第五单元“被控对象”电子教案

工业电器与自动化电子教案工业电器与自动化第二篇工业控制基础

在工业生产，特别是石油化工、电力轻纺行业的生产过程中，为保证产品质量，保证生产正常、安全、高效、低耗地进行，就必须将能影响产品质量和生产过程的压力（P）、物位（L）、流量（F）、温度（T）及物质成分（A）等几大热工变量控制在规定的范围内。而工业生产过程的容器和设备常常是密闭的；生产条件也更多是高温、深冷、高压或真空等超常状态；且多数工艺介质还具有易燃、易爆、有毒、有腐蚀性等性质。所以，在多数情况下，化工生产过程的控制是人力难以为之的，从而呼唤对工业过程的自动控制，也必需要实现自动化。控制篇导言一、生产过程自动化

在生产设备上配备一些自动控制装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，即用自动控制装置来管理生产过程的办法，称为生产过程的自动控制，简称过程自动化。自动化系统由“生产过程对象”、“自动化装置”两大部分（四大单元）组成，其中：生产过程对象为独立单元，自动化装置包括测量变送、控制、执行三个单元。（一）生产过程对象：需要控制的工艺设备（塔、器、槽等）、机器或生产过程。（二）自动化装置：包括仪表和新型智能器件。1．测量变送单元：是测量变送仪表，工程上用T表示；2．控制单元：各种控制仪表及各类计算机，工程上用C表示；3．执行器：各种电动、气动执行仪表，工程上用Z表示。所有单元之间通过国际统一标准信号4～20mADC电流（或20~100kPa气压）连接。

控制篇导言图5-1过程自动控制系统的组成框图二、过程控制系统的分类过程控制系统一般分为：生产过程自动检测系统、自动控制系统、自动报警联锁系统和自动操纵系统等四大类。（一）过程自动检测系统利用各种检测仪表自动连续地对相应的工艺变量进行检测，并能自动指示或记录的系统，称为过程自动检测系统。由检测对象和检测装置组成。若检测装置仅由检测部分、转换放大和就地显示环节构成，则为就地显示检测仪表。如：单圈弹簧管压力表、玻璃温度计等。若检测装置由检测部分、转换放大和数据处理环节与远传显示仪表（或计算机系统）组成，则将检测、转换、数据处理环节称为“传感器”（如：霍尔传感器、热电偶、热电阻等），它将被测变量转换成规定信号送给远传显示仪表（或计算机系统）进行显示处理。传感器输出信号为国际统一标准信号4～20mADC电流(或20~100kPa气压)时，称其为变送器(如:压力变送器、温度变送器等)。控制篇导言图5-2过程自动检测系统方框图（二）过程自动控制系统用自动控制装置对生产过程中的某些重要变量进行自动控制，使工业过程的工艺变量在受到外界干扰影响偏离正常状态后，又自动回复到规定的数值范围的系统。过程的自动控制系统可分为：定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统三种，生产过程中“定值控制系统”使用最多，故常以定值控制系统为例来讨论过程自动控制系统。显然，过程自动控制系统各单元代替人工控制功能的基本对应关系如下：眼：检测、变送器LT脑：控制器LC手：执行器（阀）控制篇导言图5-3过程自动控制系统的组成框图

由上图可知：定值控制系统是将生产过程对象中能影响产品质量和生产过程的压力（P）、物位（L）、流量（F）、温度（T）及物质成分（A）等几大工艺变量（控制工程上通称为被控变量Y）经检测元件和变送器，转化为被控变量Y的测量信号（简称测量值）Z，通过比较机构将被控变量Y的工艺规定指标（简称设定值）X比较并产生偏差值信号e；由控制器根据偏差e的正负、大小及变化情况，按预定的控制规律实施控制作用，目的是将生产过程的工艺变量（即被控变量Y）始终稳定在其工艺给定指标X上。控制篇导言

