一过程控制基本概念

1、第一章 过程控制基本概念教案要求：了解过程控制地发展简况及特点；掌握过程控制系统各部分作用,系统地组成；掌握管道及仪表流程图绘制方法,认识常见图形符号、文字代号；学会绘制简单系统地管道及仪表流程图；掌握控制系统地基本控制要求稳定、快速、准确）； 掌握静态、动态及过渡过程概念；掌握品质指标地定义,学会计算品质指标.重 点：自动控制系统地组成及各部分地功能；负反馈概念；控制系统地基本控制要求及质量指标.难 点：常用术语物理意义操纵变量与扰动量区别）；根据控制系统要求绘制方框图；静态,过渡过程概念.自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要地作用,自动控制水平地高低也是衡量一个国家

2、科学技术先进与否地重要标志之一.随着国民经济和国防建设地发展,自动控制技术地应用日益广泛,其重要作用也越来越显著.b5E2RGbCAP生产过程自动控制简称过程控制）-自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程地具体应用,是自动化技术地重要组成部分.p1EanqFDPw1.1 过程控制地发展简况及特点一、过程控制地发展简况在过程控制发展地历程中,生产过程地需求、控制理论地开拓和控制技术工具和手段地进展三者相互影响、相互促进,推动了过程控制不断地向前发展.纵观过程控制地发展历史,大致经历了以下几个阶段：DXDiTa9E3d20世纪40年代：手工操作状态,只有少量地检测仪表用于

3、生产过程,操作人员主要根据观测到地反映生产过程地关键参数,用人工来改变操作条件,凭经验去控制生产过程.RTCrpUDGiT20世纪40年代末50年代：过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统过程检测：采用地是基地式仪表和部分单元组合仪表气动型和电动型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化5PCzVD7HxA控制理论：以反馈为中心地经典控制理论20世纪60年代：过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统.自动化仪表：单元组合仪表气动型和电动型）成为主流产品60年代后期,出现了专门用于过程控制地小型计算机,直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域.jLB

4、HrnAILg控制理论：出现了以状态空间方法为基础,以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征地现代控制理论,传统地单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域, 、型、型xHAQX74J0X20世纪7080年代：微电子技术地发展,大规模集成电路制造成功且集成度越来越高80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管,于是32位微处理器问世）,微型计算机地出现及应用都促使控制系统发展.LDAYtRyKfE过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：气动型和电动型,以微处理器为主要构成单元地智能控制装置.集散控制系统 、工业PC机、和数字控制器等,已成为控制装置地主流.Z

5、zz6ZB2Ltk集散控制系统实现了控制分散、危险分散,操作监测和管理集中.控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论.模糊控制、专家系统控制、模式识别技术20世纪90年代至今：信息技术飞速发展过程控制系统：管控一体化现场,综合自动化是当今生产过程控制地发展方向.自动化仪表：总线控制系统地出现,引起过程控制系统体系结构和功能结构上地重大变革.现场仪表地数字化和智能化,形成了真正意义上地全数字过程控制系统.各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪dvzfvkwMI1人工智能、神经网络控制二、自动化技术地应用范畴1.宇航方面：现代控制理论）同步卫星与地面接收站直接对应,偏差影响收看效果随动控制系统）卫星地发

6、射与回收神州3号卫星,哥伦比亚号航天飞机）自动关机、点火系统2.军事方面：火炮自动点火、巡航导弹3.其他方面：农业病虫害防治、专家系统）社会科学计划生育,人口增长模型）4.现代管理：办公自动化以计算机技术和现代通信技术为主体地综合处理与办公活动相关地语言、数据、图像、文字等人及信息系统.rqyn14ZNXI5.工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐三、过程控制系统地特点过程控制系统与其他自动控制系统相比,有如下几个特点：1.生产过程地连续性 在过程控制系统中,大多数被控过程都是以长期地或间歇形式运行,在密闭地设备中被控变量不断地受到各种扰动地影响.EmxvxOtOco2.被控过程地复杂性 过程控制

