过程控制章1.docx

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过程控制章1

第1章绪论

学习目标

掌握过程控制系统的基本概念

掌握控制系统的控制质量指标

1.1过程控制系统的组成和分类

1.1.1过程控制系统的组成

生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷以及热力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。

电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在内。

过程控制就是指凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数（如：

温度、压力、流量、液位、成份等）进行的自动控制。

下面以发电厂锅炉锅筒液位以及过热蒸汽温度控制为例,介绍过程控制系统的组成。

图1-1所示，锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生产中不可缺少的设备。

保持锅炉锅筒内的水位高度在规定范围内是非常重要的，不论水位过高或过低都会带来不利的影响。

如果水位过低，锅炉可能被烧干；水位过高，生产的蒸汽含水量高，并且也会增加使水溢出锅筒的危险。

因此，使锅炉锅筒液位在规定范围内是保证正常生产所必需的。

另外，从锅炉锅筒出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热成为过热蒸汽，通常过热蒸汽温度达到460℃左右时再去推动汽轮机工作。

每种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下运行机组的效率最高。

如果过热蒸汽温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短；如果温度过低，当蒸汽带动汽轮机作功时，会使部分蒸汽变成小水滴，冲击汽轮机叶片，易造成生产事故。

因此过热蒸汽温度是其生产过程中的一个重要的工艺参数，是保证汽轮机组正常运行的一个重要条件。

可见，在保证锅炉锅筒液位稳定的同时，对过热蒸汽温度进行自动控制也是必不可少的。

锅炉的给水量与蒸汽的蒸发量保持平衡时锅炉内的水位保持不变。

如锅炉的给水量变化或蒸汽的蒸发量变化,水位就会产生变化（

）,因此,必须观察水位变化以调整给水量,使它跟随蒸汽负荷的大小而增减，以达到维持水位在允许的范围内的目的。

人工水位控制是靠人眼观察玻璃水位计，根据

的变化量,经过脑的思考分析，由手去改变给水阀门的开度，保持水位在合理的规定位置处，如图l-2a所示。

采用仪表控制时,水位变化量

经液位变送器转换成统一的标准信号送到控制器，与由定值器送来的水位设定值信号进行比较和运算后发出控制命令，由执行器（电动或气动执行机构）改变阀门的开度，相应增减给水量，以保持给水量与蒸汽蒸发量的平衡，这就实现了水位自动控制如图1-2b。

a）b）

图1-2锅炉锅筒水位控制原理图

a）人工控制原理图b）自动控制原理图

为了保证过热蒸汽的温度达到工艺要求，通常在过热器之前或中间部分串接一个减温器，通过控制减温水流量的大小来改变过热蒸汽的温度。

过热蒸汽温度控制系统如图1-3所示。

本系统采用DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表，即用热电阻温度计1检测过热蒸汽的温度，经温度变送器2将测量信号送至调节器3的输入端，并与代表过热蒸汽温度的给定值进行比较得到偏差，调节器按此偏差以某种控制规律进行运算后输出控制信号，来控制调节阀4的开度，从而改变减温水的流量，以达到控制过热蒸汽温度的目的。

图1-3过热蒸汽温度控制系统原理图

从上述实例可见，实现某一物理参数的自动控制需要以下装置：

反应被控参数变化情况的传感器与变送器、设定被控参数的定值器、比较被控参数变化并进行控制运算的控制器、实现控制命令的执行器、改变调节参数的控制阀，利用这些装置以及其它一些必要的设备对被控对象进行控制就构成了一个过程控制系统，过程控制系统的方框图如图1-4所示。

由此可见，过程控制系统应包括以下几部分。

图1-4过程控制系统方框图

1．被控对象（简称对象）

被控对象是指生产过程中需要进行自动控制的工艺设备或装置，如上述进行水位控制和过热蒸汽温度控制的锅炉。

被控对象通常有锅炉、加热炉、精馏塔、反应釜等生产设备以及储存物料的槽、罐或传输物料的管段等。

凡需要进行自动控制的参数，被称为被控量。

上例中锅筒水位以及过热蒸汽温度都是被控量。

当系统只有一个被控量时，称该系统为单变量控制系统；具有两个以上被控量和操纵量且互相关联时，称其为多变量控制系统。

被控量往往就是对象的输出量。

2．检测元件和变送器

反映生产过程与生产设备状态的参数很多，按生产工艺要求，有关的参数都应通过自动检测，才能了解生产过程进行的状况，以获得可靠的控制信息。

对被控对象进行自动控制时，应由传感器检测出被控参数的变化，当其输出不是电量或虽是电量而非标准信号时，再过变送器将其转换成0～10mA或4～20mA或1.96×104～9.8×104Pa的标准信号。

