）