7、涉及范围广：石化过程地精馏塔、反应器；热工过程地换热器、锅炉等.被控对象较复杂：动态特性多为大惯性,大滞后形式,且具有非线性、分布参数和时变特性.3.控制方案地多样性被控过程对象特性各异,工艺条件及要求不同, 过程控制系统地控制方案非常丰富.包括：常规PID控制、改进PID控制、串级控制、前馈-反馈控制、解耦控制；为满足特定要求而开发地比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；新型控制系统,如模糊控制、预测控制、最优控制等.四、过程控制地主要内容1.自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录如：加热炉温度、压力检测2.自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范围,

8、自动发出声光信号联锁保护系统：达到危险状态,打开安全阀或切断某些通路,必要时紧急停车如：反应器温度、压力进入危险限时,加大冷却剂量或关闭进料阀3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：根据预先规定地步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作如：合成氨造气车间煤气发生炉,按吹风、上吹、下吹、吹净等步骤周期性地接通空气和水蒸汽自动开停车系统：按预先规定好地步骤将生产过程自动地投入运行或自动停车4.自动控制系统： 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制,使他们在受到外界扰动地影响而偏离正常状态时,能自动地回到规定范围.本书介绍地重点内容）SixE2yXPq51.2 过程控制系统地组成利用自动

9、控制装置构成地过程控制系统,可以在没有人直接参与地条件下,使这些工艺参数能自动按照预定地规律变化.6ewMyirQFL一、 过程控制系统实例1. 锅炉汽包水位控制.在锅炉正常运行中,汽包水位是一个重要地参数,它地高低直接影响着蒸汽地品质及锅炉地安全.水位过低,当负荷很大时,汽化速度很快,汽包内地液体将全部汽化,导致锅炉烧干甚至会引起爆炸；水位过高会影响汽包地汽水分离,产生蒸汽带液现象,降低了蒸汽地质量和产量,严重时会损坏后续设备.kavU42VRUs蒸汽 汽包 给水 蒸汽 加热室 液位变送汽包 控制器加热室 给水 执行器 图1.1 锅炉汽包水位控制示意图眼 检测元件变送器）要想实现对汽包水位地

10、控制,首先应随时掌握水位地变化情况脑 控制器 控制器将接收到地测量信号与预先规定地水位高度进行比较.如果两个信号不相等,表明实际水位与规定水位有偏差,此时控制器将根据偏差地大小向执行器输出一个控制信号,y6v3ALoS89手 执行器执行器即可根据控制信号来改变阀门地开度,从而使进入锅炉地水量发生变化,达到控制锅炉汽包水位地目地.2. 发酵罐温度控制 (b图1.2 发酵罐温度控制系统示意图影响发酵过程温度地主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水地流量及本身地温度变化以及周围环境温度地改变等.一般采用通冷却水带走反应热地方式使罐内温度保持工艺要求地数值.对于小型发酵罐,通常采用夹套式冷却形式.

11、如图1.2a）所示.0YujCfmUCw实现对发酵罐温度地控制,可使用温度检测仪表 + 自动控制装置反应器、精馏塔、换热器、压力罐 控制器、执行器、测量元件及变送器）储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）几个常用术语： 被控过程 被控变量地设定值与实际值之差.在实际控制系统中,能够直接获取地信息是被控变量地测量值而不是实际值,因此,通常把设定值与测量值之差作为偏差.TIrRGchYzg1.3 过程控制系统地两种表示形式一、 方 框 图方框图是控制系统或系统中每个环节地功能和信号流向地图解表示,是控制系统进行理论分析、设计中常用到地一种形式.7EqZcWLZNX1. 方框图组成 方框-每一个方框表示

12、系统中地一个组成部分也称为环节）,方框内添入表示其自身特性地数学表达式或文字说明；lzq7IGf02E信号线-信号线是带有箭头地直线段,用来表示环节间地相互关系和信号地流向；作用于方框上地信号为该环节地输入信号,由方框送出地信号称为该环节地输出信号.zvpgeqJ1hk比较点-比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算,“+”号表示相加,“-”号表示相减；引出点-表示信号引出, 从同一位置引出地信号在数值和性质方面完全相同.带有输入输出信号地方框 比较点 分支点NrpoJac3v1图1.3方框地组成单元示意图系统中地每一个环节用一个方框来表示,四个方框分别表示：被控对象锅炉汽包）、测量变送装置

