过程装备控制技术与应用第1章

过程装备控制技术与应用第1章第一页，共40页。过程装备控制技术及应用第二页，共40页。控制系统基本概念过程装备控制基础过程检测技术过程控制装置计算机控制系统典型过程控制系统应用方案先进过程控制系统简介第三页，共40页。1.1概述过程装备控制含义

指在过程装备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制装置来代替操作人员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。生产过程自动化指利用自动化装置来管理生产过程的方法，以确保生

产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，

改善劳动条件，减轻劳动强度等。第四页，共40页。生产过程自动化系统的组成①自动检测系统采用各种检测仪表自动连续地对各种工艺变量进行测量，并将测量结果用仪表纪录下来作为自动控制的依据。②信号联锁系统是一种安全装置，常对关键性变量设置信号报警或联锁保护的装置。③自动操纵系统自动地对生产设备进行某种周期性操作，以减轻操作人员的繁重或者重复性立体力劳动的装置。④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。第五页，共40页。换热器温度自动控制系统第六页，共40页。过程装备控制的要求安全性（最重要）指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全。经济性指在同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，生产成本低而效益高。稳定性系统应具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。过程装备控制的任务在了解掌握工艺流程和生产过程的静态、动态特性的基础上，针对过程装备的主要参数,即温度、压力、液位、成分和物性等等参数进行控制。第七页，共40页。锅炉水位控制1.任务●维持汽包水位在规定的数值上。2.重要性●汽包水位过低，蒸汽量少满足不了工艺，且导致锅炉烧坏爆炸。●汽包水位过高，使蒸汽夹带水分，对后续生产设备造成影响和破坏。3.原因●蒸汽负荷变化而给水量不变。●给水压力发生变化而负荷不变。4.措施●根据物料平衡原理，保证锅炉的给水量和蒸汽排出量相等。1.2控制系统的组成及其作用常用的控制工艺参数：温度、压力、浓度、液位第八页，共40页。人工控制阀门第九页，共40页。自动控制执行器第十页，共40页。人工控制与自动控制的比较第十一页，共40页。控制系统的组成1.被控对象工艺变量需要控制的生产设备或机器。2.测量元件及变送器测量需要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。3.调节器

又称控制器，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信号比较，得到偏差信号。4.执行器接受调节器送来的信号，自动改变阀门的开度，从而改变输送给被控对象的能力或料量。执行器第十二页，共40页。1.3控制系统的方框图

1.环节：图中的每一个方块。具有单向性，只能由输入得到输出，不能逆行。

2.线条：控制系统中传递的信息。

3.箭头：指出了信息的作用方向。送入的信息为环节的输入信号，送出的信息为输出信号。

4.加法器：方框图中的圆圈，用于信号的相加或相减。

调节器执行器被控过程测量元件及变送器简单控制系统方框图第十三页，共40页。

①被控变量y：需要控制的工艺参数（压力、温度、液位）。

②给定值ys(设定值)：生产中被控变量的期望值。

③测量值ym：由测量元件得到的被控变量的实际值。④操纵变量m(控制变量)：调节阀输出信号，具体实现控制

作用的变量。例如锅炉的给水流量。

⑤干扰f(外界扰动)：引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。⑥偏差信号e：给定值与测量值的差。

⑦控制信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。调节器执行器被控过程测量元件及变送器

控制系统中的七个常用术语第十四页，共40页。1.4控制系统的分类

1.按给定值特点划分

定值控制系统随动控制系统程序控制系统①定值控制系统定值控制系统的给定值是恒定不变的。第十五页，共40页。②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，而且这种变化不是预先定好的，即给定值得变化是随机的。（1）用来精确地跟随或复现某个过程。其特点是输入为未知。

(2）随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如雷达天线控制系统等。③程序控制系统

程序控制系统的给定值也是不断变化的信号，但是这种变化是一个已知的函数，即给定值按一定的时间程序变化。如程序控制机床的程序控制系统的输出量应与给定量的变化规律相同。第十六页，共40页。2.按系统输出信号对操纵变量影响划分闭环控制开环控制①闭环控制系统输出信号的改变会返回影响操纵变量，即操纵变量依赖于输出变量。调节器根据被控变量偏差信号的大小产生相应的控制作用，改变操纵变量，克服干扰作用的影响。第十七页，共40页。②开环控制

系统的操纵变量不受系统输出信号的影响。

一个工业控制系统，当反馈回路断开，或处于人工手动操作状态开环控制系统时，就成为了开环控制系统。不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统。举例：打开灯的开关——按下开关后的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮起已对按开关的这个活动没有影响。两者的判断区别：开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持续一定的时间。第十八页，共40页。3.按系统的复杂程度划分

①简单控制系统

简单控制系统复杂控制系统a.只有一个简单的反馈回路，又称为单回路控制系统。b.单输入——单输出的线性控制系统。第十九页，共40页。②复杂控制系统a.系统中包含多个调节器，多个检测变送器或多个执行器。b.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。夹套式反应器第二十页，共40页。第二十一页，共40页。4.按系统克服干扰的方法划分

①反馈控制系统

反馈控制系统前馈控制系统前馈-反馈控制系统

图1-5反馈控制系统方框调节器调节阀测量变送器调节通道扰动通道第二十二页，共40页。②前馈控制系统前馈补偿器测量变送器调节阀扰动通道调节通道图1-6前馈控制系统方框图

第二十三页，共40页。③前馈-反馈控制系统测量变送器调节器调节阀调节通道前馈补偿器测量变送器调节通道

图1-7前馈—反馈控制系统方框图第二十四页，共40页。1.5控制系统的过渡过程及其性能指标1.5.1控制系统的过渡过程1.定义从被控变量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，这个过程就是控制系统的过渡过程。

2.干扰的形式

阶跃干扰对控制的影响最大，例如负荷的变化、直流电路的突然断开或接通、阀门的突然变化等。图1-8阶跃干扰第二十五页，共40页。3.过渡过程的几种基本形式①发散振荡过程②等幅振荡过程③衰减振荡过程④非振荡的单调过程①发散振荡②等幅振荡③衰减振荡④单调振荡图1-9过渡过程的几种基本形式①②③④第二十六页，共40页。①发散振荡过程第二十七页，共40页。②等幅振荡过程第二十八页，共40页。③衰减振荡过程第二十九页，共40页。④非振荡的单调过程第三十页，共40页。以阶跃响应曲线形式表示的质量指标①最大偏差(超调量)②衰减比③回复时间④余差⑤振荡周期⑥上升时间⑦峰值时间偏差积分性能指标①误差②平方差积分指标③时间乘平方误差积分指标④绝对误差积分指标⑤时间乘绝对误差积分指标图1-10过渡过程曲线1.0第三十一页，共40页。①最大偏差(超调量)1.以阶跃响应曲线形式表示的质量指标第三十二页，共40页。②衰减比第三十三页，共40页。③回复时间第三十四页，共40页。④余差第三十五页，共40页。⑤振荡周期第三十六页，共40页。2.偏差积分性能指标

一般采用误差函数的积分形式来评价几种过渡过程线的“好坏”。

当系统有余差时，可定义为：

设控制系统的希望输出为r(t)，实际输出为y(t),则定义误差（偏差）为：第三十七页，共40页。1.绝对误差积分指标（IAE）

IAE指标在图形上也就是偏差面积积分。这种指标，对出现在设定值附近的偏差面积与出现在远离设定值得偏差面积是同等对待的。2.平方误差积分指标（ISE）

ISE指标对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标J是不一样的：远离者目标值要大一些；临近者