自动化专业英语PART4.docx
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自动化专业英语PART4
PART4
Unit1A过程控制系统
此部分的主要目的是满足读者对自动过程控制的需要和激励读者来学习。
自动过程控制与持续过程变量、温度、压力、流量、成分和期望操作值一类的量有关。
正如我们在后续的章节中所看到的,过程本身是动态的。
变化不断发生,并且如果激励未加入,重要的过程变量——与安全有关的变量、产品质量和生产率——将不能获得期望值。
为了强化概念,让我们来考虑一个过程流通过浓缩流加热的热变换器,其过程框图如图4-1A-1
此单元的目的是把一过程流从某一入口温度Ti(t)加热
到某一期望出口温度T(t)。
如前所述,热介质是浓缩流。
只要对周围环境没有热损失,过程流所获得的能量等
同于浓缩流释放的热量。
也就是说,热变换器和管子均绝
缘。
在这种情况下,释放的热量就是浓缩流浓缩的潜热。
在此过程中,有许多变量可变化,从而造成出口温度
偏离期望值。
如果发生此情况,激励必须加入以更正此偏
差。
也就是说,激励将控制出口温度以维持其期望值。
完成此目的的一种方法是首先测量温度T(t),然后与
期望值比较,基于此比较值,确定以什么来更正偏差。
浓图4-1A-1热交换器
缩流的流量可用于更正偏差。
也就是说,如果温度高于期
望值,那么到热变换器的浓缩流的流量(能量)可调节减少。
如果温度低于期望值,那么到热变换器的浓缩流的流量(能量)可调节增加。
所有这些均可由操作者人工完成,并且如果过程简单明了,这将不成问题。
然而,在大多数过程控制工厂中,均有数百个变量必须保持期望值,那么更正过程将需要大量的操作人员。
因此,我们希望自动的完成此控制。
这就是说,我们需要一些不用操作人员介入就可控制这些变量的设备。
这就是我们所说的自动过程控制。
为完成此目的,必须设计和实现控制系统。
一种可能
的控制系统和其基本元件如图4-1A-2所示。
首先是测量过
程流的出口温度,完成此任务的是传感器(热电偶、阻抗
温度仪、*系统温度计、电热调节器等)。
传感器会与热敏
电偶相连,热敏电偶从传感器采一输出点,并把其转换为
足够强的信号传递给一控制器。
控制器接受与温度相关的
信号,并与期望值相比较。
依赖于此比较值,控制器可确
定怎样保持温度在期望值。
基于此决定,控制器给终端控
制元件传送另一信号,其反过来操作流量。
前面的段落介绍了控制系统的四个基本元件。
它们是:
图4-1A-2热交换器控制回路
1传感器,通常称为主要元件。
2热敏电偶,通常称为次要元件。
3控制器,控制系统的“脑”。
4终端控制系统,经常为控制阀但不总是。
一般其它终端控制元件为可变的速度泵、传送机和电动机。
这些元件的重要性在于它们执行的是在每一个控制系统中所必须的三个基本操作。
这些操作是:
1测量(M):
传感器和热偶电阻的组合元件经常测量被控变量。
2设定(D):
基于测量值,控制器决定怎样维持变量在期望值。
3执行(A):
作为控制器决定后的结果,系统必须采取一定的措施,通常有终端控制元件完成。
如上所述,在每一个控制系统中这三个基本操作:
M、D和A都会存在。
在某些系统中,决定-执行操作相当简单,而在另一些系统中操作很复杂。
工程人员设计控制系统时必须确保采取的措施要影响控制变量,也就是说,采取的措施要影响测量值。
否则,系统是不可控的且有可能弊大于利。
B过程控制的基本要素
自动过程控制的重要术语
目前,定义一些用于自动过程控制领域的术语是必要的。
第一个术语是被控量,此变量必须维持或控制在某一期望值。
在前面的例子中,过程出口温度T(t)是被控量。
第二个术语是参考点,即被控量的期望值。
