過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用2015第一章

1、 主講：電信學(xué)部 潘學(xué)軍 課時：40學(xué)時 課程性質(zhì)：必修課 參考書：工業(yè)出版社第1章 控制系統(tǒng)的基本概念1.1 概述1.2 控制系統(tǒng)的組成1.3 控制系統(tǒng)的方框圖1.4 控制系統(tǒng)的分類1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程及性能指標1.6 本門課程的主要內(nèi)容1.1 概 述過程裝備控制過程裝備控制是指在過程設(shè)備上，配上一些自動化裝置以及適合的自動控制系統(tǒng)來代替操作人員的部分或全部直接勞動，使設(shè)計、制造、裝配、安裝等在不同程度上自動地進行。這種利用自動化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法就是生產(chǎn)過程自動化生產(chǎn)過程自動化。因此，過程裝備控制是生產(chǎn)過程自動化最重要的一個分支。生產(chǎn)過程自動化生產(chǎn)過程自動化是提高社會生產(chǎn)力的有

2、力工具之一。它在確保生產(chǎn)正常運行，提高生產(chǎn)質(zhì)量，降低能耗，降低勞動條件，減輕勞動強度等方面具有巨大的作用。 1.1.1 生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)所包含的內(nèi)容生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)所包含的內(nèi)容生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)包含如下四個部分的內(nèi)容生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)包含如下四個部分的內(nèi)容：（1）自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng) （2）信號連鎖系統(tǒng)信號連鎖系統(tǒng)（3）自動操縱系統(tǒng)自動操縱系統(tǒng) 這是一種根據(jù)預(yù)先規(guī)定的程序，自動的對生產(chǎn)設(shè)備進行某種周期性操作。 （4） 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 利用一些自動控制儀表及裝置，對生產(chǎn)過程中某些重要的工藝變量進行自動調(diào)節(jié)，使它們在受到外界干擾影響偏離正常狀態(tài)后，能夠自動地重新回復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)

3、，從而保證生產(chǎn)的正常進行。1.1.2 過程裝備控制的任務(wù)和要求過程裝備控制的任務(wù)和要求 過程裝備控制是工藝生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分，它主要是針對過程裝備的主要參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位（或物位）、成分和物性等參數(shù)進行控制。 工藝生產(chǎn)過程裝備控制的要求是多方面的，最終可以歸納為三項要求：即安全性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。安全性，是指在整個生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備的安全，這是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限報警，事故報警和連鎖保護等措施加以保證。穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運行的能力。 過程裝備控制的任務(wù)就是在了解，掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上

4、，根據(jù)上敘三項要求，應(yīng)用理論對控制系統(tǒng)進行分析和綜合，最后采用合適的技術(shù)手段加以實現(xiàn)。因此可以說，過程裝備控制是控制理論、工藝知識、計算機技術(shù)和儀表儀器等相結(jié)合而構(gòu)成的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)。工業(yè)生產(chǎn)過程都是在一定的溫度、壓力、濃度、物位等工藝條件下進行的。為此，必須對這些工藝變量進行控制，使其穩(wěn)定在保證生產(chǎn)正常運行的范圍之內(nèi)。為了實現(xiàn)控制要求 ，通常有兩種方式可以選擇：人工控制和自動控制。 下面以鍋爐汽包水位控制為例，說明人工控制與自動控制的執(zhí)行過程。 1.2.1 過程裝備的控制過程裝備的控制1.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成圖圖11 鍋爐水位控制示意圖鍋爐水位控制示意圖（a）人工控制）人工控

5、制 （b）自動控制）自動控制 1.2.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成：一部分是起控制作用的全套自動控制系統(tǒng)，它包括測量儀表，變送器，控制儀表以及執(zhí)行器等；另一部分是自動控制裝置下的生產(chǎn)設(shè)備，即被控對象如鍋爐、反應(yīng)器、換熱器等。系統(tǒng)各部分的作用如下: 被控對象 ：在自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)設(shè)備或機器稱為被控對象，簡稱對象。 測量元件和變送器 ：測量需控制的工藝參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為一種特定信號（電流信號或氣壓信號）的儀器。 調(diào)節(jié)器：又稱控制器，它將檢測元件或變送器送來的信號與其內(nèi)部的工藝參數(shù)給定值進行比較，得到偏差信號；根據(jù)這個偏差的大小按一定的運算規(guī)律計

