過程控制原理與工程第1章

1、過程控制原理與工程于輝 主編過程控制原理與工程第1章1.1引言1.2過程控制系統(tǒng)的組成及框圖1.2.1過程控制系統(tǒng)的組成1.2.2過程控制系統(tǒng)的框圖1.2.3過程控制系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)1.3過程控制系統(tǒng)的分類1.3.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.3.2按設(shè)定值變化規(guī)律分類1.4過程控制系統(tǒng)的性能要求1.4.1過程控制系統(tǒng)的過渡過程過程控制原理與工程第1章1.4.2過程控制系統(tǒng)的過渡過程的幾種形式1.4.3過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)過程控制原理與工程1.1引言所謂過程控制，是指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置對(duì)生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)、目標(biāo)要求等進(jìn)行自動(dòng)地調(diào)節(jié)和控制，使其按照預(yù)定的方案達(dá)到要求的指標(biāo)。圖1-1所

2、示為水箱液位控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由液位變送器、液位控制器、控制閥組成的控制裝置對(duì)水箱的水位進(jìn)行自動(dòng)地控制，使其達(dá)到規(guī)定的液位高度?？刂葡到y(tǒng)的控制過程是:通過液位變送器把測(cè)得的水箱水位高度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的可以傳輸?shù)碾娦盘?hào)，并傳送給液位控制器；液位控制器將測(cè)得的實(shí)際的水位值與其內(nèi)部設(shè)定的水位值進(jìn)行比較，根據(jù)其差值按照一定的規(guī)律輸出控制信號(hào)，使控制閥按控制信號(hào)的大小改變閥的開度，即改變水箱的進(jìn)水量Qi，從而影響水箱的水位，使水位達(dá)到給定的高度h。過程控制原理與工程1.2過程控制系統(tǒng)的組成及框圖過程控制原理與工程1.2.1過程控制系統(tǒng)的組成1) 檢測(cè)及變送裝置用于測(cè)出被控變量(如圖1-1中的水箱液位

3、)的實(shí)際值，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為某種便于傳送信號(hào)的儀器裝置。2) 控制器(也稱調(diào)節(jié)器)接收檢測(cè)及變送裝置送來的被控量的測(cè)量信號(hào)并與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果即偏差的大小，按照一定的控制規(guī)律輸出控制信號(hào)。3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制器發(fā)出的控制指令，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)被控對(duì)象實(shí)施的控制作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的控制。4) 被控對(duì)象被實(shí)施控制作用的設(shè)備或裝置。過程控制原理與工程1.2.1過程控制系統(tǒng)的組成圖1-1水箱液位控制系統(tǒng)原理圖過程控制原理與工程1.2.2過程控制系統(tǒng)的框圖圖1-2控制系統(tǒng)框圖過程控制原理與工程1.2.2過程控制系統(tǒng)的框圖圖1-3水箱液位控制系統(tǒng)框圖過程控制原理與工程1.2.3過程控制系統(tǒng)的相

4、關(guān)術(shù)語(yǔ)(1)被控變量生產(chǎn)工藝要求維持恒定的物理量，即控制的目標(biāo)。(2)操縱變量在控制作用下能引起被控變量變化的物理量。(3)干擾量又稱擾動(dòng)量或噪聲，是指除了操縱變量以外能引起被控變量變化的一切因素。(4)設(shè)定值工藝要求被控變量必須達(dá)到的某個(gè)數(shù)值。(5)偏差過程控制系統(tǒng)中，規(guī)定偏差是設(shè)定值與測(cè)量值之差。過程控制原理與工程1.2.3過程控制系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)(6)反饋控制系統(tǒng)把系統(tǒng)輸出信號(hào)通過測(cè)量及變送裝置又引回到輸入端，這種做法稱為反饋。過程控制原理與工程1.3過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)有多種分類方法?？梢园幢豢刈兞康奈锢硇再|(zhì)如溫度、壓力、流量、液位等分類，也可按控制器的控制規(guī)律來分類，也有按構(gòu)

5、成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度來分類等。通常按照控制系統(tǒng)是否設(shè)有反饋環(huán)節(jié)來進(jìn)行分類，這樣把系統(tǒng)分為兩類：開環(huán)控制與閉環(huán)控制。過程控制原理與工程1.3.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.開環(huán)控制2.閉環(huán)控制過程控制原理與工程1.開環(huán)控制圖1-4控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)過程控制原理與工程1.開環(huán)控制圖1-5開環(huán)控制框圖過程控制原理與工程2.閉環(huán)控制圖1-6換熱器熱流體出口溫度控制系統(tǒng)過程控制原理與工程2.閉環(huán)控制圖1-7換熱器熱流體出口溫度控制系統(tǒng)框圖過程控制原理與工程1.3.2按設(shè)定值變化規(guī)律分類1.定值控制系統(tǒng) 所謂定值控制系統(tǒng)，是指這類控制系統(tǒng)的設(shè)定值是恒定不變的。如圖1-4b所示的蒸汽換熱器在工藝上要求熱流體的出