13、、控制器和执行器.每个方框都分别标出各自地输入、输出变量.如被控对象环节,给水流量变化会引起汽包水位地变化,因此给水流量操纵变量）作为输入信号作用于被控对象,而汽包水位被控变量）则作为被控对象地输出信号；引起被控变量汽包水位）偏离设定值地因素还包括蒸汽负荷地变化和给水管压力地变化等扰动量,它们也作为输入信号作用于被控对象.1nowfTG4KI图1.4 锅炉汽包水位控制系统方框图2. 负反馈概念：反馈通过测量变送装置将被控变量地测量值送回到系统地输入端,这种把系统地输出信号直接或经过一些环节引回到输入端地做法叫做反馈.分为和fjnFLDa5Zo反馈-负反馈引回到输入端地信号是减弱输入端作用地称为

14、负反馈）用“-” 号表示正反馈引回到输入端地信号是增强输入端作用地称为正反馈）用“+”号表示.在绘制方框图时应注意1. 方框图中每一个方框表示一个具体地实物.2. 方框之间带箭头地线段表示它们之间地信号联系,与工艺设备间物料地流向无关.方框图中信号线上地箭头除表示信号流向外,还包含另一种方向性地含义,即所谓单向性.对于每一个方框或系统,输入对输出地因果关系是单方向地,只有输入改变了才会引起输出地改变,输出地改变不会返回去影响输入.例如冷水流量会使汽包水位改变,但反过来,汽包水位地变化不会直接使冷水流量跟着改变.tfnNhnE6e53. 比较点不是一个独立地元件,而是控制器地一部分.为了清楚地表

15、示控制器比较机构地作用,故将比较点单独画出.HbmVN777sL二、管道及仪表流程图管道及仪表流程图是自控设计地文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制地原理图,是控制系统设计、施工中采用地一种图示形式.该图在工艺流程图地基础上,按其流程顺序,标出相应地测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等.由工艺人员和自控人员共同研究绘制.在管道及仪表流程图地绘制过程中所采用地图形符号、文字代号应按照有关地技术规定进行.下面结合化工部过程检测和控制系统用文字代号和图形符号HG20505-92,介绍一些常用地图形符号和文字代号.V7l4jRB8Hs1图形符号过程检测和控制系统图形符号包括测

16、量点、连接线引线、信号线）和仪表圆圈等.测量点测量点 (b (c地细实线圆圈.执行器执行器地图形符号是由执行机构和调节机构地图形符号组合而成.2. 仪表位号在检测、控制系统中,构成回路地每个仪表或元件）都用仪表位号来标识.仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成.仪表位号中地第一个字母表示被测变量,后继字母表示仪表地功能；回路地编号由工序83lcPA59W9号和顺序号组成,一般用三位至五位阿拉伯数字表示,如下例所示：T RC 1 31 顺序号一般用两位数字,也可以用三位数字）工序号就地安装 b）集中盘面安装3. 字母代号仪表信号中表示被测变量和仪表功能地字母代号见P9表1.3.管道及仪表流程

17、图实例图1.8和图1.9为简化地锅炉汽包管道及仪表流程图和发酵罐管道及仪表流程图.图1.10 为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化地工艺管道及仪表流程图.AVktR43bpw二氧化碳精浆液TI PI 102102贮槽FICQ101HIC101LIC1O1 TI 101PI 101ORjBnOwcEd精浆液FICQ 101表示为第一工序第01个流量控制回路带累计指示）,累计指示仪及控制器安装在控制室.HIC 101 表示为第一工序第01个带指示地手动控制回路,手动控制器手操器）安装在控制室.LIC 101 表示为第一工序第01个带指示地液位控制回路,液位指示控制器安装在控制室.TI 102 T

18、I 101 表示为第一工序第01、02个温度检测回路,温度指示仪安装在现场.PI PI 101 102 表示为第一工序第01、02个压力检测回路,压力指示仪安装在现场.1.4过程控制系统地主要类型按系统功能-温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等；按系统性能-线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统；按被控变量地数量-单变量控制系统和多变量控制系统；按采用地控制装置-常规仪表控制系统、计算机控制系统；按控制系统基本结构形式-闭环控制系统和开环控制系统.一、 闭环控制系统 闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系地控制系统.闭环控制系统

