第一章-緒論-過程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用

過程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用第1章緒論1.1過程裝備控制技術(shù)的基本概念1.控制廣義地講控制本身是一種手段、措施或者講是一種機(jī)制。它存在于大自然、人體本身、人類社會、工業(yè)生產(chǎn)過程等。應(yīng)用在不同領(lǐng)域的控制技術(shù)產(chǎn)生了不同的科學(xué)學(xué)科。例如：環(huán)境科學(xué)生物科學(xué)及醫(yī)學(xué)社會學(xué)及管理科學(xué)信息科學(xué)計算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)控制技術(shù)自然界動植物人類社會應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程中的控制方法和措施稱之為自動化控制技術(shù)本課程針對工業(yè)生產(chǎn)過程來討論控制方法。2.控制系統(tǒng)

人工調(diào)節(jié)機(jī)電控制電動儀表控制計算機(jī)分布控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制目的所必備的設(shè)備總和。不同的時期，根據(jù)技術(shù)的發(fā)展控制系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成是不同的。它經(jīng)歷了3.過程過程即工業(yè)生產(chǎn)過程。不同的企業(yè)產(chǎn)品不同生產(chǎn)過程也不同。從控制的角度出發(fā)把工業(yè)分成三類:習(xí)慣上,把連續(xù)型工業(yè)稱為過程工業(yè)(processindustries),有時為突出其流動的性質(zhì)也稱為流程工業(yè)(fluidprocessindustries)。連續(xù)型離散型混合型4.過程裝備通常是由一系列的過程機(jī)器和過程設(shè)備按一定的流程方式用管道閥門等連接起來的一個獨(dú)立的密閉系統(tǒng)，再配以必要的控制儀表和設(shè)備，既能平穩(wěn)連續(xù)地把以流體為主的各種流體性材料，讓其在裝置內(nèi)部經(jīng)歷必要的物理化學(xué)過程，制造出人們需要的新的流程性產(chǎn)品。如塔、換熱器、反應(yīng)器、儲罐、壓縮機(jī)、泵、分離機(jī)等。5.過程（裝備）控制系統(tǒng)過程控制(processcontrol)通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動控制,它是自動化控制技術(shù)的重要組成部分。1.2

過程控制系統(tǒng)的基本組成

1.人工操作與自動控制比較控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要手動控制的步驟：(1)眼看：觀察液位數(shù)值；(2)腦想：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)手動：根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值?？刂破骺刂崎y變送器進(jìn)料口自動控制

液位工藝控制圖液位儀表控制步驟：(1)檢測：液位傳感器感應(yīng)液位值并將結(jié)果送控制器；(2)運(yùn)算：把檢測到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，將偏差經(jīng)過適當(dāng)運(yùn)算，其結(jié)果作為輸出給控制閥。(3)調(diào)節(jié)：控制閥根據(jù)控制器輸出調(diào)節(jié)流量。蒸汽汽包省煤器給水鍋爐汽包示意圖蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動工藝控制圖

2.液位自動控制的方框圖在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一般都用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成。下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)的方框圖，每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。儲罐液位傳感與變送器液位控制器控制閥液位液位給定儲罐液位自動控制系統(tǒng)方框圖鍋爐汽包液位傳感與變送器液位控制器控制閥液位液位給定汽包液位自動控制系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)方框圖四個基本環(huán)節(jié)：被控對象、檢測儀表、控制器、執(zhí)行器（顯示儀表根據(jù)需要可選）控制器(調(diào)節(jié)器)被控對象檢測元件及變送器（檢測儀表）+－r(t)執(zhí)行器顯示儀表干擾f(t)ym(t)給定y(t)3.各部分作用和基本術(shù)語(1)被控對象被控對象是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置,如上述其水位受控制的儲罐和鍋爐汽包。常見的被控對象有塔、加熱爐、分餾塔、反應(yīng)釜、干燥爐、壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)窯、換熱器、儲存物料的槽、罐以及傳送物料的管段等。圖中用一個“被控對象”方框來表示,其輸出就是生產(chǎn)過程中所要保持恒定的變量,例如液位等。在控制系統(tǒng)中稱為被控變量,用y(t)來表示。其輸入有兩類，操縱變量和擾動操縱變量：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：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(2)檢測元件及變送器