传感器或变送器的输出就是被控量的测定值。

3．控制器

由传感器或变送器获得的信息—被控量，当其符合生产工艺要求时，控制器的输出不变；否则控制器的输出发生变化，对系统施加控制作用。

除了控制作用外，使被控量发生变化的任何其它作用都被称为扰动。

在控制通道内，控制阀未动时，由于通道内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰，在锅炉水位控制中引起水位波动的给水压力变化就是内扰。

其它来自外部的影响统称为外扰，如上述液位控制中引起水位波动的蒸汽负荷变化就是外扰。

无论内扰或外扰，当它使得被控参数发生变化时，控制器都将发出控制命令对系统进行自动控制。

按生产工艺要求规定的被控量的一个参考值称为设定值，这就是经过系统的自动控制作用后，被控量应保持的正常值。

在过程控制系统中，被控量的测量值z由系统的输出端反馈到输入端与设定由比较后得偏差值e=r－z就是控制器的输入信号。

当

称为负偏差，

时称为正偏差。

控制器有正调节作用和反调节作用两种。

所谓正作用的调节器是指在被控量增大时，控制器的输出增大；反作用的调节器则恰好相反。

4．执行器

被控量的测量值和设定值在控制器内进行比较得到的偏差大小，由控制器按规定的控制规律（如PID等）进行运算，发出相应的控制信号去推动执行器，该控制信号称为控制器的输出量u。

