第10章 過程控制系統(tǒng)基本概念

1、劉玉長劉玉長下篇 過程控制 過程控制一般是指冶金、石油、化工、電力、輕工、建材等工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動化，即通過采用各種自動化儀表、電子計算機(jī)等自動化技術(shù)工具，對生產(chǎn)過程中某些物理參數(shù)進(jìn)行自動檢測、監(jiān)督和控制，以保證現(xiàn)代企業(yè)安全、優(yōu)質(zhì)、低耗和高效益生產(chǎn)。劉玉長劉玉長第十章 過程控制系統(tǒng)基本概念第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成與分類第二節(jié) 過程控制系統(tǒng)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)第三節(jié) 被控對象特性第四節(jié) 被控過程的數(shù)學(xué)模型 劉玉長劉玉長第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)的組成與分類一、過程控制系統(tǒng)自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(控制裝置)，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程(控制對象)的某個工作狀態(tài)或參數(shù)

2、(被控量)按照預(yù)定的規(guī)律自動地運行。自動控制系統(tǒng)(Automatic Control Systems )：是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。 過程控制系統(tǒng)(Process Control Systems )：以表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。 劉玉長劉玉長二、過程控制系統(tǒng)組成v對象對象：被控制的裝置或設(shè)備，其輸出即為被控量；v檢測元件及變送器檢測元件及變送器：檢測元件的功能是感受并測出被控量的大小，變送器的作用則是檢測元件測出的被控量變換成控制器所需要的信號形式；v控制器控制器：它將檢測元件或變送器送來的信號

3、與被控變量的設(shè)定值信號進(jìn)行比較得出偏差信號，根據(jù)這個偏差信號的大小按一定的運算規(guī)律計算控制信號u，然后將控制信號傳送給執(zhí)行器。 v執(zhí)行器執(zhí)行器：其作用是接受控制器發(fā)出的控制信號u，直接改變操縱量q(例如電流、重油、煤氣等的量)，即調(diào)整能量或物料的平衡，使被控量回復(fù)至設(shè)定數(shù)值。 劉玉長劉玉長三、控制系統(tǒng)的工程表示自動控制系統(tǒng)有兩種表示方法，即方框圖與工藝控制流程圖(或稱管道儀表流程圖)【需遵循 “GB/T 2625-1981 過程檢測和控制流程圖用圖形符號和文字代號” 或其它行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)】。(a)工藝控制流程圖 (b)方框圖鍋爐汽包液位控制蒸汽蒸汽檢測變送LT控制器LC控制閥V鍋爐期望值SV實際值給

4、水給水LCLTVPVPVSVMV劉玉長劉玉長四、過程控制系統(tǒng)的分類 自動控制系統(tǒng)有多種分類方法，可以按被控量分類，例如溫度控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；也可以按控制器的控制作用來分類，例如比例控制系統(tǒng)、比例積分控制系統(tǒng)等。為了便于分析自動控制系統(tǒng)的性質(zhì)，可將控制系統(tǒng)按設(shè)定值形式的不同分為三類，即定值定值控制控制系統(tǒng)、系統(tǒng)、程序控制程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)與隨動控制隨動控制系統(tǒng)系統(tǒng) 。劉玉長劉玉長第二節(jié)過程控制系統(tǒng)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 一、靜態(tài)與動態(tài)在自動控制中，把被控量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)，而把被控量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。在生產(chǎn)過程中，擾動是客觀存在，且是不可避免的，因此

5、了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。 劉玉長劉玉長二、自動控制系統(tǒng)的過渡過程 系統(tǒng)無時無刻都受到干擾，其結(jié)果是系統(tǒng)一直處于變動之中，即處于動態(tài)。當(dāng)然在某個時刻可看作是穩(wěn)定的，即處于靜態(tài)。從一個靜態(tài)到另一個靜態(tài)所經(jīng)歷的過程稱為過渡過程。過渡過程具有以下幾種形式：(a) 發(fā)散振蕩 (b) 等幅振蕩 (c) 衰減振蕩 (d) 單調(diào)過程過渡過程的幾種基本形式穩(wěn)快準(zhǔn)穩(wěn)要求:不穩(wěn)不穩(wěn)穩(wěn)快慢劉玉長劉玉長三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)在零初使條件(輸出量和輸入量的各階導(dǎo)數(shù)為0)下的單位階躍響應(yīng)曲線計算得到的。實際控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)曲線不同，其性能指標(biāo)定義也不一樣。因為衰減振蕩

