第一章-绪论-过程装备控制技术及其应用

过程装备控制技术及其应用第1章绪论1.1过程装备控制技术的基本概念1.控制广义地讲控制本身是一种手段、措施或者讲是一种机制。它存在于大自然、人体本身、人类社会、工业生产过程等。应用在不同领域的控制技术产生了不同的科学学科。例如：环境科学生物科学及医学社会学及管理科学信息科学计算机技术通讯技术控制技术自然界动植物人类社会应用在工业生产过程中的控制方法和措施称之为自动化控制技术本课程针对工业生产过程来讨论控制方法。2.控制系统

人工调节机电控制电动仪表控制计算机分布控制系统控制系统是实现控制目的所必备的设备总和。不同的时期，根据技术的发展控制系统的设备构成是不同的。它经历了3.过程过程即工业生产过程。不同的企业产品不同生产过程也不同。从控制的角度出发把工业分成三类:习惯上,把连续型工业称为过程工业(processindustries),有时为突出其流动的性质也称为流程工业(fluidprocessindustries)。连续型离散型混合型4.过程装备通常是由一系列的过程机器和过程设备按一定的流程方式用管道阀门等连接起来的一个独立的密闭系统，再配以必要的控制仪表和设备，既能平稳连续地把以流体为主的各种流体性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性产品。如塔、换热器、反应器、储罐、压缩机、泵、分离机等。5.过程（装备）控制系统过程控制(processcontrol)通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,它是自动化控制技术的重要组成部分。1.2

过程控制系统的基本组成

1.人工操作与自动控制比较控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要手动控制的步骤：(1)眼看：观察液位数值；(2)脑想：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)手动：根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。控制器控制阀变送器进料口自动控制

液位工艺控制图液位仪表控制步骤：(1)检测：液位传感器感应液位值并将结果送控制器；(2)运算：把检测到的实际数值与设定值加以比较，将偏差经过适当运算，其结果作为输出给控制阀。(3)调节：控制阀根据控制器输出调节流量。蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包示意图蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动工艺控制图

2.液位自动控制的方框图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方框图来表示控制系统的组成。下页图为液位自动控制系统的方框图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。储罐液位传感与变送器液位控制器控制阀液位液位给定储罐液位自动控制系统方框图锅炉汽包液位传感与变送器液位控制器控制阀液位液位给定汽包液位自动控制系统方框图单回路控制系统方框图四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可选）控制器(调节器)被控对象检测元件及变送器（检测仪表）+－r(t)执行器显示仪表干扰f(t)ym(t)给定y(t)3.各部分作用和基本术语(1)被控对象被控对象是指被控制的生产设备或装置,如上述其水位受控制的储罐和锅炉汽包。常见的被控对象有塔、加热炉、分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋转窑、换热器、储存物料的槽、罐以及传送物料的管段等。图中用一个“被控对象”方框来表示,其输出就是生产过程中所要保持恒定的变量,例如液位等。在控制系统中称为被控变量,用y(t)来表示。其输入有两类，操纵变量和扰动操纵变量：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(2)检测元件及变送器

需要进行自动控制的参数称为被控变量,如上例中的锅炉汽包中的水位。被控变量由检测元件进行检测,当其输出不是电学量,或虽然是电学量,但不是4～20mA信号时,必须采用变送器将其转换为统一的标准电信号。变送器的输出就是被控变量y(t)的测量值ym(t)。(3)控制器

控制器作用：干扰一经产生,控制器就发出控制命令,对系统施加控制作用,使被控变量回到设定值。

设定值：按生产工艺要求给被控量规定一个参考值,称为设定值r(t),这是经过系统的自动控制作用被控量应保持的正常参数值。

负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减。控制器输入：被控变量的测量值ym(t)由系统的输出端反馈到系统的输入端,与设定值r比较后得到偏差值e(t)=r(t)-ym(t),就是控制器的输入信号。控制器运算：也称之为控制规律，即对偏差信号进行运算的数学方法。控制器输出：将运算结果输出作为控制阀的

输入信号u(t）。(4)控制阀/执行器

被控变量的测量值与设定值在控制器内进行比较后得到的偏差大小,由控制器按规定的控制规律(PID等)进行运算后,发出相应的控制信号u(t)去推动执行器,该控制信号是控制器的输出量,称为控制变量。由控制器发出控制信号,通过电动或气动执行器产生的位移量驱动控制阀门,以改变被控对象的操纵变量q(t),使被控变量受到控制。单回路控制系统方块图四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可选）控制器(调节器)被控对象检测元件及变送器（检测仪表）+－r(t)执行器显示仪表干扰f(t)控制信号u(t)偏差e(t)操纵变量q(t)ym(t)y(t)被控变量给定其他控制系统用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统图1-4蒸汽加热器温度工艺控制图

当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。TT加热炉的温度控制系统被控对象：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、燃料油热值等注意！方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。自动控制系统是一个闭环系统过程控制系统的发展可以分为三个阶段。1.3过程控制系统的发展概况

