第五單元“被控對(duì)象”電子教案

工業(yè)電器與自動(dòng)化電子教案工業(yè)電器與自動(dòng)化第二篇工業(yè)控制基礎(chǔ)

在工業(yè)生產(chǎn)，特別是石油化工、電力輕紡行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，保證生產(chǎn)正常、安全、高效、低耗地進(jìn)行，就必須將能影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的壓力（P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質(zhì)成分（A）等幾大熱工變量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。而工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的容器和設(shè)備常常是密閉的；生產(chǎn)條件也更多是高溫、深冷、高壓或真空等超常狀態(tài)；且多數(shù)工藝介質(zhì)還具有易燃、易爆、有毒、有腐蝕性等性質(zhì)。所以，在多數(shù)情況下，化工生產(chǎn)過(guò)程的控制是人力難以為之的，從而呼喚對(duì)工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)控制，也必需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？刂破獙?dǎo)言一、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化

在生產(chǎn)設(shè)備上配備一些自動(dòng)控制裝置，代替操作人員的部分直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行，即用自動(dòng)控制裝置來(lái)管理生產(chǎn)過(guò)程的辦法，稱(chēng)為生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程自動(dòng)化。自動(dòng)化系統(tǒng)由“生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象”、“自動(dòng)化裝置”兩大部分（四大單元）組成，其中：生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象為獨(dú)立單元，自動(dòng)化裝置包括測(cè)量變送、控制、執(zhí)行三個(gè)單元。（一）生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象：需要控制的工藝設(shè)備（塔、器、槽等）、機(jī)器或生產(chǎn)過(guò)程。（二）自動(dòng)化裝置：包括儀表和新型智能器件。1．測(cè)量變送單元：是測(cè)量變送儀表，工程上用T表示；2．控制單元：各種控制儀表及各類(lèi)計(jì)算機(jī)，工程上用C表示；3．執(zhí)行器：各種電動(dòng)、氣動(dòng)執(zhí)行儀表，工程上用Z表示。所有單元之間通過(guò)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mADC電流（或20~100kPa氣壓）連接。

控制篇導(dǎo)言圖5-1過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)過(guò)程控制系統(tǒng)一般分為：生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)和自動(dòng)操縱系統(tǒng)等四大類(lèi)。（一）過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用各種檢測(cè)儀表自動(dòng)連續(xù)地對(duì)相應(yīng)的工藝變量進(jìn)行檢測(cè)，并能自動(dòng)指示或記錄的系統(tǒng)，稱(chēng)為過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。由檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)裝置組成。若檢測(cè)裝置僅由檢測(cè)部分、轉(zhuǎn)換放大和就地顯示環(huán)節(jié)構(gòu)成，則為就地顯示檢測(cè)儀表。如：?jiǎn)稳椈晒軌毫Ρ?、玻璃溫度?jì)等。若檢測(cè)裝置由檢測(cè)部分、轉(zhuǎn)換放大和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)與遠(yuǎn)傳顯示儀表（或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）組成，則將檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)稱(chēng)為“傳感器”（如：霍爾傳感器、熱電偶、熱電阻等），它將被測(cè)變量轉(zhuǎn)換成規(guī)定信號(hào)送給遠(yuǎn)傳顯示儀表（或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）進(jìn)行顯示處理。傳感器輸出信號(hào)為國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mADC電流(或20~100kPa氣壓)時(shí)，稱(chēng)其為變送器(如:壓力變送器、溫度變送器等)。控制篇導(dǎo)言圖5-2過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)方框圖（二）過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的某些重要變量進(jìn)行自動(dòng)控制，使工業(yè)過(guò)程的工藝變量在受到外界干擾影響偏離正常狀態(tài)后，又自動(dòng)回復(fù)到規(guī)定的數(shù)值范圍的系統(tǒng)。過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為：定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)三種，生產(chǎn)過(guò)程中“定值控制系統(tǒng)”使用最多，故常以定值控制系統(tǒng)為例來(lái)討論過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)。顯然，過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)各單元代替人工控制功能的基本對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：眼：檢測(cè)、變送器LT腦：控制器LC手：執(zhí)行器（閥）控制篇導(dǎo)言圖5-3過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖

由上圖可知：定值控制系統(tǒng)是將生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象中能影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的壓力（P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質(zhì)成分（A）等幾大工藝變量（控制工程上通稱(chēng)為被控變量Y）經(jīng)檢測(cè)元件和變送器，轉(zhuǎn)化為被控變量Y的測(cè)量信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)量值）Z，通過(guò)比較機(jī)構(gòu)將被控變量Y的工藝規(guī)定指標(biāo)（簡(jiǎn)稱(chēng)設(shè)定值）X比較并產(chǎn)生偏差值信號(hào)e；由控制器根據(jù)偏差e的正負(fù)、大小及變化情況，按預(yù)定的控制規(guī)律實(shí)施控制作用，目的是將生產(chǎn)過(guò)程的工藝變量（即被控變量Y）始終穩(wěn)定在其工藝給定指標(biāo)X上?？刂破獙?dǎo)言

生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定后，由于在運(yùn)行過(guò)程中，常由于隨機(jī)因素（稱(chēng)其為擾動(dòng)，用f表示），影響被控變量Y變化而偏離工藝給定指標(biāo)（設(shè)定值X）。工業(yè)上通過(guò)檢測(cè)元件和變送器--——控制器——執(zhí)行器形成“閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)”，作用于“對(duì)象”的操縱變量q，使被控變量Y重新回到其設(shè)定值X上。為便于聯(lián)系，單元之間通過(guò)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mADC電流（或20~100kPa氣壓）連接。1．操縱變量q——控制器操縱執(zhí)行器之信號(hào)，能使被控變量恢復(fù)到設(shè)定值的物理量或能量。如上例中的出水量。2．?dāng)_動(dòng)f——除操縱變量外，作用于生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象，引起被控變量變化的隨機(jī)因素。如進(jìn)料量的波動(dòng)?？刂破獙?dǎo)言（三）過(guò)程自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)為確保生產(chǎn)安全，常對(duì)一些關(guān)鍵的生產(chǎn)變量設(shè)有自動(dòng)信號(hào)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)變量接近臨界數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警，提醒操作人員注意。如果變量進(jìn)一步接近臨界值、工況接近危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即采取緊急措施，自動(dòng)打開(kāi)安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)，緊急停車(chē)，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。（四）過(guò)程的自動(dòng)操縱系統(tǒng)按預(yù)先規(guī)定的程序步驟，自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行周期性操作的系統(tǒng)。過(guò)程控制的應(yīng)用水平是衡量一個(gè)企業(yè)先進(jìn)程度的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)達(dá)程度的主要標(biāo)志?？刂破獙?dǎo)言三、過(guò)程儀表的分類(lèi)過(guò)程儀表是實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的工具，種類(lèi)繁多，從不同的角度可以有不同的分類(lèi)方法。（一）按功能不同可分為檢測(cè)儀表、顯示儀表、控制儀表和執(zhí)行器。（二）按使用的能源不同可分為氣動(dòng)儀表和電動(dòng)儀表。1．氣動(dòng)儀表：以壓縮空氣為能源，性能穩(wěn)定、可靠性高、防爆性能好且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。特別適合于石油、化工等有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。2．電動(dòng)儀表：以電為能源，信息傳遞快，傳送距離遠(yuǎn)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離集中顯示和控制的理想儀表。（三）按結(jié)構(gòu)形式分可分為基地式儀表、單元組合儀表、組件組裝式儀表等。（四）按信號(hào)形式分可分為模擬儀表和數(shù)字儀表?？刂破獙?dǎo)言工業(yè)電器與自動(dòng)化