6、是一種比較好的響應(yīng)曲線，故以下針對衰減振蕩過程進(jìn)行介紹【注意，有的過程不允許出現(xiàn)振蕩】。劉玉長劉玉長性能指標(biāo)定義(衰減振蕩)階躍擾動作用時過渡品質(zhì)指標(biāo)示意圖階躍擾動作用時過渡品質(zhì)指標(biāo)示意圖(衰減振蕩衰減振蕩)0 td tr tp ts y(t)(1-D)CC(1+D)CTBBD取0.02或0.05劉玉長劉玉長(一)衰減比n= B B減比表示振蕩過程的衰減程度，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標(biāo)，它等于被控量產(chǎn)生周期性振蕩前后兩個峰值比；在圖中，衰減比就是B B，習(xí)慣上表示為n 1。如果n = 1，則表示過渡過程曲線不衰減，呈等幅振蕩；假如n只比1稍大一點。說明過渡過程的衰減程度很小，它與等幅振蕩過

7、程接近，由于振蕩過于頻繁不夠安全，一般不采用；如果n1，則接近非周期衰減(或單調(diào)過程)，這都不是生產(chǎn)上所歡迎的。通常以n = 410為宜。 劉玉長劉玉長(二)最大偏差A(yù)=B+C最大偏差又稱短時偏差，是指受控變量第一個波峰值與設(shè)定值之差；它表示了偏離設(shè)定值的程度（衡量）是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)。 (1)偏差愈大，時間越長，離生產(chǎn)狀態(tài)愈遠(yuǎn)。 (2)工藝不希望，甚至引起生產(chǎn)事故。劉玉長劉玉長(三)余差Ce()ry()余差C是控制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差，又稱長時偏差。它是反映控制精確度的一個穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，值越小，精度越高。在實際控制過程中，余差的大小只要能滿足生產(chǎn)工藝要求就

8、可以了。劉玉長劉玉長(四)穩(wěn)定時間ts從階躍擾動開始作用起至被控量又建立新的平衡狀態(tài)止，這一段時間叫做穩(wěn)定時間(或稱過渡時間)。工程上規(guī)定當(dāng)被控量達(dá)到穩(wěn)定值的5%(或2%)的范圍內(nèi)時，就認(rèn)為被控量已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定值。按這個規(guī)定，穩(wěn)定時間就是從擾動開始作用之時起，直至被控量進(jìn)入穩(wěn)定值的5%(或2%)的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。穩(wěn)定時間短，表示過渡過程進(jìn)行得比較迅速，這時即使擾動頻繁出現(xiàn)，系統(tǒng)也能適應(yīng)，系統(tǒng)質(zhì)量較高。 劉玉長劉玉長(五)振蕩周期或頻率 過渡過程曲線中同向兩個波峰之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為頻率。 劉玉長劉玉長(六)其他指標(biāo)延遲時間延遲時間td：是指干擾開始作用起到穩(wěn)態(tài)值的

9、50%所需要的時間。上升時間上升時間tr：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。振蕩次數(shù)振蕩次數(shù)N：調(diào)節(jié)時間內(nèi)響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)值附近波動次數(shù)，N=ts/T 。劉玉長劉玉長總結(jié)v主要指標(biāo)有：主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過渡最大偏差、衰減比、余差、過渡時間。時間。在實際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要在實際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實際情況來定。根據(jù)實際情況來定。v原則：對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指原則：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。標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。劉玉長劉玉長第三節(jié)被控對象特性 所謂被控對象特性，就是指對象各個輸入量與輸出量之間的函數(shù)關(guān)系。 以被控量作為輸出，

10、以操縱量(或控制作用)作為輸入，則它們之間的關(guān)系稱為對象的控制通道特性；若以被控量作為輸出，以擾動量作為輸入，則它們之間的關(guān)系稱為對象的擾動或干擾通道特性。 被控對象的控制通道與擾動通道被控量干擾操縱量控制通道干擾通道劉玉長劉玉長一、對象特性的類型 多數(shù)工業(yè)過程的特性分為四種類型：v自衡的非振蕩過程：在階躍作用下，被控變量無須外加任何控制作用、不經(jīng)振蕩過程能逐漸趨于新的狀態(tài)的性質(zhì)，稱自衡的非震蕩過程。v無自衡非振蕩過程：如果不依靠外加控制作用，不能建立起新的物料平衡狀態(tài)，這種特性稱為無自衡。 v有自衡的振蕩過程：在階躍作用下，被控變量出現(xiàn)衰減振蕩過程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值，稱為有自衡的振蕩過程。

