过程控制与自动化仪表(第3版)第1章

过程控制与自动化仪表、西安理工大学杨延西2017制作、 产品目录：第1章绪论第2章过程参数的检测和传输第3章过程控制仪表第4章被控制过程的数学模型第5章简易控制系统的设计第6章常用高性能过程控制系统第7章实现特殊过程要求的过程控制系统第8章复杂过程控制系统第计算机控制系统第10章典型的生产过程控制与工程设计，主要参考书实施仁自动化仪表与过程控制电子工业出版社，2003潘永湘，过程控制与自动化仪表机械工业出版社，2007年玉鸣，化工仪表与自动化化工出版社，2003马昕，深入浅出过程控制小锅带你学过控高等教育出版社，2013戴连奖等。 过程控制工程化工出版社，2012，本章要点，1 )掌握过程控制的概念、要求和任务，了解过程控制的发展状况2 )掌握过程控制系统的构成、特征、类型及其性能指标3 )了解过程控制系统的设计顺序和仪表的类型和发展4 )仪表电站锅炉及其辅助设备系统、电站锅炉及其辅助设备系统概要图， 煤斗煤炭供给机磨煤机空气预热器排气风扇燃烧器炉膛水冷壁屏幕式过热器高温过热器低温过热器煤吸尘器吸尘风扇烟囱送风机鼓包下降管顶棚过热器gg ggggggggggggg卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡653石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、原子能、环境工程等多个领域的自动控制系统都属于过程控制系统。 连续生产过程的特点是生产过程中各种流体在连续(或间歇)流动中进行物理化学反应、物质能量的转换或传递。 例如室内温度控制。 图1人工控制了室温。 冬天，室内的加温通过温水加热器加热送风后，送入恒温室。 为保证恒温室温满足要求，操作员应随时观察温度计的指示值，随时操作阀门判断保证恒温要求，决定后再操作。 此人的作用可分为三个步骤。 想看着眼睛做手势，看着眼睛将温度信号变换成控制器接受的信号。 脑想象控制器将输入的实测温度信号与要求值进行比较(减去偏差)，根据偏差值计算控制量。 手动调整阀门开口，执行元件完成控制器指令。 人工控制人的经验和注意力，控制不准确性。 通过基于所设定的计划进行计算控制，能够进行正确且适当的控制。 过程控制系统的定义：由若干相互联系、约束的仪表、装置和过程对象、设备组成的整体，以实现某些过程参数的自动控制。 图2是室温自动控制系统，用自动仪表代替人。一般用原理框图表示控制系统的原理。 图2的室温控制系统由温度变送器、控制器、电动调节阀、加热器和房间构成。 用通用名称表示：过程控制系统的主要任务是保持生产中的重要参数(温度、压力、流量、物料位置、成分、湿度等)恒定或按一定规律变化。图3是过程控制系统的原理框图，(1)受控制参数(也称为系统输出) y(t ) :要求在受控过程中保持稳定的过程参数的(2)控制参数(操作变量，也称为控制介质) q(t ) :控制参数预期的材料量或能量干扰量f(t ) :除了被控制参数以外，还作用于被控制过程，引起被控制参数的变化的各种系数(4)设定值r(t ) :与被控制参数对应的设定值(5)反馈值z(t ) :测定被控制参数并传送后的实际的测定值(6)偏差e(t ) :干扰量f(t ) :被控制参数被测定并传送后的实际的测定值(6)偏差e(t ) 过程控制系统的构成，1.1过程控制的特征过程控制系统具有以下特点：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1.2过程控制的发展概况过程控制的发展历程是过程控制装置(自动仪表)和系统的发展历程。 1.2.1过程控制装置和系统的发展过程1 .在局部自动化阶段(20世纪5060年代)，自动化仪表设置在现场生产设备中，只具备简单的测量功能。 适用于小规模、局部过程控制。 特点：自动仪表可分为各种标准功能单元，必要时可组合到各种控制系统中。 控制仪器集中在控制室，生产现场各处的参数以统一的模拟信号传送给控制室。 操作员可以在控制室监控生产过程的各处情况。 适用于生产规模大的多回路控制系统。 2、模拟机组仪表控制阶段(20世纪6070年代)、渭河电厂、巴基斯坦佳木肖电厂、哈尔滨伊兰气、3 .集散控制阶段(截至20世纪70年代中期)计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。 首先，设想将所有电路的控制计算机替换为1台计算机，实现直接数字控制(DDC、DirectDigitalControl )。 