操纵量是用于维持被控量处于期望值的变量,在上例中,流量是操纵量。
最后,造成被控量偏离参考点的任何变量被定义为扰动或干扰。
在大多数过程中存在许多不同的扰动。
在图4-1A-2所示的热变换器的例子中,入口过程温度Ti(t)、过程流量q(t)、流能量的质量、周围环境、过程流体成分、阻塞等均可能是扰动。
在这里重要的是理解在过程控制工业中,大多数情况下,正是因为扰动的存在才需要自动过程控制。
如果没有扰动,设计-操作情况将盛行,并且将没有必要不断监测过程。
下面的附加术语也很重要。
开环指的是控制器与过程开断的情况。
也就是说,控制器并不决定怎样维持控制量在参考点。
在开环控制中的另一个例子是控制器采取的措施(A)不能影响测量(M)。
的确,这是控制系统设计的一个重大缺陷。
闭环控制指的是控制器与过程连接,参考点与被控量比较并决定更正措施的情况。
基于这些术语的定义,自动过程控制系统的对象可陈述如下:
自动过程控制系统的对象是尽管有扰动存在,也可利用操作量来维持被控量在其设置值。
调节和伺服系统
在一些过程中,由于扰动,被控量偏离恒定的参考点。
调节控制指的是设计的系统补偿扰动。
在另一些情况中,最重要的扰动是参考点本身,也就是说,参考点可能是时间的函数(典型的是成批处理),因此被控量必须随参考点变化。
伺服控制指的是控制设计的系统达到此目的。
在过程控制工业中,调节控制远远比伺服控制更为普遍。
然而,设计这两种控制的基本方法基本是一样的。
因此自动过程控制中的很多原理对两者都适用。
传输信号
现在解释几个用于控制系统仪表间通讯的信号。
目前,用于过程工业的信号主要有三类,气动信号或气压通常在3到15表压,6到30表压或3到27表压的信号也较常用到。
在管系和仪表图(P&ID)中气压信号的一般表示符号为。
电力或电子符号通常在4到20毫安,10到50毫安的符号也常用到,此符号在P&ID中的一般表示符号为--------。
越来越普遍的第三类符号是数字的或抽象的符号(零一)。
基于大型计算机、小型计算机和微处理器的过程控制系统的应用是强迫增强此类信号的应用。
经常需要把一类信号变换为另一类信号,这由传感器完成。
例如,可能需要把一个电信号,单位为毫安变换成一个气动信号,单位为表压,这由电流(I)-气动(P)传感器(I/P)。
框图如图4-1B-1所示。
输入信号在4到20毫安之间,输出信号在3到15表压之间。
其他传感器还有:
气动-电流传感器(P/I),电压-气动传感器(E/P),气动-电压传感器(P/E)等等。
过程控制所需背景
为使自动过程控制在实际中成功应用,工程师首先必须理解过程
工程的原理,因此本单元假设读者熟悉热力学、流体流、热传送、分图4-1B-1I/P传感器
断过程、响应过程等的过程工程的基本原理。
为了学习过程自动控制,理解怎样处理动态性能也是非常重要的,因此需要建立一套描述不同过程的方程,这就叫做建模。
为了做到这一点,需要前面段落提到的基本原理知识和不同方程式的数学知识。
在过程控制中,拉普拉斯变换应用非常广泛。
这在很大程度上简化了微分方程的求解、过程的动态分析和其控制系统。
学习和实践过程控制的另一个重要“工具”是计算机仿真。
建立描述过程的很多方程式本身是非线形的,因此,求解最精确的方法是运用数字方法,即计算机求解。
过程模型的计算机求解被称为仿真。
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Unit2A传感器和变送器
在第一单元中,我们了解了控制系统的四个基本元件是传感器、变送器、控制器和终端控制元件。
我们也知道了这些元件执行每一个控制系统的三个基本操作:
测量(M)、设定(D)和执行(A)。
