过程装备控制技术及应用第1章

1、1 过程装备控制技术及应用过程装备控制技术及应用 2 课程主要内容课程主要内容 3 1 控制系统基本概念控制系统基本概念 1.1 1.1 概述概述 过程装备控制含义过程装备控制含义 指在过程装备上，配上一些自动化装置以及合适的自指在过程装备上，配上一些自动化装置以及合适的自 动控制装置来代替操作人员部分或全部直接劳动，使设计、动控制装置来代替操作人员部分或全部直接劳动，使设计、 制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。 生产过程自动化生产过程自动化 指利用自动化装置来管理生产过程的方法，以确保生指利用自动化装置来管理生产过程的方法，以确保生 产正常运

2、行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本， 改善劳动条件，减轻劳动强度等。改善劳动条件，减轻劳动强度等。 4 生产过程自动化系统的组成生产过程自动化系统的组成 自动检测系统自动检测系统 采用各种检测仪表自动连续地对各种工艺变量进行测采用各种检测仪表自动连续地对各种工艺变量进行测 量，并将测量结果用仪表纪录下来作为自动控制的依据。量，并将测量结果用仪表纪录下来作为自动控制的依据。 信号联锁系统信号联锁系统 是一种安全装置，常对关键性变量设置信号报警或联是一种安全装置，常对关键性变量设置信号报警或联 锁保护的装置。锁保护的装置。 自动操纵系统自动操

3、纵系统 自动地对生产设备进行某种周期性操作，以减轻操作自动地对生产设备进行某种周期性操作，以减轻操作 人员的繁重或者重复性立体力劳动的装置。人员的繁重或者重复性立体力劳动的装置。 自动控制系统自动控制系统 利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重 要的工艺变量进行自动调节。要的工艺变量进行自动调节。 5 换热器换热器温度自动控制系统温度自动控制系统 6 过程装备控制的要求过程装备控制的要求 安全性（最重要）安全性（最重要） 指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全。指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全。 经济性经济性 指在同样质量和数量产

4、品所消耗的能量和原材料最少，指在同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少， 生产成本低而效益高。生产成本低而效益高。 稳定性稳定性 系统应具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运系统应具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运 行的能力。行的能力。 过程装备控制的任务过程装备控制的任务 在了解掌握工艺流程和生产过程的静态、动态特性在了解掌握工艺流程和生产过程的静态、动态特性 的基础上，的基础上， 针对过程装备的主要参数针对过程装备的主要参数,即温度、压力、液即温度、压力、液 位、成分和物性等等参数进行控制。位、成分和物性等等参数进行控制。 7 锅炉水位控制锅炉水位控制 1.任务任务 维持汽包水

5、位在规定的数值上。维持汽包水位在规定的数值上。 2.重要性重要性 汽包水位过低，蒸汽量少满足不了工汽包水位过低，蒸汽量少满足不了工 艺，且导致锅炉烧坏爆炸。艺，且导致锅炉烧坏爆炸。 汽包水位过高，使蒸汽夹带水分，对汽包水位过高，使蒸汽夹带水分，对 后续生产设备造成影响和破坏。后续生产设备造成影响和破坏。 3.原因原因 蒸汽负荷变化而给水量不变。蒸汽负荷变化而给水量不变。 给水压力发生变化而负荷不变。给水压力发生变化而负荷不变。 4.措施措施 根据物料平衡原理，保证锅炉的给水根据物料平衡原理，保证锅炉的给水 量和蒸汽排出量相等。量和蒸汽排出量相等。 1.2 控制系统的组成及其作用控制系统的组成及

6、其作用 常用的控制工艺参数：温度、压力、浓度、液位常用的控制工艺参数：温度、压力、浓度、液位 8 人工控制人工控制 阀门阀门 9 自动控制自动控制 执行器执行器 10 人工控制与自动控制的比较人工控制与自动控制的比较 11 控制系统的组成控制系统的组成 1.被控对象被控对象 工艺变量需要控制的生产设备或机器。工艺变量需要控制的生产设备或机器。 2.测量元件及变送器测量元件及变送器 测量需要控制的工艺参数并将其转化为测量需要控制的工艺参数并将其转化为 一种特定信号（电流信号或气压信号）一种特定信号（电流信号或气压信号） 的仪器。的仪器。 3.调节器调节器 又称控制器，将检测元件或变送器送又称控制