第五單元被控對(duì)象關(guān)鍵詞：被控對(duì)象、被控變量y、操縱變量q、擾動(dòng)f、放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間τ、容量、階越擾動(dòng)、脈沖擾動(dòng)。學(xué)習(xí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：熟悉對(duì)象的內(nèi)涵及其特性、理解對(duì)象變量之間的關(guān)系，明確擾動(dòng)通道和控制通道的概念關(guān)系；了解被控變量、操縱變量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，掌握被控變量與操縱變量的合理確定方法。能力目標(biāo)：會(huì)分析生產(chǎn)過(guò)程中典型“對(duì)象”之間的變量關(guān)系以及擾動(dòng)信號(hào)ｆ和操縱變量信號(hào)q對(duì)被控對(duì)象的作用。第五單元被控對(duì)象

在工業(yè)生產(chǎn)中，被控對(duì)象（簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)象）泛指工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。常見(jiàn)的有動(dòng)設(shè)備、各類(lèi)熱交換器、塔器、反應(yīng)器、貯液槽、各種泵、壓縮機(jī)等。一些生產(chǎn)過(guò)程容易操作，工藝變量能夠控制得比較平穩(wěn)；另一些生產(chǎn)過(guò)程卻很難操作，工藝變量會(huì)產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)，稍有不慎就會(huì)超出工藝允許范圍而影響生產(chǎn)工況，甚至造成生產(chǎn)事故。只有充分了解和熟悉了生產(chǎn)工藝過(guò)程，明確了對(duì)象的特性，才能得心應(yīng)手地操作生產(chǎn)過(guò)程，使生產(chǎn)工況處于最佳狀態(tài)。因此，研究和熟悉常見(jiàn)控制對(duì)象的特性對(duì)工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)有著十分重要的意義。所謂對(duì)象特性就是指對(duì)象在輸入作用下，其輸出變量（被控變量）隨時(shí)間變化而變化的特性。通常對(duì)象有兩種輸入，如下圖所示，即操縱變量的輸入信號(hào)q和外界擾動(dòng)信號(hào)ｆ，其輸出信號(hào)只有一個(gè)被控變量y。5-1對(duì)象的特性對(duì)象操縱變量q被控變量y擾動(dòng)f圖5-4對(duì)象信號(hào)框圖工程上常把操縱變量q與被控變量y之間的作用途徑稱(chēng)為控制通道，而把擾動(dòng)信號(hào)ｆ與被控變量y的作用途徑稱(chēng)為擾動(dòng)通道。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程（工業(yè)對(duì)象），操縱變量q受控制器控制，使被控變量y穩(wěn)定在工藝設(shè)定值上；擾動(dòng)信號(hào)ｆ隨機(jī)發(fā)生，對(duì)被控變量產(chǎn)生影響，使得y偏離工藝設(shè)定值。自動(dòng)化的實(shí)質(zhì)就是如何用操縱變量q作用對(duì)象克服擾動(dòng)信號(hào)ｆ的作用，維持被控變量y穩(wěn)定在其工藝設(shè)定值上。工程上常見(jiàn)的擾動(dòng)信號(hào)ｆ大致有“階越”和“脈沖”兩種。5-1對(duì)象的特性ftt0階越擾動(dòng)ftt0脈沖擾動(dòng)一、與對(duì)象有關(guān)的兩個(gè)基本概念（一）對(duì)象的負(fù)荷當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流入或流出對(duì)象的物料或能量稱(chēng)為對(duì)象的負(fù)荷，也叫生產(chǎn)能力。如液體貯槽的物料流量，精餾塔的處理量，鍋爐的出汽量等等。負(fù)荷變化的性質(zhì)（大小、快慢和次數(shù)）也常被視作是系統(tǒng)的擾動(dòng)ｆ。負(fù)荷的穩(wěn)定是有利于自動(dòng)控制的，負(fù)荷的波動(dòng)（尤其大的負(fù)荷）將對(duì)工藝過(guò)程產(chǎn)生很大影響。（二）對(duì)象的自衡如果對(duì)象的負(fù)荷改變后，無(wú)需外加控制作用，被控變量y能自行趨于一個(gè)新的穩(wěn)定值，這種性質(zhì)被稱(chēng)為對(duì)象的自衡性。有自衡性的對(duì)象易于自動(dòng)控制。