但是，DDC系统故障的危险性较高，计算机一旦发生故障，所有控制电路都会瘫痪，生产过程的风险增大。 因此，DDC系统应用不广泛。 80年代初，随着计算机性能的提高和体积的缩小，出现了内置CPU的数控仪表。 基于“集中管理、分散控制”理念，基于数字控制仪表、计算机和网络技术，开发了集中分散相结合的分散型控制系统(DCS，DistributedControlSystem )。 DCS系统实现分层结构，集中分散、管理故障风险的功能。 广泛应用。 随着CPU进入测量仪器和驱动器，自动化测量仪器完全实现了数字化、智能化。 在控制系统中，还出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统(FCS、FieldbusControlSystem )。 FCS系统将控制功能彻底置于现场，可以通过现场智能仪表实现生产过程的检测控制。 现场分布在现场的控制系统的通信连接到开放标准化的通信网络现场总线，以实现信息的集中管理。 巢湖电厂目前的运行室、兰州石化、过程控制实验室、1.2.2过程控制策略和算法的发展，伴随着自动仪表的发展，过程控制策略和算法也经历了简单复杂的发展过程。 基于经典控制理论的PID (proportionalintegralderivative )控制算法通过单环控制发展了串行控制、比率控制、前馈控制、均匀控制、史密斯估计控制、选择性控制等控制策略。 随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、估计控制、预测控制、模糊控制、自适应控制等控制策略和算法也越来越完善。 现代自动控制技术的主要特点： 1、功能综合化、控制与管理一体化成为趋势，其应用领域和规模越来越大。 2 .技术的密集化、系统的集成化是控制技术、通信技术、计算机技术的组合。3、系统智能化程度越来越高，控制精度越来越高，控制手段越来越丰富。 国内外着名仪表生产企业：西安仪表厂、四川仪表公司、上海仪表公司、Foxboro、Siemens、Rosemount、Honeywell等。 1.3过程控制系统的分类及其性能指标1.3.1过程控制系统的分类过程控制系统有很多分类方法。 根据控制参数分为：温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等控制系统进行处理的信号方式，按照3360模拟控制系统和数字控制系统的控制器种类，分为：通常的仪表控制系统然而，在研究控制原理时，常用的分类方法是根据设置值的形式和系统的结构特征来分类的。 1 .分类1 )数值控制系统的设置值以设置值的形式是恒定的。 2 )跟踪控制系统的设置值可以随时间而改变。 3 )程序控制系统的设置值在预定的时间程序上变化。 2 .系统的构造特征分类1 )反馈控制(闭环控制)具有将控制变量输入控制器，形成闭环，对控制变量施加负反馈的控制系统。 例如：反馈控制系统是过程控制的最基本的结构形式。 2 )前馈控制(开环控制)控制不对控制变量施加负反馈，不将控制变量导入控制器输入侧。 例如：开环控制系统的原理框图，3 )组合复合控制系统的前馈和反馈，补充优势。 例如，在前馈-反馈复合控制系统的原理框图中，1.3.2过程控制系统的性能指示符反映了控制系统的优劣，其中，当受控对象受到干扰并且受控变量改变时，控制系统抵抗该干扰并且修改受控变量。 为此，评价控制系统性能的指标是必要的。 控制系统的性能指标是根据对技术控制的要求制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。 1.3.2.1稳态和动态1，稳态控制变量不随时间变化的平衡状态称为系统稳态(静态)。 自动控制系统的输入和输出一定时，系统处于比较稳定的平衡状态，系统的各个环节也处于稳定的状态，但生产仍在进行中，材料和能源仍在进行中，但仍然稳定。 静态特性-静态时系统各要素的输入输出关系。 2、动态-受控变量随时间变化的失衡状态被称为系统动态。 也就是说，控制系统从一种平衡状态转变为另一种平衡状态的过程。 由于干扰，系统的平衡被破坏时，被控制变量变化，控制器和控制阀等的自动化装置发生控制作用，恢复系统的平衡。 动态特性：动态过程中系统各要素的输入输出发生变化的关系。 1.3.2.2控制系统过渡过程控制的输入发生变化后，系统从原始平衡状态经动态过程到新平衡状态的动态历史称为系统过渡过程。 系统迁移响应受内部和外部两个因素的影响。 1、内部要素：系统特性系统的特性取决于系统各环节的特性和系统结构。 2、外部因素：输入信号在系统特性一定时，控制变量的时间变化规则取决于系统的输入信号。 