需要進(jìn)行自動控制的參數(shù)稱為被控變量,如上例中的鍋爐汽包中的水位。被控變量由檢測元件進(jìn)行檢測,當(dāng)其輸出不是電學(xué)量,或雖然是電學(xué)量,但不是4～20mA信號時,必須采用變送器將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號。變送器的輸出就是被控變量y(t)的測量值ym(t)。(3)控制器

控制器作用：干擾一經(jīng)產(chǎn)生,控制器就發(fā)出控制命令,對系統(tǒng)施加控制作用,使被控變量回到設(shè)定值。

設(shè)定值：按生產(chǎn)工藝要求給被控量規(guī)定一個參考值,稱為設(shè)定值r(t),這是經(jīng)過系統(tǒng)的自動控制作用被控量應(yīng)保持的正常參數(shù)值。

負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減?？刂破鬏斎耄罕豢刈兞康臏y量值ym(t)由系統(tǒng)的輸出端反饋到系統(tǒng)的輸入端,與設(shè)定值r比較后得到偏差值e(t)=r(t)-ym(t),就是控制器的輸入信號?？刂破鬟\(yùn)算：也稱之為控制規(guī)律，即對偏差信號進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)學(xué)方法?？刂破鬏敵觯簩⑦\(yùn)算結(jié)果輸出作為控制閥的

輸入信號u(t）。(4)控制閥/執(zhí)行器

被控變量的測量值與設(shè)定值在控制器內(nèi)進(jìn)行比較后得到的偏差大小,由控制器按規(guī)定的控制規(guī)律(PID等)進(jìn)行運(yùn)算后,發(fā)出相應(yīng)的控制信號u(t)去推動執(zhí)行器,該控制信號是控制器的輸出量,稱為控制變量。由控制器發(fā)出控制信號,通過電動或氣動執(zhí)行器產(chǎn)生的位移量驅(qū)動控制閥門,以改變被控對象的操縱變量q(t),使被控變量受到控制。單回路控制系統(tǒng)方塊圖四個基本環(huán)節(jié)：被控對象、檢測儀表、控制器、執(zhí)行器（顯示儀表根據(jù)需要可選）控制器(調(diào)節(jié)器)被控對象檢測元件及變送器（檢測儀表）+－r(t)執(zhí)行器顯示儀表干擾f(t)控制信號u(t)偏差e(t)操縱變量q(t)ym(t)y(t)被控變量給定其他控制系統(tǒng)用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-4蒸汽加熱器溫度工藝控制圖

當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。TT加熱爐的溫度控制系統(tǒng)被控對象：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等注意！方框圖中的每一個方框都代表一個具體的裝置。方框與方框之間的連接線，只是代表方框之間的信號聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設(shè)備進(jìn)入另一個設(shè)備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展可以分為三個階段。1.3過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

1.儀表控制系統(tǒng)階段

2.計算機(jī)控制系統(tǒng)階段

3.綜合自動化階段1.儀表自動化階段

20世紀(jì)40年代前后,生產(chǎn)過程自動化主要是憑生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),局限于一般的控制元件及機(jī)電式控制儀器,采用比較笨重的基地式儀表,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備就地分散的局部自動控制。

20世紀(jì)50年代至60年代,先后出現(xiàn)了電動與氣動單元組合儀表和巡回檢測裝置,采用了集中監(jiān)控與集中操縱的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動化。

電動單元組合式儀表發(fā)展概況DDZ-Ⅰ型儀表：

20世紀(jì)60年代，放大元件為電子管、磁放大器DDZ-Ⅱ型儀表：

20世紀(jì)70年代，采用晶體管放大元件DDZ-Ⅲ型儀表：

20世紀(jì)80年代，采用集成電路S型儀表：

20世紀(jì)90年代，采用微處理器的數(shù)字調(diào)節(jié)器電廠生產(chǎn)車間使用常規(guī)儀表的中央控制室儀表集中控制室

儀表集中控制室

2.計算機(jī)控制階段

20世紀(jì)70年代至80年代,由于集成電路與計算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)展,為過程控制的發(fā)展創(chuàng)造了條件,開始采用計算機(jī)直接數(shù)字控制(directdigitalcontrol,DDC)系統(tǒng)。

