过程控制课件

过程控制系统张亚庭

电控学院自动化

过程控制（Processcontrol）是指连续生产过程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。例如室内温度的控制。1.1过控系统的任务与组成第一章绪论图1为人工控制室温。假设在冬季，室内加温是通过热水加热器，将送风加热后源源不断送往恒温室。为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。

在此人的作用可分为三步：

眼看

脑想

手动送风回风恒温室温度计阀门图1室温人工控制示意图眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器可接受的信号。脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行比较（相减求偏差),并按偏差值计算出控制量。手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变开度。人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。

过程控制系统的定义：

为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体。图2为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。回风恒温室23送风热水M回水41图2室温自动控制系统示意图1—热水加热器；3—控制器；2—传感变送器；4—执行器TCTT在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。如图2的室温控制系统是由温度检测变送单元、控制器、电动调节阀和加热器及房间组成。用通用名称表示为：

过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。过程控制系统原理方框图过控系统主要组成部分

(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。

(2)、检测变送单元：检测课中已做介绍。

(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。

(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀控制进料量。常见的有电动和气动两种。 气动执行器有气开式和气关式之别。工艺设备

1、被控参数y：按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。2、控制量u：为调节器的输出；根据偏差值、经一定算法得到的输出值。

3、操纵量q：即调节介质。如室温自动控制系统的热水流量。常用术语：

4、测量值z：被控变量经检测变送后即是测量值。

5、给定值r：即被控变量的设定值。

6、偏差值e：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。7、干扰f:

凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。图2室温自动控制系统示意图1—热水加热器；2—传感变送器；

3—控制器；4—执行器回风恒温室23送风热水M回水41TCTT1.2过程控制的特点1．控制对象复杂、控制要求多样2．控制方案丰富3．控制对象大多属于慢过程4．大多数工艺要求定值控制5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置1.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.1过程控制系统的分类过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。1.按设定值的形式分类1）定值控制系统——设定值恒定不变。2）随动控制系统——设定值随时可能变化。3）程序控制系统——设定值按预定的时间程序变化。2.按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。如：

给定值被控变量干扰f

控制器变送器执行器被控对象+e实测值－反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。2）前馈控制系统（开环控制系统）控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。如：测量值被控量干扰f

控制器执行器被控对象

开环控制系统原理框图变送器3）复合控制系统

前馈与反馈相结合，优势互补。如：给定值被控变量干扰f

控制器1变送器1执行器被控对象+e实测值－变送器2控制器2++前馈-反馈复合控制系统原理框图1.3.2过程控制系统的性能指标当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。t0y1、衰减比n和衰减率ψ设第一个波振幅为y1、第三个波振幅为y3图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt衰减比n和衰减率ψ

是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：n=4:1~10:1

就相当于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。2、最大动态偏差A和超调量σ最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即:A

=ymax

-r

图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTtA有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度，σ的定义是第一个波振幅与最终稳态值y(∞)之比。图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt即:3、余差C过渡过程结束后，被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。C=

y(∞)-r图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt4）调节时间Ts和振荡频率f

Ts是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5%（或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y(∞)TpTSTt调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率f=1/T图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y(∞)TpTSTt另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt

[例]某换热器的温度控制系统给定值为200℃。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试求最大偏差、超调量、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。

解：最大偏差A=230-200=30℃超调量

σ=(25/205)×100%=12.2%余差C=205-200=5℃衰减比n=y1:

y3=25:5=

5:1振荡周期

T

=20–5

=15（min）设被控变量进入稳态值的土2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205×（±2％）＝±4.1℃在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。曲线进入时间点Ts=22min

控制系统的品质指标小结稳定性

衰减比n=4:1~10:1最佳*

准确性

余差C小好*最大偏差A或超调量σ小好*快速性

过渡时间Ts

短好*

振荡周期T

短好各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。1.4过程控制的发展概况过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。1.4.1过程控制装置与系统的发展过程1．局部自动化阶段（20世纪50～60年代）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。适用于小规模、局部过程控制。特点：自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。适用于生产规模较大的多回路控制系统。2．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）图2室温自动控制系统示意图1—热水加热器；2—传感变送器；

3—控制器；4—执行器回风恒温室23送风热水M回水41TCTT渭河电厂3．集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此，DDC系统并未得到广泛应用。

80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到广泛应用。集散控制系统组成框图：

管理计算机监控计算机监控2高速数据通道CRT操作站