生产过程稳定后，由于在运行过程中，常由于随机因素（称其为扰动，用f表示），影响被控变量Y变化而偏离工艺给定指标（设定值X）。工业上通过检测元件和变送器­­——控制器——执行器形成“闭环负反馈系统”，作用于“对象”的操纵变量q，使被控变量Y重新回到其设定值X上。为便于联系，单元之间通过国际统一标准信号4～20mADC电流（或20~100kPa气压）连接。1．操纵变量q——控制器操纵执行器之信号，能使被控变量恢复到设定值的物理量或能量。如上例中的出水量。2．扰动f——除操纵变量外，作用于生产过程对象，引起被控变量变化的随机因素。如进料量的波动。控制篇导言（三）过程自动报警与联锁保护系统为确保生产安全，常对一些关键的生产变量设有自动信号报警与联锁保护系统。当变量接近临界数值时，系统会发出声、光报警，提醒操作人员注意。如果变量进一步接近临界值、工况接近危险状态时，联锁系统立即采取紧急措施，自动打开安全阀或切断某些通路，必要时，紧急停车，以防止事故的发生和扩大。（四）过程的自动操纵系统按预先规定的程序步骤，自动地对生产设备进行周期性操作的系统。过程控制的应用水平是衡量一个企业先进程度的重要标准，也是衡量一个国家发达程度的主要标志。控制篇导言三、过程仪表的分类过程仪表是实现过程控制的工具，种类繁多，从不同的角度可以有不同的分类方法。（一）按功能不同可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器。（二）按使用的能源不同可分为气动仪表和电动仪表。1．气动仪表：以压缩空气为能源，性能稳定、可靠性高、防爆性能好且结构简单。特别适合于石油、化工等有爆炸危险的场所。2．电动仪表：以电为能源，信息传递快，传送距离远，是实现远距离集中显示和控制的理想仪表。（三）按结构形式分可分为基地式仪表、单元组合仪表、组件组装式仪表等。（四）按信号形式分可分为模拟仪表和数字仪表。控制篇导言工业电器与自动化

第五单元被控对象关键词：被控对象、被控变量y、操纵变量q、扰动f、放大系数K、时间常数T、滞后时间τ、容量、阶越扰动、脉冲扰动。学习目标：知识目标：熟悉对象的内涵及其特性、理解对象变量之间的关系，明确扰动通道和控制通道的概念关系；了解被控变量、操纵变量对系统性能的影响，掌握被控变量与操纵变量的合理确定方法。能力目标：会分析生产过程中典型“对象”之间的变量关系以及扰动信号ｆ和操纵变量信号q对被控对象的作用。第五单元被控对象

在工业生产中，被控对象（简称对象）泛指工业生产设备。常见的有动设备、各类热交换器、塔器、反应器、贮液槽、各种泵、压缩机等。一些生产过程容易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；另一些生产过程却很难操作，工艺变量会产生大幅度的波动，稍有不慎就会超出工艺允许范围而影响生产工况，甚至造成生产事故。只有充分了解和熟悉了生产工艺过程，明确了对象的特性，才能得心应手地操作生产过程，使生产工况处于最佳状态。因此，研究和熟悉常见控制对象的特性对工程技术人员来说有着十分重要的意义。所谓对象特性就是指对象在输入作用下，其输出变量（被控变量）随时间变化而变化的特性。通常对象有两种输入，如下图所示，即操纵变量的输入信号q和外界扰动信号ｆ，其输出信号只有一个被控变量y。5-1对象的特性对象操纵变量q被控变量y扰动f图5-4对象信号框图工程上常把操纵变量q与被控变量y之间的作用途径称为控制通道，而把扰动信号ｆ与被控变量y的作用途径称为扰动通道。针对生产过程（工业对象），操纵变量q受控制器控制，使被控变量y稳定在工艺设定值上；扰动信号ｆ随机发生，对被控变量产生影响，使得y偏离工艺设定值。自动化的实质就是如何用操纵变量q作用对象克服扰动信号ｆ的作用，维持被控变量y稳定在其工艺设定值上。工程上常见的扰动信号ｆ大致有“阶越”和“脉冲”两种。5-1对象的特性ftt0阶越扰动ftt0脉冲扰动一、与对象有关的两个基本概念（一）对象的负荷当生产过程处于稳定状态时，单位时间内流入或流出对象的物料或能量称为对象的负荷，也叫生产能力。如液体贮槽的物料流量，精馏塔的处理量，锅炉的出汽量等等。负荷变化的性质（大小、快慢和次数）也常被视作是系统的扰动ｆ。负荷的稳定是有利于自动控制的，负荷的波动（尤其大的负荷）将对工艺过程产生很大影响。（二）对象的自衡如果对象的负荷改变后，无需外加控制作用，被控变量y能自行趋于一个新的稳定值，这种性质被称为对象的自衡性。有自衡性的对象易于自动控制。