5-1對(duì)象的特性圖5-5水槽（對(duì)象）液位示意圖二、描述對(duì)象特性的有關(guān)參數(shù)一個(gè)具有自衡性質(zhì)的對(duì)象，在輸入作用下，其輸出最終變化了多少，變化的速度如何，以及它是如何變化的，可以由放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間τ加以描述。（一）放大系數(shù)K放大系數(shù)是指對(duì)象的輸出信號(hào)（被控變量y）的變化量與引起該變化的輸入信號(hào)（操縱變量q或擾動(dòng)信號(hào)ｆ）變化量之間的比值。從對(duì)象框圖可以看出：對(duì)象的通道靜態(tài)放大系數(shù)K0＝△y/△q；擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf＝△y/△ｆ。

K0大，說(shuō)明在相同操縱變量q作用下，被控變量的變化大，有利于系統(tǒng)的自動(dòng)控制（但K0不能太大，否則，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性變差）；Kf大，說(shuō)明對(duì)象中擾動(dòng)作用強(qiáng)，不利于系統(tǒng)的自動(dòng)控制,。工程上常常希望Kf不要太大。5-1對(duì)象的特性二、描述對(duì)象特性的有關(guān)參數(shù)（二）時(shí)間常數(shù)T時(shí)間常數(shù)是反應(yīng)對(duì)象在輸入變量作用下，被控變量變化快慢的一個(gè)參數(shù)。T越大，表示在階躍輸入作用下，被控變量的變化越慢，達(dá)到新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，工程上希望對(duì)象的T不要太大。（三）滯后時(shí)間τ有的過(guò)程對(duì)象在輸入變量變化后，輸出不是立即隨之變化的，而是需要間隔一定的時(shí)間后才發(fā)生變化。這種對(duì)象的輸出變化落后于輸入變化的現(xiàn)象稱(chēng)為滯后現(xiàn)象。滯后時(shí)間τ就是描述對(duì)象滯后現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)，滯后時(shí)間τ分為純滯后τ0和容量滯后τn；τ0是由于對(duì)象傳輸物料或能量需要時(shí)間而引起的，一般由距離與速度來(lái)確定。而τn一般由多容或大容量的設(shè)備而引起。滯后時(shí)間τ＝τ0＋τn；相對(duì)于控制通道，τ越小越好，相對(duì)于擾動(dòng)通道，τ適度大點(diǎn)好。5-1對(duì)象的特性二、描述對(duì)象特性的有關(guān)參數(shù)（四）容量：對(duì)象的生產(chǎn)能力被稱(chēng)為“容量”，有單容和多容之分。當(dāng)工業(yè)過(guò)程確定后，對(duì)象的特性也相應(yīng)地已被確定。必須研究對(duì)象的特性，針對(duì)不同對(duì)象采用不同的控制措施，才能保證高質(zhì)量的生產(chǎn)效益。現(xiàn)以圖示的液位貯槽為例來(lái)說(shuō)明對(duì)象的基本特性。從圖中可以看出，對(duì)象為一水槽，被控變量y為液位L，操縱變量q是受人工（或儀表）控制的進(jìn)水流量q，干擾f為出水流量，根據(jù)前述基本概念，可確定進(jìn)水閥到液面之間的對(duì)象部分為控制通道；在控制閥開(kāi)度不變的情況下，進(jìn)水流量的意外變化或出水流量的隨意改變都會(huì)影響液位L的變化，這部分都是擾動(dòng)通道。其中K0、T、τ分別如圖所示。5-1對(duì)象的特性5-1對(duì)象的特性5-6對(duì)象的特性曲線(xiàn)示意圖