6、算出控制信號，并將控制信號傳送給執(zhí)行器。 執(zhí)行器： 接受調(diào)節(jié)器送來的信號，自動地改變閥門的開度，從而改變輸送給被控對象的能量或物料。 在研究控制系統(tǒng)時，為了能夠更清楚表示出控制系統(tǒng)中各個組成部分之間的相互影響和信息聯(lián)系，一般用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成和作用。如圖12所示為一簡單控制系統(tǒng)的方框圖。 1.3 控制系統(tǒng)的方框圖控制系統(tǒng)的方框圖 被控變量y ： 指需要控制的工藝參數(shù)，如鍋爐汽包的水位、反應(yīng)器的溫度等。它是被控對象的輸出信號,也是自動控制系統(tǒng)的輸出信號。但它是理論上的真實值，由測量變送器輸出的信號是被控變量的測量值ym 。 給定值（或設(shè)定值）Ys ：對應(yīng)于生產(chǎn)過程中被控變量的期望值。

7、測量值 Ym： 由檢測元件得到的被控變量的實際值。 操縱變量（或控制變量）m ： 在圖11所示的例子中，就是鍋爐的給水流量。化工、煉油等工廠流過調(diào)節(jié)閥的各種物料或能量，或者由觸發(fā)器控制的電壓或電流都可以作為操縱變量。 干擾（或外界干擾）f ：引起被控變量偏離給定值的，除操縱變量以外的各種因素。鍋爐水位控制中，蒸汽用量的變化就是一種干擾。 偏差信號 e ： 在理論上應(yīng)該是被控變量的實際值與給定值之差，而能夠直接獲取的信息是被控變量的測量值。因此，通常把給定值與測量值的差作為偏差，即 e = y sy m。在反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差信號的大小去決定操縱變量。 控制信號 u ：控制器將偏差按一

8、定規(guī)律計算得到的量。1.4 控制系統(tǒng)系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)系統(tǒng)的分類 自動控制系統(tǒng)的分類方法有很多。例如，按被控變量的不同，可以分為溫度控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)等。按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律來分類，可分為比例控制系統(tǒng)、比例積分控制系統(tǒng)、比例微分控制系統(tǒng)、比例微分積分控制系統(tǒng)等。但是，在分析自動控制系統(tǒng)的特性時，常常采用下述幾種分類方法。 1.4.1 按給定值的特點劃分按給定值的特點劃分 定值控制系統(tǒng) ：定值控制系統(tǒng)的給定值是恒定不變的。控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）應(yīng)穩(wěn)定在與給定值相對應(yīng)的工藝指標上，或在規(guī)定工藝的上下一定范圍內(nèi)變化。在生產(chǎn)過程中，大多數(shù)場合要求被控變

9、量保持恒定或在給的給定值附近。 隨動控制系統(tǒng)： 隨動控制系統(tǒng)的給定值是一個不斷變化的信號。這類系統(tǒng)的主要任務(wù)是使被控變量能夠迅速地、準確無誤地跟蹤給定值的變化，因此這類系統(tǒng)又稱為自動跟蹤系統(tǒng)。 程序控制系統(tǒng)： 程序控制系統(tǒng)的給定值也是一個不斷變化的信號，但這種變化是一個已知的時間函數(shù)。這類系統(tǒng)在間隙生產(chǎn)中的應(yīng)用比較廣泛，食品工業(yè)中的罐頭溫度控制、造紙工業(yè)中制漿蒸煮溫度控制等，它們要求的溫度指標不是一個恒定的數(shù)值，而是一個按工藝規(guī)程規(guī)定好的時間函數(shù)，具有一定的升溫時間、保溫時間、降溫時間等。 1.4.2 1.4.2 按系統(tǒng)輸出信號對操縱變量影響劃分按系統(tǒng)輸出信號對操縱變量影響劃分 閉環(huán)控制：在閉