本部分随着控制器较详细的研究,简单介绍一下传感器和变送器。
传感器和变送器执行的是控制系统的测量(M)操作。
传感器产生一个机械的或与测量的过程变量相关的类似的现象。
反过来,变送器把这一现象转换为可以传递的信号。
因此,信号与过程变量相关。
存在与传感器/变送器组合元件相关的三个重要术语。
通过测量的过程变量的高低数值来设定仪表的范围。
也就是说,可以考虑使用标有刻度的压力传感器/变送器来测量20表压到50表压间的过程压力。
我们可以说,传感器/变送器组合元件的范围是20~50表压,仪表的测量范围与高低压数值间的范围是不同的。
上述的压力仪表测量范围是30表压。
总之,我们必须明确高低数值来限定仪表的范围,也就是说,两个数值必须给出,仪表的测量范围与两个数值间的范围是不同的。
最后确定,低压数值作为仪表的零点。
仪表的零点并不一定就是零,上述例子中,仪表的零点是20表压。
其他工业传感器有:
压力、流量、温度和水平面。
有时候,获得描述传感器/热敏电阻动态性能的参数对于系统分析是很重要的。
一旦得知测量间隔,增益即可容易获得。
考虑一个范围为0-200表压得电子压力传感器/变送器,增益被定义为输入变化量除以输出变化量或激励函数变化量除以响应变化量。
在这种情况下,输出是电子信号(4~20毫安),输入是过程压力(0~200表压),因此
考虑的另一个例子是范围在100~300°F的气动温度传感器/热敏电阻。
增益为
也就是说,传感器/变送器的增益是输出测量范围与输入测量范围的比率。
上述的两个例子表明传感器/变送器的增益是超过其完全操作范围的常量,大多数传感器/变送器都是这种情况;然而,也有一些象用于测量流的微分压力h传感器不是这种情况的例子。
微分压力传感器冷处理孔处的微分压力。
微分压力与测定体积流的速率F的平方有关,即
描述当测量范围为0~Fmaxgpm的测定体积流时,输出信号形式为微分压力热敏电阻的公式为
式中M为输出信号,毫安;F为测定体积流
从等式中可知,变送器的增益获得如下:
标称增益为:
此表达式说明增益不是常量,而是一个时间的函数。
流量越大,增益越大。
明确的说,
因此,实际上增益在零到两倍标称增益间变化。
在流体控制系统中这就造成了非线性。
目前,大多数生产厂家均提供产生潜入变送器的嵌入式开方器的微分压力热敏电阻。
大多数传感器/变送器的动态响应比过程快,因此,时间常数和空载时间经常被忽略,从而传递函数有纯增益给出。
然而,当考虑动态特性时,一次或二次系统的仪表传递函数通常表示为
或
B终端控制元件和控制器
控制阀
控制阀是最普遍的终端控制元件。
在过程工厂中,控制阀被用于操纵流量,从而使控制量维持在设定值。
在本节中,应用于过程控制的控制阀的许多重要方面被介绍。
在管道过程系统中,控制阀作为可变阻尼,通过改变口的大小来改变流量阻尼和流量本身的大小。
控制阀的作用就是调节流量。
本部分介绍控制阀的作用(故障条件)、控制阀尺寸和它们的特点。
选择控制阀时工程师必须回答的问题是:
当能量传递到控制阀时,怎样做能使其失效。
此问题涉及到阀门的失效点。
回答此问题主要考虑或应该考虑的是可靠性。
如果认为出于安全考虑,阀门应该关闭,那么必须指定“无信号则关”(FC)的阀门,另一种可能是“无信号则开”(FO)的阀门,当能量提供失败时,此类阀门将打开,不再节流。
大多数的控制阀是气动操作,因此,提供能量的是空气压力。
无信号则关的阀门需要能量来打开,因此被指定为“气开”(AO)阀门。
需要能量来关闭的无信号则开的阀门被指定为“气关”(AC)阀门。
现在举例说明控制阀作用的选择。
此例是如图4-2B-1所
示的过程。
在此过程中,通过操作到达热交换器的蒸汽流来控
制过程流的出口温度。
问题是:
当空气供应失败时,我们想让
蒸汽阀做什么?