7、器，将检测元件或变送器送 来的信号与其内部的工艺参数给定值信来的信号与其内部的工艺参数给定值信 号比较，得到偏差信号。号比较，得到偏差信号。 4.执行器执行器 接受调节器送来的信号，自动改变阀门接受调节器送来的信号，自动改变阀门 的开度，从而改变输送给被控对象的能的开度，从而改变输送给被控对象的能 力或料量。力或料量。 执行器执行器 12 1.3 1.3 控制系统的方框图控制系统的方框图 1.环节环节：图中的每一个方块。具有单向性，只能由输入：图中的每一个方块。具有单向性，只能由输入 得到输出，不能逆行。得到输出，不能逆行。 2.线条线条：控制系统中传递的信息。：控制系统中传递的信息。 3.箭

8、头箭头：指出了信息的作用方向。送入的信息为环节的：指出了信息的作用方向。送入的信息为环节的 输入信号，送出的信息为输出信号。输入信号，送出的信息为输出信号。 4.加法器加法器：方框图中的圆圈，用于信号的相加或相减。：方框图中的圆圈，用于信号的相加或相减。 调节器调节器执行器执行器被控过程被控过程 测量元件及变送器测量元件及变送器 s y )(设定点参比信号 e 偏差 u 控制信号 m 操纵变量 f 干扰变量 y 被控变量 m y 简单控制系统方框图简单控制系统方框图 13 被控变量被控变量y：需要控制的工艺参数（压力、温度、液位）。：需要控制的工艺参数（压力、温度、液位）。 给定值给定值ys(

9、设定值设定值)：生产中被控变量的期望值。：生产中被控变量的期望值。 测量值测量值ym：由测量元件得到的被控变量的实际值。：由测量元件得到的被控变量的实际值。 操纵变量操纵变量m(控制变量控制变量)：调节阀输出信号，：调节阀输出信号，具体实现控制具体实现控制 作用的变量作用的变量。例如。例如锅炉的给水流量锅炉的给水流量。 干扰干扰f(外界扰动外界扰动)：引起被控变量偏离给定值的，：引起被控变量偏离给定值的，除操纵变除操纵变 量以外的各种因素。量以外的各种因素。 偏差信号偏差信号e：给定值与测量值的差。：给定值与测量值的差。 控制信号控制信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。：控制器将偏差按

10、一定规律计算得到的量。 调节器调节器执行器执行器被控过程被控过程 测量元件及变送器测量元件及变送器 s y )(设定点参比信号 e 偏差 u 控制信号 m 操纵变量 f 干扰变量 y 被控变量 m y 控制系统中的七个常用术语控制系统中的七个常用术语 14 1.4 1.4 控制系统的分类控制系统的分类 1. 按给定值特点划分按给定值特点划分 定值控制系统定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统 定值控制系统定值控制系统 定值控制系统的给定值是恒定不变的。定值控制系统的给定值是恒定不变的。 15 随动控制系统随动控制系统 随动控制系统的给定值是一个不断变化的信号，而且随动

11、控制系统的给定值是一个不断变化的信号，而且 这种变化不是预先定好的，即给定值得变化是随机的。这种变化不是预先定好的，即给定值得变化是随机的。 （1）用来精确地跟随或复现某个过程。其特点是输入为未知。）用来精确地跟随或复现某个过程。其特点是输入为未知。 (2） 随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误 差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如如雷达天线雷达天线控制控制 系统等。系统等。 程序控制系统程序控制系统 程序控制系统的给定值也是不断变化的信号，但是这种程

12、序控制系统的给定值也是不断变化的信号，但是这种 变化是一个已知的函数，即给定值按一定的时间程序变化。变化是一个已知的函数，即给定值按一定的时间程序变化。 如如程序控制机床程序控制机床的程序控制系统的输出量应与给定量的变化规律相同。的程序控制系统的输出量应与给定量的变化规律相同。 16 2.按系统输出信号对操纵变量影响划分按系统输出信号对操纵变量影响划分 闭环控制闭环控制 开环控制开环控制 闭环控制闭环控制 系统输出信号的改变会返回影响操纵变量，即操纵变系统输出信号的改变会返回影响操纵变量，即操纵变 量依赖于输出变量。量依赖于输出变量。 调节器根据被控变调节器根据被控变 量偏差信号的大小产生量偏

13、差信号的大小产生 相应的控制作用，改变相应的控制作用，改变 操纵变量，克服干扰作操纵变量，克服干扰作 用的影响。用的影响。 17 开环控制开环控制 系统的操纵变量不受系统输出信号的影响。系统的操纵变量不受系统输出信号的影响。 一个工业控制系统，当一个工业控制系统，当 反馈回路断开，或处于人工手反馈回路断开，或处于人工手 动操作状态开环控制系统时，动操作状态开环控制系统时， 就成为了开环控制系统。就成为了开环控制系统。 不将控制的结果反馈回来影响当不将控制的结果反馈回来影响当 前控制的系统前控制的系统 。 举例：打开灯的开关举例：打开灯的开关按下开按下开 关后的一瞬间，控制活动已经结束，关后的一