10、環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出信號的改變會返回影響操縱變量，所以操縱變量不是獨立的變量，它依賴于輸出變量。閉環(huán)控制系統(tǒng)的最常見形式是負反饋控制系統(tǒng)。當操縱變量使系統(tǒng)的輸出信號增大時，反饋影響操縱變量的結(jié)果使輸出信號減小。負反饋是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基本條件。一個工業(yè)控制系統(tǒng)，當調(diào)節(jié)器進入“自動”運行時，就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)的操縱變量不受系統(tǒng)輸出信號的影響。為了使系統(tǒng)的輸出滿足事先規(guī)定的要求，必須周密而準確的計算操縱本來的變化規(guī)律。一個工業(yè)控制系統(tǒng)，當反饋回路斷開就成為開環(huán)控制系統(tǒng)。1.4.3 按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分簡單控制系統(tǒng) ：一般稱圖12所示的控制系統(tǒng)為簡單控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)

11、只有一個簡單的反饋回路，所以也可稱為單回路控制系統(tǒng)。 復(fù)雜控制系統(tǒng) ： 工程上的控制系統(tǒng)常常比較復(fù)雜，它們可表現(xiàn)為在系統(tǒng)中包含多個調(diào)節(jié)器、檢測變送器或執(zhí)行器，從而形成系統(tǒng)中存在有多個回路或者在系統(tǒng)中存在有多個輸入信號和多個輸出信號。為了和簡單控制系統(tǒng)相區(qū)別，稱其為復(fù)雜控制系統(tǒng)。圖13所示的夾套式反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)就是具有兩個回路的控制系統(tǒng)。該反應(yīng)器的溫度T1通過進入夾套的蒸汽量加以控制。圖中TC為溫度調(diào)節(jié)器，TT為溫度測量變送器。圖14為該控制系統(tǒng)的方框圖。 從圖14中可以看出，這是具有兩個反饋回路的控制系統(tǒng)，工程上又稱為串級控制系統(tǒng)。此外，還可以有更多的回路或更為復(fù)雜的形式 。 反饋控制系統(tǒng)

12、 ：如圖15所示，當干擾f使系統(tǒng)被控變量發(fā)生改變時，被控變量反饋至系統(tǒng)輸入端與給定值相比較并得到偏差信號，經(jīng)調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)閥影響操縱變量以減弱或消除被控變量的變化。 1.4.4 1.4.4 按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分前饋控制系統(tǒng) ：如圖16所示。當干擾 f 引起被控對象的輸出y2改變時，控制系統(tǒng)測得干擾信號的大小，并輸入前饋補償器（或稱前饋控制器），由前饋補償器的輸出去控制操縱變量m，引起被控對象輸出y1的改變，并且y1與y2的方向相反，由此減弱或消除被控變量y受干擾影響而產(chǎn)生的變化。當前饋完全補償時，有yy1y20。 前饋反饋控制系統(tǒng) ：當以上兩種控制系統(tǒng)復(fù)合到一起時，就

13、構(gòu)成了前饋反饋控制系統(tǒng)，如圖17所示。這種系統(tǒng)當受到干擾f的影響時，可以通過前饋控制器使被控變量不變，若前饋補償不完全，還可以通過反饋控制系統(tǒng)加以修正?？刂葡到y(tǒng)受其他因素影響，或系統(tǒng)的給定值發(fā)生改變時，則由反饋控制系統(tǒng)加以控制。1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標處于平衡狀態(tài)下的自動控制系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量會發(fā)生變化而偏離給定值，系統(tǒng)進入過渡過程。自動控制系統(tǒng)的作用就是檢測變化、計算偏差并消除偏差。在這一過程中，被控變量的變化情況、偏離給定值的最大程度以及系統(tǒng)消除偏差的速度、精度等都是衡量自動化控制系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)。 1.5.1 控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)

14、的過渡過程從被控對象受到干擾作用使被控變量偏離給定值時起，調(diào)節(jié)器開始發(fā)揮作用，使被控變量回復(fù)到給定值附近范圍內(nèi)。然而這一回復(fù)并不是瞬間完成的，而是要經(jīng)歷一個過程，這個過程就是控制系統(tǒng)的過渡過程。它是控制系統(tǒng)在閉環(huán)情況下，在干擾和自動控制的共同作用下形成的。圖1-8階躍干擾 在生產(chǎn)過程中，干擾的形成是多種多樣的，而且大部分都屬于隨機性質(zhì)的，其中階躍干擾（圖18）對控制系統(tǒng)的影響最大，且最為多見。例如負荷的變化、直流電路的突然斷開或者接通、閥門的突然變化等。因此，本書只討論在階躍干擾影響下控制系統(tǒng)的過渡過程。在階躍干擾的作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程有如圖19所示的幾種基本形式。圖1-9過渡過程的幾種