5-1对象的特性图5-5水槽（对象）液位示意图二、描述对象特性的有关参数一个具有自衡性质的对象，在输入作用下，其输出最终变化了多少，变化的速度如何，以及它是如何变化的，可以由放大系数K、时间常数T、滞后时间τ加以描述。（一）放大系数K放大系数是指对象的输出信号（被控变量y）的变化量与引起该变化的输入信号（操纵变量q或扰动信号ｆ）变化量之间的比值。从对象框图可以看出：对象的通道静态放大系数K0＝△y/△q；扰动通道的放大系数Kf＝△y/△ｆ。

K0大，说明在相同操纵变量q作用下，被控变量的变化大，有利于系统的自动控制（但K0不能太大，否则，控制系统稳定性变差）；Kf大，说明对象中扰动作用强，不利于系统的自动控制,。工程上常常希望Kf不要太大。5-1对象的特性二、描述对象特性的有关参数（二）时间常数T时间常数是反应对象在输入变量作用下，被控变量变化快慢的一个参数。T越大，表示在阶跃输入作用下，被控变量的变化越慢，达到新的稳定值所需的时间就越长，工程上希望对象的T不要太大。（三）滞后时间τ有的过程对象在输入变量变化后，输出不是立即随之变化的，而是需要间隔一定的时间后才发生变化。这种对象的输出变化落后于输入变化的现象称为滞后现象。滞后时间τ就是描述对象滞后现象的动态参数，滞后时间τ分为纯滞后τ0和容量滞后τn；τ0是由于对象传输物料或能量需要时间而引起的，一般由距离与速度来确定。而τn一般由多容或大容量的设备而引起。滞后时间τ＝τ0＋τn；相对于控制通道，τ越小越好，相对于扰动通道，τ适度大点好。5-1对象的特性二、描述对象特性的有关参数（四）容量：对象的生产能力被称为“容量”，有单容和多容之分。当工业过程确定后，对象的特性也相应地已被确定。必须研究对象的特性，针对不同对象采用不同的控制措施，才能保证高质量的生产效益。现以图示的液位贮槽为例来说明对象的基本特性。从图中可以看出，对象为一水槽，被控变量y为液位L，操纵变量q是受人工（或仪表）控制的进水流量q，干扰f为出水流量，根据前述基本概念，可确定进水阀到液面之间的对象部分为控制通道；在控制阀开度不变的情况下，进水流量的意外变化或出水流量的随意改变都会影响液位L的变化，这部分都是扰动通道。其中K0、T、τ分别如图所示。5-1对象的特性5-1对象的特性5-6对象的特性曲线示意图