1.仪表控制系统阶段

2.计算机控制系统阶段

3.综合自动化阶段1.仪表自动化阶段

20世纪40年代前后,生产过程自动化主要是凭生产实际经验,局限于一般的控制元件及机电式控制仪器,采用比较笨重的基地式仪表,实现生产设备就地分散的局部自动控制。

20世纪50年代至60年代,先后出现了电动与气动单元组合仪表和巡回检测装置,采用了集中监控与集中操纵的控制系统,实现了工厂仪表化和局部自动化。

电动单元组合式仪表发展概况DDZ-Ⅰ型仪表：

20世纪60年代，放大元件为电子管、磁放大器DDZ-Ⅱ型仪表：

20世纪70年代，采用晶体管放大元件DDZ-Ⅲ型仪表：

20世纪80年代，采用集成电路S型仪表：

20世纪90年代，采用微处理器的数字调节器电厂生产车间使用常规仪表的中央控制室仪表集中控制室

仪表集中控制室

2.计算机控制阶段

20世纪70年代至80年代,由于集成电路与计算机技术的飞速进展,为过程控制的发展创造了条件,开始采用计算机直接数字控制(directdigitalcontrol,DDC)系统。

计算机集中控制系统集散控制系统(DCS)

随着现代工业生产的规模不断扩大,控制要求不断提高,过程参数日益增多,致使控制回路更加复杂。为了满足工业生产的监控集中、危险分散的要求,70年代中期,集散控制系统(distributedcontrolsystems,DCS,也称之为分布式控制系统)开发问世了。集散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）计算机集中监控室

计算机集中监控室

早期的DCS控制系统集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置（4C技术）。其特点:①结构上是分散的。就是将计算机分布到车间或现场。这不仅使系统的危险分散,消除了全局性的故障点,而且提高了系统的可靠性。②系统由于是分级的,能实现优化的最佳管理。实现了过程控制最优化和生产调度与经营管理自动化相结合,使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。3.综合自动化阶段从20世纪90年代开始,过程控制进入了综合自动化阶段。突出特征是在自动化工具上推出了现场总线控制技术。现场总线是智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它有如下特点:①用一对N结构代替一对一结构,②互换性、互操作性好,③控制回路彻底分散。它的出现标志着过程控制进入了真正的计算机时代。

综合自动化系统就是包括生产计划和调度、操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统,也称管理控制一体化的系统。这类系统是靠计算机及其网络来实现的,因此也称为计算机集成过程系统(computerintegratedprocesssystem,CIPS)。

CIPS是一种全新的哲理与概念,它以企业整体优化为目标,以计算机及网络为主要技术工具,以生产过程的管理和控制自动化为主要内容,将过去局部自动化的“孤岛”模式集成为一个整体的系统,它代表了当代自动化的潮流。生产制造管理信息系统——MMS1.4过程控制系统的分类

1.分类方法按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。其中第三种分类方法最普遍

“定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。1)定值控制系统2)随动控制系统（自动跟踪系统）

给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。3)程序控制系统（顺序控制系统）

给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。2.过程控制的特点:1)对象复杂多样生产过程的复杂性对象的辨识带来困难。

要正确描述对象特性还不完全可能,2)对象存在滞后

滞后：当流入(或流出)对象的质量或能量发生变化时,由于存在容量、惯性和阻力,被控参数不可能立即产生响应,这种现象称为滞后。滞后的大小决定于生产设备的结构和规模,并同研究它的流入量与流出量的特性有关。生产设备的规模愈大,物质传输的距离愈长,热量传递的阻力愈大,造成的滞后就愈大。一般来说,热过程大多具有较大的滞后,容易引起反馈回路产生振荡,对自动控制会产生十分不利的影响。3)对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变的,即当负荷改变时,其动态特性有明显的不同。如果只以较理想的线性对象的动态特性作为控制系统的设计依据,就难以得到满意的控制结果。须知大多数生产过程都具有非线性,弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。4)控制系统较复杂

任何生产过程被控制的参数都不是一个,这些参数又各具有不同的特性,要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统,由此采用了各种复杂的多回路控制系统。目前，要完全通过理论计算进行控制系统设计与控制参数的整定是不可能。目前已设计出各种各样的控制系统,都是通过必要的理论论证和计算,并且经过长期的运行、试验、分析、总结起来的,只要采用现场调整的方法得当,可望得到相当满意的控制效果。1.5控制系统的过渡过程和品质指标

1.控制系统的静态与动态静态：当一个控制系统的输入（给定和干扰）恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。

控制系统的输入:设定作用和扰动作用。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：在过程控制系统中，了解系统的静态特性是必要的，但是了解系统的动态特性更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。2.控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。

采用阶跃干扰的优点：

这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。阶跃干扰作用定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动)

y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)3.控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。过渡过程品质指标示意图

假定控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。五种重要品质指标之一1)最大偏差或超调量

最大偏差是指在过渡过程中，被控变量瞬间偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值A。是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。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。超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。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。即

2）衰减比nCtyBB’A0五种重要品质指标之二衰减比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，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’A03）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。五种重要品质指标之三上图中，