目前采用的执行器多为气动薄膜调节阀。

如果控制器是电动的，则在控制器与执行器之间加入电气转换器。

如果用电动执行器，则控制器的输出信号须经过伺服放大器后才能驱动电动执行器以启闭控制阀。

5．控制阀

由控制器发出的控制信号，通过电或气动执行器驱动控制阀门，以改变输入对象的操纵量q，使被控量受到控制。

控制阀是控制系统的终端部件，阀门的输出特性决定于阀门本身的结构，有的与输入信号呈线性关系,有的则呈对数或其它曲线关系。

气动阀门有气开式或气关式两种,前者是当控制器的输出增大时阀门开大，后者则刚好相反，选择气开式或气关式的原则主要是从安全角度考虑的。

即万一气源断路时，生产过程仍能安全运行。

如上述锅炉水位控制应选用气关式给水控制阀，当气源增大时阀门关小，气源减小时阀门开大，气源切断时阀门全开以保证锅炉锅筒内供水充足，以免锅筒被烧干而发生爆炸的危险。

但这并非一成不变，主要是根据生产情况具体选择。

仍以上述锅炉水位控制为例，如生产的蒸汽作为汽轮机的汽源，不允许蒸汽大量带水，就不能采用气关阀，而应采用气开阀。

1.1.2过程控制系统的分类

过程控制系统的类别由于划分过程控制类别的方式不同,有种种不同的名称。

若按被控参数的名称来分,可分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统以及成分控制系统等等。

按系统完成的功能来分,可分为比值控制系统、均匀控制系统、前馈控制系统及自适应控制系统。

按被控变量的多少来分,可分为单变量和多变量控制系统。

按采用常规仪表和计算机来分,可分为常规过程控制系统和计算机过程控制系统等。

但是最基本的分类方法有下列几种。

1．按系统的结构特点来分

（1）反馈控制系统

反馈控制系统是根据系统被控量与给定值的偏差进行工作的,偏差值是控制的依据,最后要达到减小或消除偏差的目的。

前面所述的锅炉锅筒温度控制系统以及过热蒸汽温度控制系统都是反馈控制系统。

因为该系统由被控量的反馈构成一个闭合回路,所以又称为闭环控制系统。

反馈控制系统是过程控制系统中的一种最基本的控制形式。

另外,反馈控制系统中的反馈信号也可能有多个，从而可以构成多个闭合回路，称为多回路控制系统。

（2）前馈控制系统

前馈控制系统是根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。

由于前馈控制没有被控量的反馈信息，因此它是开环控制系统。

图1-5所示为前馈控制系统方框图。

扰动

是引起被控量

变化的原因，通过前馈控制可以及时消除扰动

对被控量

的影响。

但是，由于前馈控制系统是一种开环系统，最终无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独采用的。

图1-5前馈控制系统方框图

（3）复合控制系统（前馈-反馈控制系统）

图1-6所示为复合控制系统方框图。

前馈控制的主要优点是能及时迅速克服主要扰动对被控变量的影响。

反馈控制特点是能检查控制的效果。

所以，在反馈控制系统中引人前馈控制，构成复合控制系统，从而可以提高控制质量。

图1-6前馈反馈复合控制系统方框图

2．按给定值信号的特点来分

（1）定值控制系统

定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。

在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的。

有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近不变。

对于定值控制系统来说，由于设定值保持不变，所以系统的输入是扰动信号。

（2）随动控制系统

随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。

它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。

例如，在锅炉燃烧控制系统中，要求空气随燃料量的变化而成比例变化，保证燃料经济地燃烧，而燃料量则随负荷而变，其变化规律是任意的，这就是随动控制系统。

（3）顺序控制系统

顺序控制系统是被控量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。

例如，机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温和逐次降温等程序变化的，这就是顺序控制系统。

1.2过程控制系统的特点

生产过程的自动控制，一般是要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化，显然过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们相互之间往往也存在着影响，这就主增加了某些参数自动控制的复杂性和困难。

过程控制有如下一些特点：

1．被控过程的多样性

工业生产各不相同，生产过程本身大多比较复杂，生产规模也可能差异很大，这就使对被控对象的认识带来困难，不同生产过程要求控制的参数各异，且被控参数一般不止一个，这些参数的变化规律不同，引起参数变化的因素也不止一个，并且往往互相影响，要正确描绘这样复杂多样的对象特性还不完全可能，至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些复杂多样的对象特性，还只能采用简化的方法来近似处理。

虽然理论上有适应不同情况的控制方法，由于对象特性辨识的困难，要设计出适应不同对象的控制系统至今仍非易事。

2．对象存在滞后

由于热工生产过程大多在比较庞大的设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，内部介质的流动与热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。

因此当流人或流出对象的物质或能量发生变化时，由于被控对象存在容量、惯性和阻力，所以被控参数不可能立即反映出来，滞后的大小决定于生产设备的结构与规模，并同研究它的流水量与流出量的特性有关。

显然，生产设备的规模愈大，物质传递的距离愈长，热量传递的阻力愈大，造成的滞后就愈大。

一般说来，热工过程大都是具有较大滞后的对象，对自动控制十分不利。

3．对象特性非线性

对象特性往往是随负荷而变的，即当负荷不同时，其动态特性有明显的差别。

如果只以较理想的线性对象的动态特性作为控制系统的设计依据，难以达到控制目的。

4．控制系统比较复杂

由于生产安全上的考虑，生产设备的设计制造都力求使各种参数稳定，不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。

热工对象往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化后，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。

也有无自动趋向平衡的能力的对象，被控量会一直变化而不能稳定下来，这种对象就具有积分特性。

由于对象的特性不同，其输入与输出量可能不止一个，控制系统的设计在于适应于这些不同的特点，以确定控制方案和控制器的设计和选型，以及控制器特性参数的计算与设定，这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性正如上述那样复杂且难于充分认识，要完全通过理论计算进行系统设计与整至今仍不可能。

目前已设计出各种各样的控制系统如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统、以及前馈控制、计算机控制系统等，都是通过必要的理论计算，采用现场调整的方法，才能达到过程控制的目的。

1.3过程控制系统的发展简况

生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段,是20世纪科学与技术进步的特征,是工业现代化的标记之一。

在现代工业生产过程自动化中,作为自动控制技术的过程控制是极其重要的组成部分。

过程控制系统自50年代以来经历气动、电动、集散控制系统（DCS）以及近期出现的现场总线控制系统（FCS）。

气动、电动控制系统均属于模拟控制。

生产现场各处的参数通过变送器转变成标准的模拟信号，如0.02～0.1Mpa的气压信号，0～10mA、4～20mA的直流电流信号，1～5V的直流电压信号等，这些信号可送至集中控制室用于对生产过程的监控，也可送至控制器，控制器经过运算后产生类似的模拟信号，控制生产现场的执行器，以实现对生产过程中重要参数的自动控制。

随着计算机应用的普及，从80年代开始出现了数字调节器、PLC以及有多台计算机构成的集中管理和分散控制相结合的集散控制系统（DCS）。

在DCS中，计算机的运算以及计算机间的通信均采用数字信号，但测量变送仪表仪表仍为模拟仪表，执行器接受的大多也为模拟信号，而且这些信号均是一对一的。

因此，DCS属于模拟数字混合系统。

FCS突破了DCS中通信由专用网络所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成基于公开化、标准化的解决方案，既可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线联接成系统，实现综合自动化的各种功能，又可以把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，即依靠现场智能设备本身来实现基本控制功能。