当对象（水槽）的扰动ｆ发生一个阶跃变化时，其输出变量（被控变量）液位L需经一段时间τ0才开始变化（纯滞后），再经一段过渡过程时间后才达到稳态值L0；液位以初速度变化达到新的稳态值L0所需的时间为时间常数T；在液位达到稳态值后其大小L0＝K0×A（输入变化量，即操纵变量q的变化量）的K0倍。因过程只涉及1个水槽，属单容对象。如对象涉及2个容器，则对象为双容对象，其容量滞后为τn，它表示从被控变量开始变化到过渡过程曲线拐点处的切线之间所需的时间。5-1对象的特性三、扰动通道特性对控制质量的影响（一）扰动通道静态放大系数Kf越大，扰动引起的输出越大，这就使被控变量偏离设定值越多。从控制的角度看，我们希望Kf越小越好。（二）扰动通道时间常数Tf越大，对扰动信号的滤波作用就越大，可抑制扰动作用，我们希望Tf越大越好。（三）扰动通道滞后时间对控制系统无影响，因为τf的大小仅取决于扰动对系统影响进入的时间早晚。5-1对象的特性四、控制通道特性对控制质量的影响

控制通道特性对被控变量的影响与扰动通道有着本质的不同，因为控制作用总是力图使被控变量与设定值一致，而扰动作用总是使被控变量与设定值相偏离。因此，控制通道特性对控制系统的影响基本如下：（一）控制通道静态放大系数K0越大，则控制作用越强，克服扰动的能力越强，系统的稳态误差越小，同时，K0越大被控变量对操纵变量的控制作用反应越灵敏，响应越迅速。但K0变大的同时，将使系统的稳定性变差。为保证控制系统的品质指标提高，兼顾系统的稳定性平稳，通常K0适当选大一点。（二）控制通道时间常数T0较大，控制器对被控变量的控制作用就不够及时，导致控制过程延长，控制系统质量下降；T0较小时，又将引起系统不稳定，因此，T0适中最佳。（三）控制通道滞后时间τ越大，对系统的控制肯定不利。另外，在生产过程控制中，经常用τ/T0作为反映过程控制难易程度的一种指标。一般认为τ/T0≤0.3的过程对象较容易控制，而τ/T0>0.5～0.6的对象较难控制。5-1对象的特性一、项目名称：典型生产过程对象的认知二、项目情境：由教师（代表管理方）对学生（员工）根据实训现场（或校外实训基地）的生产设备，进行工作任务的布置与分配，明确“典型生产过程对象认知”项目训练的目的、要求及内容，派发任务单。5-2训练项目项目名称子项目内容要求备注典型生产过程对象认知离心泵工艺分析学员按照人数分组训练：1.学会分析离心泵工艺过程；2.确定被控变量、操纵变量、扰动信号；分析之间的调节关系。传热设备工艺分析学员按照人数分组训练：1.学会分析换热器工艺过程；2.确定被控变量、操纵变量、扰动信号；分析之间的调节关系。精馏塔工艺分析学员按照人数分组训练：1.学会分析精馏塔工艺过程；2.确定被控变量、操纵变量、扰动信号；分析之间的调节关系。热水锅炉工艺分析学员按照人数分组训练：1.学会分析锅炉工艺过程；2.确定被控变量、操纵变量、扰动信号；分析之间的调节关系。目标要求学会分析典型对象工艺过程并明确变量之间的制约关系实训环境校外实训基地、校内实训室其他组别：组员：项目负责人：5-2训练项目三、项目实施具体完成过程是：按情境建立、项目布置→学生个人准备→组内讨论、检查→发言代表汇报→评价→展示案例、问题指导→组内讨论、修改方案→第二次汇报→评价→问题指导→再讨论再修改→第三次汇报→评价、验收→拓展任务、巩固训练→师生共同归纳总结→新项目布置等程序，完成本项目的具体任务。学生根据实训平台（条件）按照“项目要求”进行分组实施。（一）子任务一：离心泵工艺分析1．在实训现场，针对典型流体输送设备“离心泵”，由教师引领、学员自主练习，熟悉离心泵的工艺生产过程；2．以小组为单位，画出被控对象（设备）工艺流程草图，分析被控变量、操纵变量、扰动信号以及它们之间的制约关系。工业生产中，流体输送是必不可少的，如下5-7图所示。图5-7工业生产中的流体流动示意图1—低位槽；2—泵；3—高位槽；4—流量计;；5、7—阀门；6—示液管；8—精馏塔（一）子任务一：离心泵工艺分析流体输送过程中，若在无外加能量的情况下，流体只能利用流体的压差或液体的位差来克服流动的阻力，从高能状态向低能状态流动，即实现流体的“自流”。然而，实际生产过程中流体从一处向另一处输送，往往需要提高其位置或增加其静压强，或克服管路沿途的阻力，这就需要向流体施加机械功，即向流体补加足够的机械能。向流体做功以提高流体机械能的装置就是流体输送机械。离心泵是化工生产中应用最广泛的液体输送机械，离心泵之所以能够被广泛的采用，因其具有以下的优点：①结构简单，操作容易，便于调节和自控；②流量均匀，效率较高；③流量和扬程的适用范围较广；④适用于输送腐蚀性或含有悬浮物的液体。（一）子任务一：离心泵工艺分析离心泵的工艺流程如5-8图所示，物料从离心泵进口管路吸入泵体，液体在叶轮离心力的作用下从叶轮中心被抛向外缘并获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，送至所需的场所。5-8离心泵工艺示意图（一）子任务一：离心泵工艺分析

