过程装备控制技术及应用第一章控制系统基本概念

第一章控制系统的基本概念本章的主要内容：1.1生产过程自动化的主要内容1.2自动控制系统基本概念及组成1.3控制系统过渡过程及品质指标1.1生产过程自动化的主要内容：1、自动检测系统（起眼睛作用）2、自动信号联锁与保护系统（保护）3、自动操纵与开停车系统（开环的程序控制系统）4、自动调节系统（主要系统，能克服干扰作用）上述四个系统在工业生产中可以独立存在，各起的作用不相同，其中自动调节（控制）系统能力最强，所起的作用最大，是化工自动化的主要内容。1.2自动控制系统

1.2.1自动控制系统

自动控制的必要性蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图手动控制的步骤：(1)观察液位数值；(2)把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。(3)根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。所谓“自动控制”是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。因此，再复杂的控制系统都缘于人工控制。人工控制与自动控制比较：进料口出料口H玻璃管液位计测量仪表设定值控制器人工控制自动控制（AUTOMATION）蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图加热炉的温度控制系统蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图术语被控过程（被控对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数被控对象：汽包被控变量：汽包液位操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素操纵变量：水的流量扰动：水压力、蒸汽压力蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：工艺参数所要求保持的数值偏差：被控变量设定值与实际值之差负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图加热炉的温度控制系统被控过程：加热炉被控变量：物料出口温度操纵变量：燃料油流量扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等控制系统的4个基本环节：被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器进料口执行器变送器调节器1.2.2闭环控制与开环控制闭环控制：在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。

闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。开环控制：

开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。

开环的液位控制系统（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制举例

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器给水蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图1.2.3自动控制系统的组成及方框图

在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。闭环控制系统组成检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值。控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。

系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。闭环控制系统组成在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动输出信号：被控变量、测量值（2）闭环：按信息的流向来说（3）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。闭环控制系统组成控制系统的方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mA控制系统的方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器调节器+－SP广义对象执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象

自动控制系统的方块图又称为信号流程图，注意与工艺流程图是不一样的。在画方块图的时间请注意：1、箭头；2、方块；3、布局；4、负反馈的信号。1.2.4自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类:

定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统

设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。

随动控制系统

设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。

程序控制系统

设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化SPtSPtSPt给定值的形式：还可以根据被测变量的类型、系统的复杂程度、系统克服干扰的方法来对自动控制系统进行分类。按系统输出信号对操纵变量影响划分闭环控制（输出信号会返回并影响控制信号）与开环控制（输出信号不影响控制信号）。按系统克服干扰的方法划分反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统。按系统的复杂程度划分简单控制系统（单回路）与复杂控制系统（串级、比值、前馈、分程等）按被测参数的类型分压力、温度、流量、物位、成分等。注意每种分类方法不是绝对的，几种分类方法可以交叉进行1.2.5管道、仪表流程图（P&ID）

ATTENTION

管道、仪表流程图的图形符号不是完全标准一致的，国内与国外、不同设计单位之间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有不同的标注习惯，一般来说P&ID图会有图例给出。例如，国内设计院一般较少用多个圆相切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号称为“仪表位号”。例如：PIC－207TRC－210……字母代号

字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能

PIC－207压力指示控制数字代号

数字编号写在圆圈的下半部第一位数字表示段号后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。第2工段仪表序号为07控制流程图符号意义序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表4集中仪表盘后安装仪表嵌在管道中2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘后安装仪表3就地仪表盘面安装仪表控制流程图字母意义字母第一位字母后继字母字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能被测变量修饰词功能A分析报警P压力C电导率控制Q数量积分累积D密度差R放射性记录E电压S速度安全开关F流量比T温度传送I电流指示V粘度阀K时间W力L物位YM水分Z位置执行机构1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标1.3.1静态与动态

控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。环节的静态特性动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。环节的动态特性fqy(一对矛盾)统一（系统稳定），静态不统一（系统不稳定），动态系统的静态与动态静态是相对的，动态是绝对的。研究动态的目的是为了达到我们所希望的静态。ft阶跃式ft矩形波ft正弦波ft斜坡式ft脉冲式1.3.2干扰的形式一般选择阶跃干扰，主要原因有：突发性强，有代表性；时间长，对被控变量的影响大；工程上容易实现且容易计算。1.3.3自动控制系统的过渡过程

当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。

定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动)

发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性1.3.3自动控制系统的品质指标综合控制指标最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。

对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为A

（1）最大动态偏差（emax）或超调量（）CtyBB’A0稳态特性最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。

同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。A超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，即B=A-C,如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量。ytBB’C0衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。

（2）衰减比n衰减比nCtyBB’A0稳态特性衰减比n

n>1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。

n=1:等幅振荡。

n<1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，理论上来说，n趋向于无穷大最好。但这样不利于操作人员工作。从管理和速度方面考虑，n值选择在4：1——10：1。我国目前多用4：1过程，这个过程不是最优的过程，但却是操作人员所希望的也最熟悉的过程。根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。衰减率：衰减比4:1——衰减率0.75衰减比10:1——衰减率0.90CtyBB’A0稳态特性（3）余差定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。

余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。上图中，

在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0稳态特性（4）回复时间（过渡时间）回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。CtyBB’A0稳态特性实际上，被控变量接近于新稳态值的或或的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。ytBB’5%A0Ts（5）振荡频率（或振荡周期）在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。其它一些次要指标：振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。“理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。CtyBB’A0稳态特性总结：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。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。自