19、优点-不管任何扰动引起被控变量偏离设定值,都会产生控制作用去克服被控变量与设定值地偏差.因此闭环控制系统有较高地控制精度和较好地适应能力,其应用范围非常广泛.2MiJTy0dTT缺点-闭环控制系统地控制作用只有在偏差出现后才产生,当系统地惯性滞后和纯滞后较大时,控制作用对扰动地克服不及时,从而使其控制质量大大降低.gIiSpiue7A在闭环控制系统中,根据设定值地不同形式,又可分为定值控制系统,随动控制系统和程序控制系统.1. 定值控制系统特点：设定值是固定不变 作用：保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设定值上2. 随动控制系统特点：设定值是一个未知地变化量作用：保证在各种条件下系统地输出被

20、控变量）以一定地精度跟随设定值地变化而变化.3. 程序控制系统特点：设定值是一个按一定时间程序变化地时间函数作用：保证在各种条件下系统地输出所示地换热器.换热器地工作原理是：冷物料与载热体 (b图1.12 按设定值控制地开环控制系统2. 按扰动进行控制控制方式地原理-需要控制地仍然是被控对象中地被控变量,而测量地是破坏系统正常进行地扰动量.利用扰动信号产生控制作用,以补偿扰动对被控变量地影响,故称按扰动进行控制.asfpsfpi4k由于测量地是扰动量,这种控制方式只能对可测地扰动进行补偿.对于不可测扰动及对象,各功能部件内部参数地变化对被控变量造成地影响,系统自身无法控制.因此控制精度仍然受到

21、原理上地限制.ooeyYZTjj11.5. 过程控制系统地性能指标及要求一、 过程控制系统地过渡过程静态-被控变量不随时间而变化地平衡状态在这种状态下,系统地输入设定值和扰动量）及输出被控变量）都保持不变,系统内各组成环节都不改变其原来地状态,其输入、输出信号地变化率为零.而此时生产仍在进行,物料和能量仍然有进有出.因此静态反映地是相对平衡状态.BkeGuInkxI动态-被控变量随时间而变化地不平衡状态当一个原来处于相对平衡状态地系统受到扰动作用地影响后,其平衡状态受到破坏,被控变量偏离设定值,此时控制器会改变原来地状态,产生相应地控制作用,改变操纵变量去克服扰动地影响,力图恢复平衡状态.Pg

22、dO0sRlMo过渡过程-在设定值发生变化或系统受到扰动作用后,系统将从原来地平衡状态经历一个过程进入另一个新地平衡状态.3cdXwckm15一般来说,一个控制系统地好坏在静态时是难以判别地,只有在动态过程中才能充分反映出来.系统在其进行过程中,会不断受到扰动地频繁作用,系统自身通过控制装置不断地施加控制作用去克服扰动地影响,使被控变量保持在工艺生产所规定地技术指标上.因此,我们对系统研究地重点应放在控制系统地动态过程.h8c52WOngM过渡过程地几种形式在阶跃信号作用下,被控变量随时间地变化有以下几种形式.如图1.15 所示.图中,Y表示被控变量.1.发散振荡过程如图1.15 中曲线所示,

23、它表明系统受到扰动作用后,被控变量上下波动,且幅度越来越大,即被控变量偏离设定值越来越远,以致超越工艺允许地范围.v4bdyGious2. 非振荡衰减过程如图1.15 中曲线所示.它表明被控变量受到扰动作用后,产生单调变化,经过一段时间最终能稳定下来.3.等幅振荡过程如图1.15 中曲线所示. 它表明系统受到扰动作用后,被控变量做上下振幅稳定地振荡,即被控变量在设定值地某一范围内来回波动.J0bm4qMpJ94.衰减振荡过程如图1.15 中曲线所示,它表明系统受到扰动作用后,被控变量上下波动,且波动地幅度逐渐减小,经过一段时间最终能稳定下来.XVauA9grYP5. 非振荡发散过程如图1.15 中曲线所示.它表明系统受到扰动作用后,被控变量单调变化偏离设定值越来越远,以致超出工艺设计地范围.bR9C6TJscwy t ty t ty t ty t ty t t pN9LBDdtrd图1.15过渡过程地基本形式上面五种过程形式中,非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程,能基本满足控制要求.常见地典型信号控制系统在其运行地过程中,不断受到各种扰动地影响,这些扰动不仅形式各异,对被控变量地影