从图5-8中可以看出：离心泵的出口流量F是被控变量Y，工艺上一般要求其恒定在工艺指标上（设定值X0），从控制工程角度出发，是将出口管道作为“被控对象”进行特性分析，对象的操纵变量q、扰动信号f都是泵的出口流量F。它们之间的关系可表述为：出口流量F稳定后，由于扰动信号f变化，必将引起被控变量y（出口流量F）变化，使其偏离设定值X0，通过控制器调节，改变操纵变量q的大小，使被控变量y（出口流量F）回到其设定值X0上。从图中可以分析：当操纵变量q增大时，被控变量y（出口流量F）也增大，称对象是“正作用”方向。（二）子任务二：传热设备工艺分析1．在实训现场，针对典型传热设备“换热器”，由教师引领、学员自主练习，熟悉换热器的工艺生产过程；2．以小组为单位，画出被控对象（设备）工艺流程草图，分析被控变量、操纵变量、扰动信号以及之间的制约关系。（二）子任务二：传热设备工艺分析换热器是化工、石油、轻工、动力等许多工业部门使用的一种通用设备。在整个生产过程中占有相当重要的地位。据资料统计，在一般石油化工企业中，各种换热设备约占全厂设备总数的40%左右。由于化工生产中对换热器有不同的要求，换热设备有各种形式。按冷、热流体间热量交换的方式，可将换热器分成间壁式、直接混合式和蓄热式三种类型。按换热器用途分，可分成加热器、冷凝器、冷却器等；按换热器的结构(及传热面形状)来分，可分成管式换热器、板式换热器和特殊形式换热器等；按换热器所用材料的不同来分，可分成金属材料换热器和非金属材料换热器等。具体生产中，由于管式间壁换热器使用较多，学员可通过现场设备分析“管式换热器”工艺过程如图5-9所示。（二）子任务二：传热设备工艺分析