當(dāng)對(duì)象（水槽）的擾動(dòng)ｆ發(fā)生一個(gè)階躍變化時(shí)，其輸出變量（被控變量）液位L需經(jīng)一段時(shí)間τ0才開(kāi)始變化（純滯后），再經(jīng)一段過(guò)渡過(guò)程時(shí)間后才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值L0；液位以初速度變化達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值L0所需的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)T；在液位達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后其大小L0＝K0×A（輸入變化量，即操縱變量q的變化量）的K0倍。因過(guò)程只涉及1個(gè)水槽，屬單容對(duì)象。如對(duì)象涉及2個(gè)容器，則對(duì)象為雙容對(duì)象，其容量滯后為τn，它表示從被控變量開(kāi)始變化到過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)拐點(diǎn)處的切線(xiàn)之間所需的時(shí)間。5-1對(duì)象的特性三、擾動(dòng)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（一）擾動(dòng)通道靜態(tài)放大系數(shù)Kf越大，擾動(dòng)引起的輸出越大，這就使被控變量偏離設(shè)定值越多。從控制的角度看，我們希望Kf越小越好。（二）擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)Tf越大，對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的濾波作用就越大，可抑制擾動(dòng)作用，我們希望Tf越大越好。（三）擾動(dòng)通道滯后時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)無(wú)影響，因?yàn)棣觙的大小僅取決于擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響進(jìn)入的時(shí)間早晚。5-1對(duì)象的特性四、控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