15、基本形式（a）發(fā)散振蕩；（b）等幅振蕩（c）衰減振蕩；（d）單調(diào)過程 發(fā)散振蕩過程 ：如圖19（a）所示，它表示系統(tǒng)在受到階躍干擾的作用后，不但不能使被控變量回到給定值，反而越來越偏離給定值，以至超出生產(chǎn)的規(guī)定限度，嚴重時引起事故。這是一種不穩(wěn)定的過渡過程，因此要盡量避免。 等幅振蕩過程： 如圖19（b）所示，被控變量在某穩(wěn)定值附近振蕩，而振蕩幅度恒定不變。這意味著系統(tǒng)在受到階躍干擾作用后，就不能再穩(wěn)定下來，一般不采用。對于某些工藝上允許被控變量在一定范圍內(nèi)附近上下波動的、控制質(zhì)量要求不高的場合，這種形式的過渡過程還是可以接受的。 衰減振蕩過程： 如圖19 (c)所示，被控變量在穩(wěn)定值附近上下

16、波動，經(jīng)過二三個周期就穩(wěn)定下來。這是一種穩(wěn)定的過渡過程，在控制過程中，多數(shù)情況下都希望得到這樣的過渡過程。 非振蕩的單調(diào)過程 ： 如圖19（d）所示，它表明被控變量最終穩(wěn)定下來了，是一個穩(wěn)定的過渡過程。但與衰減振蕩相比，其回復(fù)到平衡狀態(tài)的速度慢、時間長，因此一般不采用。 1.5.2 控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的性能指標衰減振蕩的過渡過程是人們所希望得到的一種穩(wěn)定過程。它能使被控變量在受到干擾作用后重新趨于穩(wěn)定，并且控制速度快、回復(fù)時間短。但每一個衰減振蕩過程的控制質(zhì)量并不完全相同。要評價和討論一個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，就必須建立某些統(tǒng)一的衡量標準。通常采用如下的兩大類標準。 一類是以系統(tǒng)受到單位

17、階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線（又稱為過渡過程曲線）的形式給出的，如最大偏差（或超調(diào)量）、衰減比、余差、回復(fù)時間等，稱為過渡過程的質(zhì)量指標；另一類是偏差積分性能指標，一般是希望輸出與系統(tǒng)實際輸出之間誤差的某個函數(shù)的積分，常用的有平方誤差積分指標（ISE）、時間乘平方誤差的積分指標（ITSE）、絕對誤差積分指標（IAE）以及時間乘絕對誤差的積分指標（ITAE）等，這些值達到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。.最大偏差A(yù)（或超調(diào)量）： 對一個給定值控制系統(tǒng)來說，最大偏差是指過渡過程中被控變量第一個波的峰值與給定值的差，如圖110(a)中的A；在隨動控制系統(tǒng)中，通常采用另一個指標超調(diào)量。00100yyt

18、yp（11） (1) 以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標 回復(fù)時間 ts： 也稱過渡時間、穩(wěn)態(tài)時間，是指被控變量從過渡狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)的時間間隔，即整個過渡過程所經(jīng)歷的時間。從理論上講，被控變量完全達到新的穩(wěn)定狀態(tài)需要無限長的時間，但通常在被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值的 正負5的范圍內(nèi)不再超出時，就認為被控變量已達到新的穩(wěn)態(tài)值。因此，實際的過渡時間是從擾動開始作用之時起，直至被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值的正負 5的范圍內(nèi)所經(jīng)過的時間。 余差e（ ）：是指過渡過程結(jié)束時，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差，即 e（ ）= y（ ）ys。它雖然不是過渡過程的動態(tài)指標，但卻是很重要的質(zhì)量指標。在控制系統(tǒng)中，余差反映了系統(tǒng)的控制精度：余差越小，精度越高，控制質(zhì)量就越好。 振蕩周期T： 過渡過程的第一個波峰與相鄰的第二個同向波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期（或稱工作周期），其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在相同的衰減比條件下，振蕩周期與過渡時間成正比。因此，振蕩周期短些為好。 （2）偏差積分性能指標）偏差積分性能指標偏差：( )( )( )( )- ( )-e tr ty tr ty t其中：給定值 輸出值穩(wěn)態(tài)誤差：( )( )( )eyr 平方誤差積分指標（ISE）