图5-9换热器工艺示意图（二）子任务二：传热设备工艺分析由图5-9中可看出：换热器的出口热流体温度T是被控变量Y，工艺上一般要求其恒定在工艺指标上（设定值X0），对象的操纵变量q是载热体的流量、扰动信号f是换热器的冷流体流量（或出口流量）F。之间的关系为：出口热流体温度T稳定后，由于扰动信号f变化，将引起被控变量y（出口热流体温度T）变化，使其偏离设定值X0，通过控制器调节，改变操纵变量q的大小，使被控变量y（出口热流体温度T）回到其设定值X0上。当操纵变量q增大时，被控变量y（出口热流体温度T）也增大，故称对象为“正作用”方向。（三）子任务三：精馏塔工艺分析1．在实训现场，针对典型生产设备“精馏塔”由教师引领、学员自主练习，熟悉精馏塔的工艺生产过程；2．以小组为单位，画出被控对象（设备）工艺流程草图，分析被控变量、操纵变量、扰动信号以及它们之间的制约关系。以甲醇生产中的粗甲醇的精馏来了解蒸馏或精馏的工艺过程，见5-10图所示：图5-10精馏塔工艺示意图1-精馏塔；2-再沸器；3-回流罐（三）子任务三：精馏塔工艺分析粗甲醇经预热到65˚C，进入预蒸馏塔除去残余的溶解气体及低沸物（主要是不凝性气体和轻组份）。由加压塔顶部出来的蒸汽经冷凝后，一部分作为加压塔的回流液，另一部分进入精甲醇计量槽。由预蒸馏塔塔底出来的甲醇通过加压泵进入第一主精馏塔（加压塔），由加压塔的塔底排出的甲醇溶液进入常压塔。常压塔出来的塔顶蒸汽一部分作为回流液，一部分送到精甲醇计量槽，常压塔的塔底残液进入废水汽提塔处理。图中设备3是一个典型的精馏塔生产对象。精馏塔的主要功能是分离液体均相混合物，按照操作方式是否连续可分为间歇蒸馏和连续蒸馏，生产中以连续蒸馏为主。连续精馏的生产工艺如图5-10所示。（三）子任务三：精馏塔工艺分析原料经预热器加热到一定温度后进入精馏塔，以进料口为界，塔顶被称为“精馏段”；塔釜被称为“提馏段”。在精馏塔内，蒸汽沿塔上升，上升汽相中易挥发组分增加，难挥发组分减少。从塔顶引出的蒸汽进入冷凝器冷凝，冷凝液一部分作为塔顶产物（又称馏出液），经塔顶冷凝、冷却，进入馏出液贮槽，一部分回流至塔内作为液相回流，称为“回流液”。在精馏塔内，下降液体中难挥发组分增加，易挥发组分减少，塔釜排出来的液体称为塔底产品或釜残液，进入贮槽。（三）子任务三：精馏塔工艺分析精馏段控制：如塔顶馏出液为主要产品，通常采用精馏段指标控制，以精馏段某一点温度T（或成分）为被控变量y，以回流量量为操纵变量q，精馏段为“对象”，当回流量增加时，被控变量y（精馏段温度T）下降，称对象为“反作用”方向。提馏段控制：若塔釜液为主要产品，通常采用提馏段指标控制，以提馏段某一点温度T（或成分）为被控变量y，以塔釜加热蒸汽量F为操纵变量q，提馏段为“对象”，当加热蒸汽量F增加时，被控变量y（精馏段温度T）上升，称对象为“正作用”方向。（四）子任务四：热水锅炉工艺分析1．在实训现场，针对典型生产设备“热水锅炉”由教师引领、学员自主练习，熟悉热水锅炉的工艺生产过程；2．以小组为单位，画出被控对象（设备）工艺流程草图，分析被控变量、操纵变量、扰动信号及其之间的制约关系。常压锅炉工艺流程：软水以一定的流量进入常压锅炉，在炉内获得热量产生水蒸汽，水蒸汽由出口排出供应用热设备，锅炉残水由炉底排出。如图5-11所示：图5-11热水锅炉工艺示意图

（四）子任务四：热水锅炉工艺分析工艺上常常以锅炉内水位H为被控变量y，进水流量F为操纵变量q，保持炉内水位H（被控变量y）稳定在其设定值X0上。如蒸汽负荷（扰动信号f）增加，造成炉内水位H下降，经过控制器调节，增大给水量F（操纵变量q），恢复炉内水位H高度，保证锅炉正常安全运行。因操纵变量q增加时，由于炉内水位H（被控变量y）也