11、 v具有反向特性的過程：有少數(shù)過程會在階躍作用下，被控變量先降后升，或先升后降，即起始時的變化方向與最終的變化方向相反。劉玉長劉玉長幾個基本概念v單容過程：只有一個容積，一個容量系數(shù)和一個時間常數(shù)。v自衡特性：對象在擾動作用，其平衡受到破壞，在沒有操作人員或控制器的干預(yù)下，自動恢復(fù)平衡的特性。 v無平衡特性：平衡狀態(tài)下，一旦受到破壞，無法自行重建平衡。v自衡率：表示自衡能力。一般希望它大一些，即在很大干擾下，被控變量變化很少。劉玉長劉玉長(一)自衡的非振蕩過程在階躍作用下，被控變量無須外加任何控制作用、不經(jīng)振蕩過程能逐漸趨于新的狀態(tài)的性質(zhì)。12LF1F2凝液凝液進(jìn)料進(jìn)料出出料料蒸汽蒸汽蒸汽加熱

12、器蒸汽加熱器儲液槽儲液槽(0) 自衡的非振蕩過程自衡的非振蕩過程(a) 一階(b) 二階或高階h(t)h(0)tt(t) 劉玉長劉玉長(二)無自衡非振蕩過程當(dāng)輸入作階躍變化后，如果不依靠外加控制作用，不能建立起新的平衡狀態(tài)，這種特性稱為無自衡，例如出水閥為定量泵時的水槽特性。無自衡的非振蕩液位過程（a）F1F2(b)th(t)劉玉長劉玉長(三) 有自衡的振蕩過程在階躍作用下，被控變量出現(xiàn)衰減振蕩過程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值，稱為有自衡的振蕩過程，其響應(yīng)曲線見圖。 自衡振蕩過程響應(yīng)曲線c(t)劉玉長劉玉長(四) 具有反向響應(yīng)過程反向特性：起始變化方向與最終的變化方向相反。如鍋爐汽包水位在蒸汽量突然變

13、化時的特性。c(t)具有反向特性的過程 鍋爐負(fù)荷D突變時的汽包水位H響應(yīng) 特性tDHH0劉玉長劉玉長二、對象特性的參數(shù) 對象特性有多種描述方法，但都可以用幾個主要物理量來說明對象的特性。 以圖示的儲液槽液位控制對象為例，來說明對象特性是如何描述的。LF1F2儲液槽液位和流量變化曲線FF1F10L2L0LF1F2V2V1劉玉長劉玉長(一)放大系數(shù)K放大系數(shù)K是一個靜態(tài)特性參數(shù)，只與被控量的變化過程起點與終點有關(guān)，而與被控量的變化過程沒有關(guān)系。其值等于輸出(被控量)增量y與輸入(操縱量)增量x之比：K=y/x被控對象的靜態(tài)特性一般有兩種：一種是線性關(guān)系，另一種是非線性關(guān)系。如果靜態(tài)特性為線性關(guān)系，

14、則對象的放大系數(shù)K可直接用上式表示，否則采用求導(dǎo)的方法得到： ddyKx劉玉長劉玉長例如圖示對象，若出液閥V2為層流閥(F2L)，則靜態(tài)特性為線性的，如圖(b)，則放大系數(shù)為：K=L/F而當(dāng)V2為紊流閥(F2L0.5)時，則靜態(tài)特性為非線性的，需在工作點附近采用線性化方法，使其特性近似地視為線性，如圖(c)，此時放大系數(shù)為：LF1F2V2V1FFLLFFLLL0F0L0F0(c) 非線性靜態(tài)特性非線性靜態(tài)特性(b) 非線性靜態(tài)特性非線性靜態(tài)特性(a) 儲液槽儲液槽0dlimdFLLKFFD DD劉玉長劉玉長通道不同，對象的放大系數(shù)不同，而且對被控量的影響也不一樣。根據(jù)控制作用的不同，放大系數(shù)又

15、分為控制通道的放大系數(shù)為K0，擾動通道的放大系數(shù)Kf ，則：0 , fLLKKFfDDDD其中F為操縱量的變化，f為擾動的大小。這兩個參數(shù)的不同取值對系統(tǒng)性能影響很大，具體如下。劉玉長劉玉長放大系數(shù)K對系統(tǒng)的影響放大系數(shù)越大，操縱變量的變化對被控變量的影響就越大，控制作用對擾動的補償能力強(qiáng)，有利于克服擾動的影響，余差就越??；反之，放大系數(shù)小，控制作用的影響不顯著，被控變量變化緩慢。但放大系數(shù)過大，會使控制作用對被控變量的影響過強(qiáng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降?？刂仆ǖ喇?dāng)擾動頻繁出現(xiàn)且幅度較大時，放大系數(shù)大，被控變量的波動就會很大，使得最大偏差增大；而放大系數(shù)小，即使擾動較大，對被控變量仍然不會產(chǎn)生多大影響