14、瞬间，控制活动已经结束， 灯是否亮起已对按开关的这个活动没灯是否亮起已对按开关的这个活动没 有影响有影响 。 两者的判断区别两者的判断区别：开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一：开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一 定会持续一定的时间。定会持续一定的时间。 18 3.按系统的复杂程度划分按系统的复杂程度划分 简单控制系统简单控制系统 简单控制系统简单控制系统 复杂控制系统复杂控制系统 a.只有一个简单的反馈回路，又称为单回路控制系统。只有一个简单的反馈回路，又称为单回路控制系统。 b.单输入单输入单输出的线性控制系统。单输出的线性控制系统。 19 复杂控制系统复杂控制系

15、统 a. 系统中包含多个调节器，多个检测变送器或多个执行器。系统中包含多个调节器，多个检测变送器或多个执行器。 b. 系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号 和多个输出信号。和多个输出信号。 夹夹 套套 式式 反反 应应 器器 20 21 4.按系统克服干扰的方法划分按系统克服干扰的方法划分 反馈控制系统反馈控制系统 反馈控制系统反馈控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统 图图1-5 1-5 反馈控制系统方框反馈控制系统方框 调节器调节阀 测量变送器 调节通道 扰动通道 x e p f m y 被控对

16、象 22 前馈控制系统前馈控制系统 前馈补偿器测量变送器 调节阀 扰动通道 调节通道 f m 1 y 2 y y 图图1-6 1-6 前馈控制系统方框图前馈控制系统方框图 被控对象 23 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统 被控对象 测量变送器 调节器调节阀调节通道 前馈补偿器测量变送器调节通道 f y mx 图图1-7 前馈前馈反馈控制系统方框图反馈控制系统方框图 24 1.5 1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标控制系统的过渡过程及其性能指标 1.5.1 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 1.定义定义 从被控变量受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，从被控变量受到干扰作用使被控变量偏

17、离给定值时起， 调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围 内，这个过程就是控制系统的内，这个过程就是控制系统的过渡过程。过渡过程。 2.干扰的形式干扰的形式 阶跃干扰对控制的影响最大，例如负荷的变化、阶跃干扰对控制的影响最大，例如负荷的变化、 直流电路的突然断开或接通、阀门的突然变化等。直流电路的突然断开或接通、阀门的突然变化等。 图图1-8 阶跃干扰阶跃干扰 3.3.过渡过程的几种基本形式过渡过程的几种基本形式 发散振荡过程发散振荡过程 等幅振荡过程等幅振荡过程 衰减振荡过程衰减振荡过程 非振荡的单调过程非振荡的单调过程 发散振荡发

18、散振荡 等幅振荡等幅振荡 衰减振荡衰减振荡 单调振荡单调振荡 图图1-9 过渡过程的几种基本形式过渡过程的几种基本形式 t y t y t y t y 26 发散振荡过程发散振荡过程 27 等幅振荡过程等幅振荡过程 28 衰减振荡过程衰减振荡过程 29 非振荡的单调过程非振荡的单调过程 1.5.2 控制系统性能指标控制系统性能指标 以阶跃响应曲线形式表示的质量指标以阶跃响应曲线形式表示的质量指标 最大偏差最大偏差 ( (超调量超调量 ) ) 衰减比衰减比 回复时间回复时间 余差余差 振荡周期振荡周期 上升时间上升时间 峰值时间峰值时间 偏差积分性能指标偏差积分性能指标 误差误差 平方差积分指标

19、平方差积分指标 时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标 绝对误差积分指标绝对误差积分指标 时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标 A n s t )(e T r t p t 图图1-10 过渡过程曲线过渡过程曲线 1.0 s t p t r t t ty %5 0 31 最大偏差最大偏差 (超调量超调量 )A 1.以阶跃响应曲线形式表示的质量指标以阶跃响应曲线形式表示的质量指标 32 衰减比衰减比n 33 回复时间回复时间 s t 34 余差余差)(e 35 振荡周期振荡周期T 36 2.偏差积分性能指标偏差积分性能指标 一般采用误差函数的积分形式来评价几种过渡过程线一般采用误差函数的积分形式来评价几种过渡过程线 的的“好坏好坏”。 当系统有余差时，可定义为：当系统有余差时，可定义为： 设控制系统的希望输出为设控制系统的希望输出为r(t