控制通道特性對(duì)被控變量的影響與擾動(dòng)通道有著本質(zhì)的不同，因?yàn)榭刂谱饔每偸橇D使被控變量與設(shè)定值一致，而擾動(dòng)作用總是使被控變量與設(shè)定值相偏離。因此，控制通道特性對(duì)控制系統(tǒng)的影響基本如下：（一）控制通道靜態(tài)放大系數(shù)K0越大，則控制作用越強(qiáng)，克服擾動(dòng)的能力越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，同時(shí)，K0越大被控變量對(duì)操縱變量的控制作用反應(yīng)越靈敏，響應(yīng)越迅速。但K0變大的同時(shí)，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。為保證控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)提高，兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性平穩(wěn)，通常K0適當(dāng)選大一點(diǎn)。（二）控制通道時(shí)間常數(shù)T0較大，控制器對(duì)被控變量的控制作用就不夠及時(shí)，導(dǎo)致控制過(guò)程延長(zhǎng)，控制系統(tǒng)質(zhì)量下降；T0較小時(shí)，又將引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，T0適中最佳。（三）控制通道滯后時(shí)間τ越大，對(duì)系統(tǒng)的控制肯定不利。另外，在生產(chǎn)過(guò)程控制中，經(jīng)常用τ/T0作為反映過(guò)程控制難易程度的一種指標(biāo)。一般認(rèn)為τ/T0≤0.3的過(guò)程對(duì)象較容易控制，而τ/T0>0.5～0.6的對(duì)象較難控制。5-1對(duì)象的特性一、項(xiàng)目名稱(chēng)：典型生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象的認(rèn)知二、項(xiàng)目情境：由教師（代表管理方）對(duì)學(xué)生（員工）根據(jù)實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)（或校外實(shí)訓(xùn)基地）的生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)行工作任務(wù)的布置與分配，明確“典型生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象認(rèn)知”項(xiàng)目訓(xùn)練的目的、要求及內(nèi)容，派發(fā)任務(wù)單。5-2訓(xùn)練項(xiàng)目項(xiàng)目名稱(chēng)子項(xiàng)目?jī)?nèi)容要求備注典型生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象認(rèn)知離心泵工藝分析學(xué)員按照人數(shù)分組訓(xùn)練：1.學(xué)會(huì)分析離心泵工藝過(guò)程；2.確定被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)；分析之間的調(diào)節(jié)關(guān)系。傳熱設(shè)備工藝分析學(xué)員按照人數(shù)分組訓(xùn)練：1.學(xué)會(huì)分析換熱器工藝過(guò)程；2.確定被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)；分析之間的調(diào)節(jié)關(guān)系。精餾塔工藝分析學(xué)員按照人數(shù)分組訓(xùn)練：1.學(xué)會(huì)分析精餾塔工藝過(guò)程；2.確定被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)；分析之間的調(diào)節(jié)關(guān)系。熱水鍋爐工藝分析學(xué)員按照人數(shù)分組訓(xùn)練：1.學(xué)會(huì)分析鍋爐工藝過(guò)程；2.確定被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)；分析之間的調(diào)節(jié)關(guān)系。目標(biāo)要求學(xué)會(huì)分析典型對(duì)象工藝過(guò)程并明確變量之間的制約關(guān)系實(shí)訓(xùn)環(huán)境校外實(shí)訓(xùn)基地、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)室其他組別：組員：項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：5-2訓(xùn)練項(xiàng)目三、項(xiàng)目實(shí)施具體完成過(guò)程是：按情境建立、項(xiàng)目布置→學(xué)生個(gè)人準(zhǔn)備→組內(nèi)討論、檢查→發(fā)言代表匯報(bào)→評(píng)價(jià)→展示案例、問(wèn)題指導(dǎo)→組內(nèi)討論、修改方案→第二次匯報(bào)→評(píng)價(jià)→問(wèn)題指導(dǎo)→再討論再修改→第三次匯報(bào)→評(píng)價(jià)、驗(yàn)收→拓展任務(wù)、鞏固訓(xùn)練→師生共同歸納總結(jié)→新項(xiàng)目布置等程序，完成本項(xiàng)目的具體任務(wù)。學(xué)生根據(jù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（條件）按照“項(xiàng)目要求”進(jìn)行分組實(shí)施。（一）子任務(wù)一：離心泵工藝分析1．在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)典型流體輸送設(shè)備“離心泵”，由教師引領(lǐng)、學(xué)員自主練習(xí)，熟悉離心泵的工藝生產(chǎn)過(guò)程；2．以小組為單位，畫(huà)出被控對(duì)象（設(shè)備）工藝流程草圖，分析被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)以及它們之間的制約關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)中，流體輸送是必不可少的，如下5-7圖所示。圖5-7工業(yè)生產(chǎn)中的流體流動(dòng)示意圖1—低位槽；2—泵；3—高位槽；4—流量計(jì);；5、7—閥門(mén)；6—示液管；8—精餾塔（一）子任務(wù)一：離心泵工藝分析流體輸送過(guò)程中，若在無(wú)外加能量的情況下，流體只能利用流體的壓差或液體的位差來(lái)克服流動(dòng)的阻力，從高能狀態(tài)向低能狀態(tài)流動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)流體的“自流”。然而，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中流體從一處向另一處輸送，往往需要提高其位置或增加其靜壓強(qiáng)，或克服管路沿途的阻力，這就需要向流體施加機(jī)械功，即向流體補(bǔ)加足夠的機(jī)械能。向流體做功以提高流體機(jī)械能的裝置就是流體輸送機(jī)械。離心泵是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的液體輸送機(jī)械，離心泵之所以能夠被廣泛的采用，因其具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，便于調(diào)節(jié)和自控；②流量均勻，效率較高；③流量和揚(yáng)程的適用范圍較廣；④適用于輸送腐蝕性或含有懸浮物的液體。（一）子任務(wù)一：離心泵工藝分析離心泵的工藝流程如5-8圖所示，物料從離心泵進(jìn)口管路吸入泵體，液體在葉輪離心力的作用下從葉輪中心被拋向外緣并獲得了能量，使葉輪外緣的液體靜壓強(qiáng)提高，具有較高壓強(qiáng)的液體從泵的排出口進(jìn)入排出管路，送至所需的場(chǎng)所。5-8離心泵工藝示意圖（一）子任務(wù)一：離心泵工藝分析