6、口溫度按設(shè)定值保持不變，因而它是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)也稱為自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的設(shè)定值是一個(gè)未知的變化量。這類控制系統(tǒng)的主要任務(wù)，是使被控變量能夠盡快地、準(zhǔn)確無誤地跟蹤設(shè)定值的變化，而不考慮擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。在化工生產(chǎn)中，有些比值控制系統(tǒng)就屬于此類。3.程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)也稱順序控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的設(shè)定值也是變化的，但它是已知的時(shí)間函數(shù)，即設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化，被控變量自動(dòng)跟蹤設(shè)定值。在化工生產(chǎn)中，如間歇反應(yīng)器的升溫控制、食品工業(yè)中的罐頭殺菌溫度控制、造紙中紙漿蒸煮的溫度控制、機(jī)械工業(yè)中的退火爐溫度控制以及工業(yè)爐、干燥窯等周期作業(yè)的加熱設(shè)備控制等

7、。過程控制原理與工程1.4過程控制系統(tǒng)的性能要求過程控制原理與工程1.4.1過程控制系統(tǒng)的過渡過程當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)定值不變，也沒有干擾作用在系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)各組成部分的輸入輸出信號(hào)保持不變，使系統(tǒng)的被控變量也恒定不變，我們把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，它是一種動(dòng)態(tài)的平衡；把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)新的平衡狀態(tài)的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程，即系統(tǒng)的控制過程。過程控制原理與工程1.4.2過程控制系統(tǒng)的過渡過程的幾種形式圖1-8過渡過程的幾種基本形式過程控制原理與工程1.4.3過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到外部作用(干擾作

8、用或是設(shè)定值改變)后其被控變量偏離了原來的設(shè)定值，經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用使被控變量恢復(fù)到原來的值或是達(dá)到某一新的穩(wěn)定值，這樣的系統(tǒng)就被認(rèn)為是穩(wěn)定的，反之是不穩(wěn)定的。通常穩(wěn)定系統(tǒng)的過渡過程為衰減振蕩過程，最終趨于新的穩(wěn)態(tài)。這是工程上對(duì)一個(gè)實(shí)際可投運(yùn)的過程控制系統(tǒng)最基本的要求。與穩(wěn)定性相應(yīng)的系統(tǒng)性能指標(biāo)是：衰減比n和超調(diào)量(這部分將在第3章講述)。2.準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是用系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)被控變量與設(shè)定值之間的差值C(余差)來表示，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)的余差為零，則稱為無差系統(tǒng)，否則稱為有差系統(tǒng)。3.快速性快速性是用系統(tǒng)過渡過程時(shí)間的長(zhǎng)短來表征的。過渡過程時(shí)間越短，表明快速性越好，反之快速性較差。快速性

9、反映了系統(tǒng)輸出對(duì)設(shè)定值輸入響應(yīng)的快慢程度或克服干擾的能力。穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性往往是相互制約的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試中應(yīng)根據(jù)具體情況，對(duì)三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其他，以求滿足各方面的要求，這也是本課程所要研究的主要內(nèi)容。過程控制原理與工程1-1一個(gè)典型的過程控制系統(tǒng)由哪些環(huán)節(jié)組成？它們?cè)谙到y(tǒng)中各起著什么作用？1-2指出下列系統(tǒng)中哪些屬于開環(huán)控制?哪些屬于閉環(huán)控制?(1)家用電冰箱(2)家用空調(diào)(3)抽水馬桶 (4)全自動(dòng)洗衣機(jī)(5)電飯煲(6)多速電風(fēng)扇1-3什么是控制系統(tǒng)的過渡過程？研究過渡過程有什么意義？1-4根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫出系統(tǒng)框圖。(1)畫出圖1-9所示水箱單容液位定值控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。圖1-9水箱單容液位定值控制系統(tǒng)圖1-10雙容液位定值控制系統(tǒng)(2)畫出圖1-10所示雙容液位定值控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。(3)畫出圖1-11所示單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。圖1-11單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)圖1-12盤管