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)的相關術語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，利用控制裝置對生產過程、工藝參數(shù)、目標要求等進行自動地調節(jié)和控制，使其按照預定的方案達到要求的指標。圖1-1所

2、示為水箱液位控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)實現(xiàn)由液位變送器、液位控制器、控制閥組成的控制裝置對水箱的水位進行自動地控制，使其達到規(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得的水箱水位高度轉變?yōu)橄鄳目梢詡鬏數(shù)碾娦盘?，并傳送給液位控制器；液位控制器將測得的實際的水位值與其內部設定的水位值進行比較，根據(jù)其差值按照一定的規(guī)律輸出控制信號，使控制閥按控制信號的大小改變閥的開度，即改變水箱的進水量Qi，從而影響水箱的水位，使水位達到給定的高度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) 檢測及變送裝置用于測出被控變量(如圖1-1中的水箱液位

3、)的實際值，并進一步轉化為某種便于傳送信號的儀器裝置。2) 控制器(也稱調節(jié)器)接收檢測及變送裝置送來的被控量的測量信號并與設定信號進行比較，根據(jù)比較的結果即偏差的大小，按照一定的控制規(guī)律輸出控制信號。3) 執(zhí)行機構接收控制器發(fā)出的控制指令，將其轉變?yōu)閷Ρ豢貙ο髮嵤┑目刂谱饔?，實現(xiàn)對被控量的控制。4) 被控對象被實施控制作用的設備或裝置。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、關術語(1)被控變量生產工藝要求維持恒定的物理量，即控制的目標。(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)設定值工藝要求被控變量必須達到的某個數(shù)值。(5)偏差過程控制系統(tǒng)中，規(guī)定偏差是設定值與測量值之差。過程控制原理與工程1.2.3過程控制系統(tǒng)的相關術語(6)反饋控制系統(tǒng)把系統(tǒng)輸出信號通過測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。可以按被控變量的物理性質如溫度、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

5、成控制系統(tǒng)結構的復雜程度來分類等。通常按照控制系統(tǒng)是否設有反饋環(huán)節(jié)來進行分類，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)基本結構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、口溫度按設定值保持不變，因而它是一個定值控制系統(tǒng)。2.隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)也稱為自動跟蹤系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的設定值是一個未知的變化量。這類控制系統(tǒng)的主要任務，是使被控變量能夠盡快地、準確無誤地跟蹤設定值的變化，而不考慮擾動對被控變量的影響。在化工生產中，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)的設定值也是變化的，但它是已知的時間函數(shù)，即設定值按預定的時間程序變化，被控變量自動跟蹤設定值。在化工生產中，如間歇反應器的升溫控制、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)的過渡過程當系統(tǒng)的設定值不變，也沒有干擾作用在系統(tǒng)上時，系統(tǒng)各組成部分的輸入輸出信號保持不變，使系統(tǒng)的被控變量也恒定不變，我們把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，它是一種動態(tài)的平衡；把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個新的平衡狀態(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、用或是設定值改變)后其被控變量偏離了原來的設定值，經(jīng)過系統(tǒng)的調節(jié)作用使被控變量恢復到原來的值或是達到某一新的穩(wěn)定值，這樣的系統(tǒng)就被認為是穩(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)。這是工程上對一個實際可投運的過程控制系統(tǒng)最基本的要求。與穩(wěn)定性相應的系統(tǒng)性能指標是：衰減比n和超調量(這部分將在第3章講述)。2.準確性準確性是用系統(tǒng)穩(wěn)定時被控變量與設定值之間的差值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)過渡過程時間的長短來表征的。過渡過程時間越短，表明快速性越好，反之快速性較差。快速性

9、反映了系統(tǒng)輸出對設定值輸入響應的快慢程度或克服干擾的能力。穩(wěn)定性、準確性和快速性往往是相互制約的。在系統(tǒng)設計與調試中應根據(jù)具體情況，對三方面的性能有所側重，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容。過程控制原理與工程1-1一個典型的過程控制系統(tǒng)由哪些環(huán)節(jié)組成？它們在系統(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(3)抽水馬桶 (4)全自動洗衣機(5)電飯煲(6)多速電風扇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