過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用第一章控制系統(tǒng)基本概念

第一章控制系統(tǒng)的基本概念本章的主要內(nèi)容：1.1生產(chǎn)過程自動(dòng)化的主要內(nèi)容1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念及組成1.3控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)1.1生產(chǎn)過程自動(dòng)化的主要內(nèi)容：1、自動(dòng)檢測系統(tǒng)（起眼睛作用）2、自動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖與保護(hù)系統(tǒng)（保護(hù)）3、自動(dòng)操縱與開停車系統(tǒng)（開環(huán)的程序控制系統(tǒng)）4、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（主要系統(tǒng)，能克服干擾作用）上述四個(gè)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中可以獨(dú)立存在，各起的作用不相同，其中自動(dòng)調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)能力最強(qiáng)，所起的作用最大，是化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖手動(dòng)控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。所謂“自動(dòng)控制”是指應(yīng)用自動(dòng)化儀器儀表或自動(dòng)控制裝置代替人自動(dòng)地對儀器設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之有目的地修正被控對象的動(dòng)力學(xué)行為，以達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或滿足預(yù)期的性能要求。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業(yè)過程的生產(chǎn)規(guī)模越來越大型化、復(fù)雜化，各種類型的自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的基本條件和重要保證。因此，再復(fù)雜的控制系統(tǒng)都緣于人工控制。人工控制與自動(dòng)控制比較：進(jìn)料口出料口H玻璃管液位計(jì)測量儀表設(shè)定值控制器人工控制自動(dòng)控制（AUTOMATION）蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖加熱爐的溫度控制系統(tǒng)蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖術(shù)語被控過程（被控對象）：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機(jī)器。被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)被控對象：汽包被控變量：汽包液位操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素操縱變量：水的流量擾動(dòng)：水壓力、蒸汽壓力蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值偏差：被控變量設(shè)定值與實(shí)際值之差負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖加熱爐的溫度控制系統(tǒng)被控過程：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動(dòng)：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等控制系統(tǒng)的4個(gè)基本環(huán)節(jié)：被控對象、檢測儀表(測量變送環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制閉環(huán)控制：在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制被控變量，這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：按偏差進(jìn)行控制，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。

閉環(huán)控制的缺點(diǎn)：控制不夠及時(shí)；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。開環(huán)控制：

開環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：不需要對被控變量進(jìn)行測量，只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制，控制很及時(shí)。開環(huán)控制的缺點(diǎn)：由于不測量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量偏離設(shè)定值，并無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點(diǎn)。

開環(huán)的液位控制系統(tǒng)（按擾動(dòng)控制，又稱前饋控制）開環(huán)控制舉例

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1.2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖

在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測量值y(t)。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與測量值y(t)并輸出其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。

系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成在分析控制系統(tǒng)的工作過程時(shí)，有幾個(gè)很重要的概念：（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是實(shí)際的物理量，但它們是作為信息來轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的每一部分稱為一個(gè)環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，它送出的信息稱為輸出信號(hào)。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)。每一環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。從整個(gè)系統(tǒng)來看，輸入信號(hào)：設(shè)定值和擾動(dòng)輸出信號(hào)：被控變量、測量值（2）閉環(huán)：按信息的流向來說（3）動(dòng)態(tài)：物理量是時(shí)間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動(dòng)作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回到設(shè)定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)的方塊圖：調(diào)節(jié)器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器控制器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器4～20mA4～20mA控制系統(tǒng)的方塊圖：調(diào)節(jié)器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器調(diào)節(jié)器+－SP廣義對象執(zhí)行器、被控對象及測量變送環(huán)節(jié)統(tǒng)稱為廣義對象

自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖又稱為信號(hào)流程圖，注意與工藝流程圖是不一樣的。在畫方塊圖的時(shí)間請注意：1、箭頭；2、方塊；3、布局；4、負(fù)反饋的信號(hào)。1.2.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類:

定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)

設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統(tǒng)

設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化SPtSPtSPt給定值的形式：還可以根據(jù)被測變量的類型、系統(tǒng)的復(fù)雜程度、系統(tǒng)克服干擾的方法來對自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分類。按系統(tǒng)輸出信號(hào)對操縱變量影響劃分閉環(huán)控制（輸出信號(hào)會(huì)返回并影響控制信號(hào)）與開環(huán)控制（輸出信號(hào)不影響控制信號(hào)）。按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)。按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分簡單控制系統(tǒng)（單回路）與復(fù)雜控制系統(tǒng)（串級、比值、前饋、分程等）按被測參數(shù)的類型分壓力、溫度、流量、物位、成分等。注意每種分類方法不是絕對的，幾種分類方法可以交叉進(jìn)行1.2.5管道、儀表流程圖（P&ID）