如前所述,想让蒸汽阀到达最安全的情况。
看上去最安全
的情况可能是使蒸汽流停止的位置;也就是说,在不安全的操
作中,不希望有蒸汽流过,这就意味着应该指定出故障时自动
关闭的阀门。
在决定中,我们并没有考虑关闭阀门后不能加热
流体的后果。
在某些情况下,可能不会有什么问题,然而,在图4-2B-1热交换器控制回路
另一些情况下,就不得不考虑。
另一个例子,考虑一个气体是
维持某种聚合物温度的例子。
如果蒸汽阀门关闭,在交换器中温度将下降,聚合物可能固化。
在此例中,可能希望无信号则开阀门提供最安全的情况。
注意,这一点很重要,在此例中仅仅考虑了热交换器周围的安全情况,这并不一定是最安全的全局操作,也就是说,工程师应从整个工厂着眼,而不是仅注意某一台设备。
必须看到对蒸汽和过程流流过的热交换器和其他设备的影响。
再说一遍,必须考虑整个工厂的安全。
反馈控制器
此部分介绍最重要的工业控制器。
强调了其参数的物理意义,旨在理解其如何工作。
此介绍对于气动电子控制器和大多数基于微处理器的控制器均适用。
简单的说,控制器是控制回路的“脑”。
如第一单元所述,控制器是控制系统中起决定作用的设备。
为了做到这一点,控制器:
1.比较来自热敏电阻和控制器变量的过程信号和参考点
2.为了维持控制变量在其参考点,给控制阀或其他任何控制元件发送适当的信号
考虑如图4-2B-1所示的热交换器的控制回路。
如果热流的出口温度超过其参考点,控制器必须关闭蒸汽阀。
由于阀门是气开(AO)阀,控制器必须降低其输出(气压或电流)信号(看图中箭头)。
为了做到这一点,控制器必须设定为反作用。
一些生产者把此作用指定为衰减,也就是说,控制器输入信号有一增量,那么控制器的输出信号会产生一减量。
考虑如图4-2B-2所示的平面控制回路。
如果液面超过参
考点,控制器必须打开阀门使液面返回到参考点(看表中箭头
)。
为做到这一点,控制器必须被设置为正作用,也就是说,
在控制器的输入信号加一增量,那么控制器的输出信号会产生
一增量。
总之,为确定控制器的作用,工程师必须了解:
1.控制的过程要求。
图4-2B-2液位控制回路
2.控制阀或其他终端控制元件的作用。
两个条件必须均考虑。
读者会自问,平面控制器的正确作用是否是运用气关(AC)阀门或用入口流量代替出口流量来控制平面。
在第一种情况下控制阀作用变化,而在第二种情况下,控制阀作用是控制变化的过程要求。
控制器作用通常被设置为气动或电子控制器方面的开关,或大多数基于微处理器的控制器方面的配置位。
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Unit3AP控制器和PI控制器
为了维持参考点,反馈控制器做出决定的方法是通过在被控量与参考点差别的基础上,计算输出。
在本单元中,我们将通过描述其操作的公式着眼于最普通的控制器。
比例控制器(P)
除了在这里不考虑的开-断控制器,比例控制器是最简单的控制器,描述其操作的方程式如下:
(4-3A-1)
或
(4-3A-2)
式中
控制器的输出,psig或mA
参考点,psig或mA
被控量,psig或mA,这是热敏电阻的信号。
误差信号,psig或mA,参考点与被控量的差别。
控制器增益,或
偏差值,psig或mA,此值的意义在于它是误差为零时的输出,在中比例的刻度控制器中,此值通常被设定为9psig或12mA。
因为输入与输出范围是相同的(315psig或420mA),输入信号和输出信号以及参考点有时候也可用分数或百分数来表示。
可以有趣的看到等式(4-3A-1)描述的是一个反作用控制器。
如果控制器变量c(t),超过参考点r(t),误差变负,并且等式表明控制器的输出m(t),下降。
在数学上显示正作用控制器的一般方法是使控制器的增益Kc为负。
然而,必须牢记,在工业控制器中没有负增益,只有正增益。
反/正开关可以做到这一点。