在生产中，出现的干扰信号是随机的。 但是，在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析的便利性，通常选择特定的输入信号。 其中，经常使用步进信号和正弦信号。 阶跃信号的输入突然对被控制变量的影响最大。 如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，则其它相对缓和的干扰也能够被成功地克服。 步进信号形式简单，易于实现，易于分析、实验和计算。 我经常使用步进信号。 如图所示，当输入信号是t=0时，步长为a，随后被保持。用f(t)=Au(t )表示，由于阶跃输入的干扰，数控系统的过渡过程有4种形式，单调衰减过程的被控变量在一定值一侧单调变化，最后稳定在某一数值。 振动衰减过程中控制变量上下波动，宽度逐渐减小，最后稳定在某一数值。 等幅振动过程的被控变量在规定值附近变动，变动幅度不变。 振荡发散过程中控制变量前后变动，变动幅度逐渐增大，远离规定值。 过渡过程的分类(1)稳定的过渡过程单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。 随着时间的推移，受控变量将逐渐趋向原始平衡状态或新的平衡状态。 衰减振动过程的过渡过程很短，常被采用。 单调过程的过渡过程慢，被控制变量从一定值长时间偏离，一般不采用，只在生产性地被控制变量不允许变动的情况下采用。 (2)在不稳定过渡过程的发散振荡过程中，不仅控制变量不能达到平衡状态，而且逐渐远离一定值，在生产上不允许控制变量超出过程的允许范围。 (3)临界过渡过程处于稳定与不稳定之间，一般认为是不稳定的过程，生产中并不普遍采用。 然而，当一些控制要求不高时，在比特控制的情况下，仅能获得该效果。1.3.2.3控制系统对其性能指标的控制系统的性能评估是通过过程对控制过程结果的要求来测量的。 控制系统过渡过程曲线是评价控制系统质量的样本。 最典型的控制性能测试是向系统输入步进信号并观察其步进响应的质量。 阶跃响应分为阶跃响应和干扰阶跃响应两种。 其阶跃响应曲线不同，但是反映出的控制系统的性能指标匹配。 干扰阶跃响应与给定阶跃响应的区别：1.系统阶跃响应的个别性能指标个别性能指标包括控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。 控制性能指标有单指标和综合指标两种单指标，以控制系统控制参数过渡过程的单独特征量为性能指标，偏差积分性能指标为综合指标。 在许多情况下，由于要求衰减振动过程，因此以衰减振动的过渡过程形式为例，探讨控制系统的质量指标。 1 )衰减比n和衰减率，第一波峰是y1，第二波峰是y2，衰减比n和衰减率是表示系统稳定性的指标。 当n大于1时，系统稳定。 随着n的增大，过渡过程逐渐从衰减振荡走向单调过程。 实验证明，当衰减比介于4:1和10:1之间时，迁移过程的衰减程度适当，迁移过程较短。 衰减比n与衰减率之间有简单的对应关系： n=4:110:1相当于=75%90%，最大的动态偏差是控制系统的动态精度指标。 (2)最大动态偏差y1和超调制量最大动态偏差表示系统瞬间偏离正常值的最大程度。 即，由于：y1=ymax-y()，有时用超调制量表示被控制参数偏离稳定值到什么程度，的定义为最初的波的峰值与最终稳定值y()之比。 也就是说，3 )残差c的过渡过程结束后，控制参数的稳定值y()与设定值的残差称为残差，也称为静差。 是衡量系统稳态准确性的指标。 C=r-y()调整时间Ts和振荡频率Ts是从过渡过程开始到过渡过程结束的时间。 如果被控制参数与稳定值之间的偏差落在稳定值的5% (或2% )之内，过程就会结束。 调节时间和振动频率是测量控制系统快速性的指标。 将转变过程中的相邻的两个同向峰值(或者谷)之间的时间间隔称为振荡周期t，将其倒数称为振荡频率f=1/T，并且也称为峰值时间Tp (也称为上升时间)，是指从转变过程开始到控制参数到达最初的峰值为止所需要的时间。 也是衡量控制系统迅速性的指标。例某热交换器温度控制系统的规定值为200。 由阶跃干扰引起的过渡过程曲线如图所示。 求出最大偏差、剩馀差、衰减比、振荡周期和过渡时间。 解：最大偏差Y1=230-205=25的馀数差C=200-205=-5衰减比n=y 1:-y3=2533605=533601，在振荡周期T=20-5=15(min )中设定控制变量进入稳定值的土壤2%，考虑到过渡过程结束，误差区域=200 曲线进入时间Ts=22min，控制系统的单质量指标总结稳定性衰减比n=4愚人节