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稳态特性五种重要品质指标之四实际上，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%ATs5）振荡周期T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。五种重要品质指标之五其它一些次要指标：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、振荡周期。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。例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期。（设定值为200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)℃(3)衰减比：第一个波的振幅第二个波的振幅(℃)(℃)衰减比℃(4)过渡时间：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为(℃)那么，在新稳态值（205℃）两侧以限制范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min.℃（5）振荡周期振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期

T＝20-5＝15（min）某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。举例温度控制系统过渡过程曲线解最大偏差A＝230-200＝30℃

余差C＝205-200＝５℃由图上可以看出，第一个波峰值

B＝230-205＝25℃，第二个波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰减比应为B:B′＝25:5＝5:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20-5＝15（min）

分析

过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×（±2％）＝±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±４℃画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。影响控制系统过渡过程品质的主要因素

一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。

对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。本章小结过程控制系统应用场合基本任务基本组成表示方法发展历程类型及分类品质指标连续性生产过程克服干扰，跟随给定四部分工艺控制图，控制方框图DDZ仪表，DDC、DCS、FCS定值、随动、程序控制系统过渡过程、衰减振荡A、n、C、T、TsTHEEND1.1.4过程控制系统及其特点

1.系统分类：从控制的角度出发,可以把工业分成三类:连续型、离散型和混合型。习惯上,把连续型工业称为过程工业(processindustries),也称为流程工业(fluidprocessindustries)。任务：是对生产过程中的有关参数进行控制,主要对系统的温度、压力、量、液位、成分和物性六大类参数进行控制,使其保持为一定值或按一定规律变化,在保证质量和生产安全的前提下,使生产自动进行下去。

1.2过程控制系统的组成及分类下面以生产过程中最常见的锅炉控制为例来介绍一个过程控制系统的基本结构。1.2.1过程装备控制

1.汽包作用及控制原则作用：锅炉是生产蒸汽的设备,对于锅炉保持锅筒内的水位在一定范围内是非常重要的。如果水位过低,锅炉可能被烧干;如果水位过高,会导致生产的蒸汽含水量大,而且水还可能溢出。这些都相当危险,因此,水位控制是保证锅炉正常运行必不可少的。下图为锅炉水位控制原理图1—蒸汽阀门;2—过热器;3—锅筒;4—省煤器;5—给水阀1.人工控制

是靠人眼观察玻璃水位计,根据Δh的变化量,

经过比较(思考、分析、判断)后,动手去改变给水阀门的开度,相应增减给水量以保持水位在合理的位置处。如图所示。2.仪表控制采用仪表进行控制时,水位变化量Δh由水位计检测,并经液位变送器送到控制器,与水位设定值进行比较和运算后发出控制命令,由执行器改变阀门的开度,相应增减给水量相应增减给水量,以保持给水量与蒸发量之间的平衡,这就是锅炉水位自动控制过程,其结构如图所示。1.2.2过程控制系统的研究方法实现锅炉水位控制需要这样一些设备:

检测水位变化的传感器与变送器、比较水位变化并进行控制运算的控制器、实施控制命令的执行器、改变给水量的控制阀等,再加上一些其他必要的辅助装置,就可构成常规仪表过程控制系统。1.方框图

上图为液位自动控制系统的方框图,图中用方框表示组成控制系统的元、部件或环节。两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系,箭头指向方框表示为这个环节的输入,箭头离开方框表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。2.各部分作用和基本术语(1)被控对象被控对象是指被控制的生产设备或装置,如上述其水位受控制的锅炉。常见的被控对象有锅炉、加热炉、分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋转窑、储存物料的槽、罐以及传送物料的管段等。图中用一个“对象”方框来表示,其液位就是生产过程中所要保持恒定的变量,在自动控制系统中称为被控变量,用y来表示。(2)传感器和变送器需要进行自动控制的参数称为被控量,上例中的锅炉锅筒中的水位就是被控量,被控量往往就是对象的输出量。被控量由传感器进行检测,当其输出不是电学量,或虽然是电学量,但不是4～20mA信号时,必须采用变送器将其转换为统一的标准电信号。如果是气动仪表,则应转换为1.96×104～9.8×104Pa的气动信号。传感器或变送器的输出就是被控量的测量值z。(3)控制器控制器作用：干扰一经产生,控制器就发出控制命令,对系统施加控制作用,使被控量回到设定值。设定值：按生产工艺要求给被控量规定一个参考值,称为设定值r,这是经过控制系的自动控制作用被控量应保持的正常参数值。输入：被控量的测量值z由系统的输出端反馈到系统的输入端,与设定值r比较后得到偏差值e=r-z,就是控制器的输入信号。输出：作为控制阀的输入信号。(4)控制阀/执行器被控量的测量值与设定值在控制器内进行比较后得到的偏差大小,由控制器按规定的控制规律(PID等)进行运算后,发出相应的控制信号去推动执行器,该控制信号是控制器的输出量,称为控制量u。该信号由控制器发出,通过电动或气动执行器产生的位移量l驱动控制阀门,以改变输入对象的操纵量q,使被控量受到控制。1.2.3过程控制系统的分类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;

按结构计算机控制系统还可分为DDC、DCS和现场总线系统;

按其控制动作规律来分,有比例控制系统,比例、积分控制系统,