当做正作用控制器的控制系统的数学分析时,负增益Kc被使用。
等式(4-3A-1)和等式(4-3A-2)表明控制器的输出正比于参考点和被控量间的误差。
比例由控制器的增益Kc给出。
此增益或控制器的灵敏度决定对于给定的误差变化,控制器输出的变化程度。
如图4-3A-1所示。
纯比例控制器的优点是只需整定一个参数Kc,然而,它有一个很大的缺点,就是用偏移量或“稳态误差”来操作被控量。
为用图表表明此偏移量,考虑如图4-2B-2所示的液面控制回路,假设设计条件为
和
,再假设为了使出口阀超过150gpm,作用其上的空气压力为9psig。
如果入口流量增加,纯比例控制器的系统的响应如图4-3A-2所示。
控
制器使被控量回到稳定值,但此值不是期望参考点。
被控量的参
考点和稳定值间的差别就是偏差。
图4-3A-2显示了对应于两个不
同整定参数Kc的两条响应曲线,数据表明Kc值越大,偏差越小
,但过程响应越振荡。
然而,对于大多数过程,Kc有最大值,超
过此最大值,过程将不稳定。
增益最大值的计算我们称之为极限
增益Kcu。
为得到纯比例控制器的传递函数,等式(4-3A-1)写成
图4-3A-1控制器增益对控制器输出的作用
定义如下的两个偏差量:
(4-3A-3)
(4-3A-4)
那么
用拉普拉斯变换得到如下的传递函数:
图4-3A-2液面系统的响应
简单的说,纯比例控制器是仅有一个整定参数的最简单Kc或PB的控制器。
此控制器的缺点是在控制器变量中用偏差操作。
在象调压槽似的一些过程中,可能不会有严重的后果。
在过程被控制在参考点上下范围内的情况下,纯比例控制器就足够了。
然而,在过程必须控制在参考点的情况下,纯比例控制器就不能提供满意的控制。
比例-积分控制器(PI)
大多数的过程不能用偏差控制,也就是说,它们必须被控制在参考点,在这些情况下,纯比例控制器中必须加入额外的信息以消除偏差,新的信息或新型控制是积分或复位作用,因此,控制器成为比例-积分控制器(PI)。
等式描述如下:
或
式中积分或复位时间,分钟/次
因此,PI控制器有两个参数Kc和,这两个参数必须被调整以获得满意的控制。
为了理解复位时间的物理意义,考虑如图4-3A-3所示的假设的例子。
是控制器重复比例作用的时间,因此单位是分钟/次。
值越小,响应曲线越陡,这就意味着控制
器响应越快。
解释这一点的另一种方法是查看等式(4-3A-6),值越
小,积分前的项越大,因此,积分或复位作用的权越大。
从式中,我们注意到只要误差项存在,控制器就会不断改变其输出,
从而通过对误差积分来消除误差。
记住,积分也意味着求和。
为得到PI控制器的传递函数,式(4-3A-6)描述如下:
图4-3A-3比例-积分(PI)控制器对
阶跃误差的响应
利用式(4-3A-3)和(4-3A-4)给出的偏差的相同的定义,采用拉普拉斯变换,重新排列得到:
总之,比例-积分控制器有两个参数:
增益或比例带,复位时间或复位速率。
此类控制器的优点是积分或复位作用消除偏差。
BPID控制器和其它控制器
比例-积分-微分控制器(PID)
有时候另一种控制加在了PI控制器上,这种新的控制是微分作用,也称为比率作用或超前。
它的目的是预料过程率先查看误差变化的时间速率,即微分。
描述等式如下:
(4-3B-1)
式中微分或比率,时间单位为分钟
因此,PID控制器有三个参数Kc或PB,或和,必须整定这三个参数来达到满意的控制。
注意:
只有一个微分整定参数,对于生产者,它有相同的单位:
分钟。
如上所述,微分作用是通过误差求导,使控制器具有预料过程变化,也就是说,“预测未来”的能力。
“预料”的程度由整定值决定。
考虑如图4-2B-1所示的热交换器,并利用它通过“预料过程变化的地方”来阐明其意思。
假设入口过程温度下降了一些,出口温度会如图4-3B-1所示的那样相应的下降。
在时间ta,误差量是正值且可能很小,因此,由PI提供的控制修正量很小。