從圖5-8中可以看出：離心泵的出口流量F是被控變量Y，工藝上一般要求其恒定在工藝指標(biāo)上（設(shè)定值X0），從控制工程角度出發(fā)，是將出口管道作為“被控對(duì)象”進(jìn)行特性分析，對(duì)象的操縱變量q、擾動(dòng)信號(hào)f都是泵的出口流量F。它們之間的關(guān)系可表述為：出口流量F穩(wěn)定后，由于擾動(dòng)信號(hào)f變化，必將引起被控變量y（出口流量F）變化，使其偏離設(shè)定值X0，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)，改變操縱變量q的大小，使被控變量y（出口流量F）回到其設(shè)定值X0上。從圖中可以分析：當(dāng)操縱變量q增大時(shí)，被控變量y（出口流量F）也增大，稱(chēng)對(duì)象是“正作用”方向。（二）子任務(wù)二：傳熱設(shè)備工藝分析1．在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)典型傳熱設(shè)備“換熱器”，由教師引領(lǐng)、學(xué)員自主練習(xí)，熟悉換熱器的工藝生產(chǎn)過(guò)程；2．以小組為單位，畫(huà)出被控對(duì)象（設(shè)備）工藝流程草圖，分析被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)以及之間的制約關(guān)系。（二）子任務(wù)二：傳熱設(shè)備工藝分析換熱器是化工、石油、輕工、動(dòng)力等許多工業(yè)部門(mén)使用的一種通用設(shè)備。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)重要的地位。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在一般石油化工企業(yè)中，各種換熱設(shè)備約占全廠設(shè)備總數(shù)的40%左右。由于化工生產(chǎn)中對(duì)換熱器有不同的要求，換熱設(shè)備有各種形式。按冷、熱流體間熱量交換的方式，可將換熱器分成間壁式、直接混合式和蓄熱式三種類(lèi)型。按換熱器用途分，可分成加熱器、冷凝器、冷卻器等；按換熱器的結(jié)構(gòu)(及傳熱面形狀)來(lái)分，可分成管式換熱器、板式換熱器和特殊形式換熱器等；按換熱器所用材料的不同來(lái)分，可分成金屬材料換熱器和非金屬材料換熱器等。具體生產(chǎn)中，由于管式間壁換熱器使用較多，學(xué)員可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分析“管式換熱器”工藝過(guò)程如圖5-9所示。（二）子任務(wù)二：傳熱設(shè)備工藝分析