ATTENTION

管道、儀表流程圖的圖形符號(hào)不是完全標(biāo)準(zhǔn)一致的，國內(nèi)與國外、不同設(shè)計(jì)單位之間、甚至不同設(shè)計(jì)人員之間，有些方面會(huì)有不同的標(biāo)注習(xí)慣，一般來說P&ID圖會(huì)有圖例給出。例如，國內(nèi)設(shè)計(jì)院一般較少用多個(gè)圓相切的形式來表示復(fù)合儀表，而國外則更常見。儀表符號(hào)除了圖形之外，圓圈之中還應(yīng)有一串有字母和數(shù)字組成的代號(hào)稱為“儀表位號(hào)”。例如：PIC－207TRC－210……字母代號(hào)

字母編號(hào)寫在圓圈的上半部第一位字母表示被測變量后繼字母表示儀表的功能

PIC－207壓力指示控制數(shù)字代號(hào)

數(shù)字編號(hào)寫在圓圈的下半部第一位數(shù)字表示段號(hào)后續(xù)數(shù)字(二位或三位數(shù)字)表示儀表序號(hào)。第2工段儀表序號(hào)為07控制流程圖符號(hào)意義序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注1就地安裝儀表4集中儀表盤后安裝儀表嵌在管道中2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤后安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表控制流程圖字母意義字母第一位字母后繼字母字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能被測變量修飾詞功能A分析報(bào)警P壓力C電導(dǎo)率控制Q數(shù)量積分累積D密度差R放射性記錄E電壓S速度安全開關(guān)F流量比T溫度傳送I電流指示V粘度閥K時(shí)間W力L物位YM水分Z位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)1.3.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性fqy(一對矛盾)統(tǒng)一（系統(tǒng)穩(wěn)定），靜態(tài)不統(tǒng)一（系統(tǒng)不穩(wěn)定），動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài)是相對的，動(dòng)態(tài)是絕對的。研究動(dòng)態(tài)的目的是為了達(dá)到我們所希望的靜態(tài)。ft階躍式ft矩形波ft正弦波ft斜坡式ft脈沖式1.3.2干擾的形式一般選擇階躍干擾，主要原因有：突發(fā)性強(qiáng)，有代表性；時(shí)間長，對被控變量的影響大；工程上容易實(shí)現(xiàn)且容易計(jì)算。1.3.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程

當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。

對于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入時(shí)的被控變量的過渡過程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴(yán)重的情況。

定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式(階躍擾動(dòng))

發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減單項(xiàng)控制指標(biāo)（僅適用于衰減振蕩過程）穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性1.3.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)綜合控制指標(biāo)最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控變量第一個(gè)波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。為A

（1）最大動(dòng)態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（）CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對最大偏差的允許值有所限制。

同時(shí)考慮到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)干擾還未清除時(shí)，第二個(gè)干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來表示被控變量偏離設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。A超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量。ytBB’C0衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，理論上來說，n趨向于無窮大最好。但這樣不利于操作人員工作。從管理和速度方面考慮，n值選擇在4：1——10：1。我國目前多用4：1過程，這個(gè)過程不是最優(yōu)的過程，但卻是操作人員所希望的也最熟悉的過程。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個(gè)波左右，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（3）余差定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。

余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過預(yù)定的范圍。上圖中，

在控制系統(tǒng)中，對余差的要求取決于生產(chǎn)過程的要求，并不是越小越好。例如儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（4）回復(fù)時(shí)間（過渡時(shí)間）回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時(shí)間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的或或的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過渡時(shí)間。一般希望過渡時(shí)間短一些。ytBB’5%A0Ts（5）振蕩頻率（或振蕩周期）在衰減比相同條件下，周期與過渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。其它一些次要指標(biāo)：振蕩次數(shù)：是指在過渡過程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)?！袄硐脒^渡過程兩個(gè)波”：是指過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來。上升時(shí)間：是指干擾開始作用起到第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)：主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過渡時(shí)間。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實(shí)際情況來定。原則：對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。自