然而,误差的微分、误差曲线的斜度是大的和正的,使得微分提供的控制修正量很大。
通过查看误差微分,控制器就可知被控量率
先相当快的远离参考点。
因此可利用这个事实来帮助控制。
在时
间tb误差依然是正的且必以前更大,由比例积分提供的控制更正量的
大小也比以前的大,且仍然加到控制器的输出来更大的打开蒸汽阀门,
然而,在这个时刻的是误差微分是负的,表明误差正在减小,也就是
说,被控量开始下降到参考点。
再次利用这个事实可知,自从误差开
始下降后,微分的作用开始从其他两种形式中下降,通过这一点,过
程将花费较长的时间返回到参考点,然而,在参考点上下的超调和振
荡下降。
PID控制器应用于长时间常数的系统中,典型的例子是温度浓缩图4-3B-1热交换器控制
回路,短时间常数(小电容)的过程很快且易受噪声干扰。
此过程的
典型例子是流量回路和控制液体流压力的回路。
考虑如图4-3B-2所示
的流量记录,由于快速变换的噪声的微分数值很大,因此微分形式的
应用仅仅造成了噪声的放大。
长时间常数的过程(大电容)通常是衰图4-3B-2流量回路记录
减的,因此不易受噪声的干扰。
然而,注意:
你可能有一个长时间常
数的过程,例如带有噪声热敏电阻的温度回路,在这种情况下,应用PID控制器前必须安装热敏电阻。
式(4-3B-1)整理后得到“理想”PID控制器的传递函数如下:
利用式(4-3A-3)和式(4-3A-4)给出的微分变量的相同的定义,采用拉普拉斯变换,整理得到:
传递函数被称为“理想的”是因为在实际中此微分计算不可能获得的。
用超前/滞后近似微分得到“实际的”传递函数为:
(4-3B-2)
典型值范围是0.05到0.1。
总之,PID控制器有三个整定参数:
增益或比例带、复位时间或复位速率和速率时间。
额定时间或微分时间总以分钟为单位。
PID控制器适用于不易受噪声干扰的具有长时间常数的环路系统。
微分形式的优点是可以提供“查看过程快速变化的地方”的能力。
比例-微分控制器(PD)
此类控制器用于纯比例控制器被应用但一定程度的“预料”被需要的过程中。
描述公式如下:
“理想的”传递函数是:
PD控制器的缺点是用被控量偏差来操作,只有积分作用能够消除偏差。
然而,在相同的回路中,PD控制器能够获得比纯比例控制器更高的增益,从而可造成更小的偏差。
数字控制器和其它说明
如前所述,式(4-3B-2)是工业模拟控制器的传递函数,然而,数字控制器是式(4-3B-1)的离散形式。
整定数字控制器的方法与整定模拟控制器的方法差别不大。
在结束这节之前,有必要再对控制器作一些说明。
式(4-3B-1)表明在任何时候,增益都是变化的,这将影响积分和微分作用,因为和必须变换以适应Kc的变换。
所有的模拟控制器都是这种类型,有时候其被指定为“相互作用控制器”。
大部分基于微处理器的控制器也是这种类型。
然而也有一些控制器用一个术语KI来替代Kc/,用KD替代Kc以避免这个问题,这就意味着三个整定参数是Kc、KI和KD。
最后的说明是有关微分作用的内容。
改变控制器参考点的典型方法是通过如图4-3B-3a所示的变化而引出的方法。
当此种情况发生时,误差中引入节约变化。
因为控制器采用的是误差微分,所以此微分在控制器输出中会产生一突然变化,如图4-3B-3c所示。
控制器输出中的变化是不必要的,并且可能对过程操作有害。
建议解决此类问题的途径是用被控量微分的负数
替代误差微分,当参考点恒定时,两个微分相同,如下所示:
式中
当引入参考点变化的时候,“新”的微分不产生突然变化,即
刻之后,动态性能同以前一样。
采用的选择权由模拟的或基于微
处理器的控制器提供,且被指定为微分-控制变量。
避免微分问题的另一个可能的方法可利用数字控制器轻易获
得。
即使操作者可能改变了如图5-3B-3d所示的节约函数的参考
点,此种选择也能改变斜
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