圖5-9換熱器工藝示意圖（二）子任務(wù)二：傳熱設(shè)備工藝分析由圖5-9中可看出：換熱器的出口熱流體溫度T是被控變量Y，工藝上一般要求其恒定在工藝指標(biāo)上（設(shè)定值X0），對(duì)象的操縱變量q是載熱體的流量、擾動(dòng)信號(hào)f是換熱器的冷流體流量（或出口流量）F。之間的關(guān)系為：出口熱流體溫度T穩(wěn)定后，由于擾動(dòng)信號(hào)f變化，將引起被控變量y（出口熱流體溫度T）變化，使其偏離設(shè)定值X0，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)，改變操縱變量q的大小，使被控變量y（出口熱流體溫度T）回到其設(shè)定值X0上。當(dāng)操縱變量q增大時(shí)，被控變量y（出口熱流體溫度T）也增大，故稱(chēng)對(duì)象為“正作用”方向。（三）子任務(wù)三：精餾塔工藝分析1．在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)典型生產(chǎn)設(shè)備“精餾塔”由教師引領(lǐng)、學(xué)員自主練習(xí)，熟悉精餾塔的工藝生產(chǎn)過(guò)程；2．以小組為單位，畫(huà)出被控對(duì)象（設(shè)備）工藝流程草圖，分析被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)以及它們之間的制約關(guān)系。以甲醇生產(chǎn)中的粗甲醇的精餾來(lái)了解蒸餾或精餾的工藝過(guò)程，見(jiàn)5-10圖所示：圖5-10精餾塔工藝示意圖1-精餾塔；2-再沸器；3-回流罐（三）子任務(wù)三：精餾塔工藝分析粗甲醇經(jīng)預(yù)熱到65?C，進(jìn)入預(yù)蒸餾塔除去殘余的溶解氣體及低沸物（主要是不凝性氣體和輕組份）。由加壓塔頂部出來(lái)的蒸汽經(jīng)冷凝后，一部分作為加壓塔的回流液，另一部分進(jìn)入精甲醇計(jì)量槽。由預(yù)蒸餾塔塔底出來(lái)的甲醇通過(guò)加壓泵進(jìn)入第一主精餾塔（加壓塔），由加壓塔的塔底排出的甲醇溶液進(jìn)入常壓塔。常壓塔出來(lái)的塔頂蒸汽一部分作為回流液，一部分送到精甲醇計(jì)量槽，常壓塔的塔底殘液進(jìn)入廢水汽提塔處理。圖中設(shè)備3是一個(gè)典型的精餾塔生產(chǎn)對(duì)象。精餾塔的主要功能是分離液體均相混合物，按照操作方式是否連續(xù)可分為間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾，生產(chǎn)中以連續(xù)蒸餾為主。連續(xù)精餾的生產(chǎn)工藝如圖5-10所示。（三）子任務(wù)三：精餾塔工藝分析原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到一定溫度后進(jìn)入精餾塔，以進(jìn)料口為界，塔頂被稱(chēng)為“精餾段”；塔釜被稱(chēng)為“提餾段”。在精餾塔內(nèi)，蒸汽沿塔上升，上升汽相中易揮發(fā)組分增加，難揮發(fā)組分減少。從塔頂引出的蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝，冷凝液一部分作為塔頂產(chǎn)物（又稱(chēng)餾出液），經(jīng)塔頂冷凝、冷卻，進(jìn)入餾出液貯槽，一部分回流至塔內(nèi)作為液相回流，稱(chēng)為“回流液”。在精餾塔內(nèi)，下降液體中難揮發(fā)組分增加，易揮發(fā)組分減少，塔釜排出來(lái)的液體稱(chēng)為塔底產(chǎn)品或釜?dú)堃?，進(jìn)入貯槽。（三）子任務(wù)三：精餾塔工藝分析精餾段控制：如塔頂餾出液為主要產(chǎn)品，通常采用精餾段指標(biāo)控制，以精餾段某一點(diǎn)溫度T（或成分）為被控變量y，以回流量量為操縱變量q，精餾段為“對(duì)象”，當(dāng)回流量增加時(shí)，被控變量y（精餾段溫度T）下降，稱(chēng)對(duì)象為“反作用”方向。提餾段控制：若塔釜液為主要產(chǎn)品，通常采用提餾段指標(biāo)控制，以提餾段某一點(diǎn)溫度T（或成分）為被控變量y，以塔釜加熱蒸汽量F為操縱變量q，提餾段為“對(duì)象”，當(dāng)加熱蒸汽量F增加時(shí)，被控變量y（精餾段溫度T）上升，稱(chēng)對(duì)象為“正作用”方向。（四）子任務(wù)四：熱水鍋爐工藝分析1．在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)典型生產(chǎn)設(shè)備“熱水鍋爐”由教師引領(lǐng)、學(xué)員自主練習(xí)，熟悉熱水鍋爐的工藝生產(chǎn)過(guò)程；2．以小組為單位，畫(huà)出被控對(duì)象（設(shè)備）工藝流程草圖，分析被控變量、操縱變量、擾動(dòng)信號(hào)及其之間的制約關(guān)系。常壓鍋爐工藝流程：軟水以一定的流量進(jìn)入常壓鍋爐，在爐內(nèi)獲得熱量產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽由出口排出供應(yīng)用熱設(shè)備，鍋爐殘水由爐底排出。如圖5-11所示：圖5-11熱水鍋爐工藝示意圖

（四）子任務(wù)四：熱水鍋爐工藝分析工藝上常常以鍋爐內(nèi)水位H為被控變量y，進(jìn)水流量F為操縱變量q，保持爐內(nèi)水位H（被控變量y）穩(wěn)定在其設(shè)定值X0上。如蒸汽負(fù)荷（擾動(dòng)信號(hào)f）增加，造成爐內(nèi)水位H下降，經(jīng)過(guò)控制器調(diào)節(jié)，增大給水量F（操縱變量q），恢復(fù)爐內(nèi)水位H高度，保證鍋爐正常安全運(yùn)行。因操縱變量q增加時(shí)，由于爐內(nèi)水位H（被控變量y）也