1.4过程控制系统的控制质量指标

在过程控制中，由于控制器的自动控制作用而使被控量不再随时间变化的平衡状态称为稳态或静态。

被控量随时间而变化，系统未处于平衡状态时则称为动态或瞬态。

当改变控制器的设定值或干扰进入系统，原来的平衡状态就被破坏，被控量随即偏离设定值，控制器及控制阀门都会相应动作，改变操纵量的大小，使被控量逐渐回到设定值，恢复平衡状态。

可见，从扰动开始，由于控制器的作用，在系统达到平衡之前，系统中的各个环节与被控量都在不断变化中，在阶跃信号输入的情况下，整个过渡过程可能有几种不同的状态如图1-7所示。

其中a为发散振荡过程，b为等幅振荡过程，c为衰减振荡过程，d为非周期过程，当然还可能出现其它过程。

显然前两种过程是不稳定的，不能采用；后两种过程可以稳定下来，是可以接受的，一般都希望是衰减振荡的控制过程。

非周期过程虽然能稳定下来，但偏离设定值的时间较长，过渡过程进行缓慢，除特殊情况外，一般难以满足要求。

总之,控制过程就是克服和消除干扰的过程。

一个控制系统的优劣，就在于在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，经过控制器的控制作用，能否平稳、迅速、准确地回复（或趋近）到给定值上。

在衡量和比较不同的控制方案时，必须定出评价控制性能好坏的性能指标。

图1-7几种不同的过渡过程

1．余差（静态偏差）C

余差是指系统过渡过程达到稳态时，给定值与被控参数稳态值之差。

它是一个重要的静态指标，一般要求余差不超过预定值或为零。

2．衰减率

（递减比n）

衰减率和递减比都是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。

衰减率

和递减比n可以分别定义为：

（1-1）

（1-2）

根据

的定义可知，

值的大小可以确定系统的稳定程度。

在工程实践中，应根据生产过程的特点来确定适宜的

值。

为了保持系统足够的稳定程度，一般取

。

递减比n表示曲线变化一个周期后的衰成快慢,一般用n:

1表示。

在实际工作中,控制系统的递减比习惯于采用4：

1，即振荡一周后衰减了3/4、被控量经上下两次被动后，被控量的幅值降到最大值可1/4，这样的控制系统就认为稳定性好。

递减比也有用面积比表示的，如图1-8中阴影线面积

与

之比，指标仍然是4：

1。

虽然公认4：

1递减比较好，但并非是唯一的，特别是对一些变化比较缓慢的如温度过程，采用4：

1递减比，可能过程振荡过甚，所有有时也采用10：

1递减比，因此递减比应视具体对象不同选取。

3．最大偏差或超调量

对于定值系统来说，最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差，即如图1-8中的

；随动系统通常采用超调量指标，如式（1-3）所示。

（1-3）

图1-8过渡过程的品质指标

最大偏差（或超调量）是表示被控参数偏离给定值的程度，所以是衡量系统质量的一个重要指标。

（四）过渡过程时间

过渡过程时间是指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳定值土5%的范围内所经历的时间。

过渡过程时间的大小，表示过程控制系统的过渡过程的快慢，是衡量控制快速性的指标。

通常要求

愈短愈好。

应该说明，上述性能指标之间是相互矛盾的。

当一个系统的稳态精度要求很高时，可能会引起动态不稳定；解决了稳定问题之后，又可能因反应迟钝而失去快速性。

所以对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。

要高标准地同时满足这些指标的要求是很困难的。

因此，应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的质量指标要求。

本章小节

在石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷以及热力发电等工业过程中，为了维持生产的正常进行，通常要对其中的某一某些物理参数（如：

温度、压力、流量、液位、成份等）进行的自动控制。

但由于生产过程具有多样性及复杂性的特性，使得不可能利用单一的控制方案完成所有物理参数的自动控制，因此懂得如何根据不同对象的特点，设计出合理、正确的控制方案具有非常重要的意义。

在本章中，首先介绍了过程控制系统的基本概念，然后描述了过程控制系统的组成及分类、过程控制系统的发展以及过程控制系统的控制质量指标。

通过对本章的学习，可以更清楚的掌握什么是过程控制系统以及相关的基础知识，为后面章节的学习奠定良好的基础。

思考题与习题

1．什么是过程控制系统？

它主要由哪几部分组成？

2．过程控制系统最基本的分类方法有哪几种？

反馈控制和前馈控制的主要区别是什么？

3．某一流量控制系统的原理图如图1-9所示，试根据图中所示的原理图画出控制系统的方框图，并说出被控对象、被控参数、操纵量分别是什么？

4．试描述过程控制系统的控制质量指标。

图1-9流量控制原理图