16、。擾動通道劉玉長劉玉長(二)時間常數(shù) Tc時間常數(shù)Tc是說明被控量變化快慢的參數(shù)，其值等于系統(tǒng)阻值R與容量C的乘積【電路中為電阻與電容，流體流動中分別為流阻與容量(對于水槽就是橫截面積A)，等等】：Tc=RC物理意義：是指當(dāng)過程受到階躍輸入作用后，被控變量保持初始速度變化，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。時間常數(shù)Tc的求?。河泻芏喾N方法，如可根據(jù)定義求；亦可根據(jù)響應(yīng)曲線求(見教材)。劉玉長劉玉長不同時間常數(shù)的對象及其響應(yīng)曲線 (a) 水槽液位單容對象; (b)蒸汽加熱單容與雙容(或多容)對象劉玉長劉玉長對系統(tǒng)時間常數(shù)的要求一般說來，時間常數(shù)Tc小，則對象慣性小，被控量變化速度大，不易控制。(1)控

17、制通道的時間常數(shù)越大，則控制過程將越緩慢；(2)控制通道的時間常數(shù)越小，則對系統(tǒng)輸出越不利； (3)在決定控制方案時，應(yīng)當(dāng)分析各種擾動(即對象的各種輸入)的響應(yīng)情況，選擇最有利的控制通道，以便獲得最佳的控制效果。 劉玉長劉玉長(三)滯后時間 對象在受到擾動作用后，被控量不是立即變化，而是經(jīng)過一段時間后才開始變化，這個時間就稱為滯后時間，根據(jù)其產(chǎn)生原因，將滯后分為純滯后和容量滯后兩種。1、純滯后0介質(zhì)輸送或熱的傳遞需要的時間。 0=l/v 式中l(wèi)傳輸距離，v傳輸速度。0測點在管道上的蒸汽直接測點在管道上的蒸汽直接加熱器及其特性加熱器及其特性FF1F10T2T1FTF1FlTF蒸汽蒸汽水溶液水溶液

18、溫度測點劉玉長劉玉長2、過渡滯后或容量滯后c vO1點開始變化到B點之間的一段時間，稱為過渡滯后或容量滯后c；v原因：雙容量或多容量對象，故初始速度很慢。v純滯后與過渡滯后盡管在本質(zhì)上不同 ，很難嚴(yán)格區(qū)別。處理辦法：用總的滯后時間來表示 =0+ c有過渡滯后的對象特性(a)階躍擾動;(b)被控量變化F1-輸入熱量；F2 -輸出熱量劉玉長劉玉長3、滯后時間對系統(tǒng)的影響v控制通道存在滯后：控制通道存在滯后：由于存在滯后，使控制作用落后于被控變量的變化，從而使被控變量的偏差增大，控制質(zhì)量下降。滯后時間越大，控制質(zhì)量越差。v擾動通道存在滯后：擾動通道存在滯后：擾動通道存在滯后，相當(dāng)于擾動延遲了一段時間

19、才進(jìn)入系統(tǒng)，而擾動在什么時間出現(xiàn)，本來就是無從預(yù)知的，因此，并不影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)。擾動通道中存在容量滯后，可使階躍擾動的影響趨于緩和，對控制系統(tǒng)是有利的。劉玉長劉玉長總結(jié)控制通道：要求K0大、T0適當(dāng)、小；干擾通道：要求Kf小、Tf大、影響不大。劉玉長劉玉長第四節(jié) 被控過程的數(shù)學(xué)模型 v數(shù)學(xué)模型：輸出與輸入間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述輸出與輸入間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。 v模型分類：動態(tài)與靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))模型；【是否隨時間而變】參數(shù)模型與非參數(shù)模型?！臼欠裼脭?shù)學(xué)方程式描數(shù)學(xué)方程式描述述】v建模方法：機(jī)理建模；【根據(jù)內(nèi)部機(jī)理求得】實驗建模?！靖鶕?jù)實驗獲取】劉玉長劉玉長一、機(jī)理建模 機(jī)理建模過程：根據(jù)對象或生產(chǎn)過程的內(nèi)部機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物料/動量/相平衡方程，以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運動方程，某些物性方程、設(shè)備的特性方程等，從而獲取對象的數(shù)學(xué)模型。 機(jī)理建模特點：物理意義明確，所得的模型具