計算機(jī)集中控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(DCS)

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,控制要求不斷提高,過程參數(shù)日益增多,致使控制回路更加復(fù)雜。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控集中、危險分散的要求,70年代中期,集散控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystems,DCS,也稱之為分布式控制系統(tǒng))開發(fā)問世了。集散控制系統(tǒng)（DCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）計算機(jī)集中監(jiān)控室

計算機(jī)集中監(jiān)控室

早期的DCS控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)是集計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置（4C技術(shù)）。其特點(diǎn):①結(jié)構(gòu)上是分散的。就是將計算機(jī)分布到車間或現(xiàn)場。這不僅使系統(tǒng)的危險分散,消除了全局性的故障點(diǎn),而且提高了系統(tǒng)的可靠性。②系統(tǒng)由于是分級的,能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的最佳管理。實(shí)現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化和生產(chǎn)調(diào)度與經(jīng)營管理自動化相結(jié)合,使生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展達(dá)到了一個新的水平。3.綜合自動化階段從20世紀(jì)90年代開始,過程控制進(jìn)入了綜合自動化階段。突出特征是在自動化工具上推出了現(xiàn)場總線控制技術(shù)?，F(xiàn)場總線是智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它有如下特點(diǎn):①用一對N結(jié)構(gòu)代替一對一結(jié)構(gòu),②互換性、互操作性好,③控制回路徹底分散。它的出現(xiàn)標(biāo)志著過程控制進(jìn)入了真正的計算機(jī)時代。

綜合自動化系統(tǒng)就是包括生產(chǎn)計劃和調(diào)度、操作優(yōu)化、基層控制和先進(jìn)控制等內(nèi)容的遞階控制系統(tǒng),也稱管理控制一體化的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)是靠計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的,因此也稱為計算機(jī)集成過程系統(tǒng)(computerintegratedprocesssystem,CIPS)。

CIPS是一種全新的哲理與概念,它以企業(yè)整體優(yōu)化為目標(biāo),以計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要技術(shù)工具,以生產(chǎn)過程的管理和控制自動化為主要內(nèi)容,將過去局部自動化的“孤島”模式集成為一個整體的系統(tǒng),它代表了當(dāng)代自動化的潮流。生產(chǎn)制造管理信息系統(tǒng)——MMS1.4過程控制系統(tǒng)的分類

1.分類方法按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。其中第三種分類方法最普遍

“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。1)定值控制系統(tǒng)2)隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）

給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。3)程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）

給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。2.過程控制的特點(diǎn):1)對象復(fù)雜多樣生產(chǎn)過程的復(fù)雜性對象的辨識帶來困難。

要正確描述對象特性還不完全可能,2)對象存在滯后

滯后：當(dāng)流入(或流出)對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時,由于存在容量、慣性和阻力,被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng),這種現(xiàn)象稱為滯后。滯后的大小決定于生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和規(guī)模,并同研究它的流入量與流出量的特性有關(guān)。生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模愈大,物質(zhì)傳輸?shù)木嚯x愈長,熱量傳遞的阻力愈大,造成的滯后就愈大。一般來說,熱過程大多具有較大的滯后,容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩,對自動控制會產(chǎn)生十分不利的影響。3)對象特性的非線性對象特性大多是隨負(fù)荷變化而變的,即當(dāng)負(fù)荷改變時,其動態(tài)特性有明顯的不同。如果只以較理想的線性對象的動態(tài)特性作為控制系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù),就難以得到滿意的控制結(jié)果。須知大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性,弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。4)控制系統(tǒng)較復(fù)雜

任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個,這些參數(shù)又各具有不同的特性,要針對這些不同的特性設(shè)計相應(yīng)不同的控制系統(tǒng),由此采用了各種復(fù)雜的多回路控制系統(tǒng)。目前，要完全通過理論計算進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計與控制參數(shù)的整定是不可能。目前已設(shè)計出各種各樣的控制系統(tǒng),都是通過必要的理論論證和計算,并且經(jīng)過長期的運(yùn)行、試驗(yàn)、分析、總結(jié)起來的,只要采用現(xiàn)場調(diào)整的方法得當(dāng),可望得到相當(dāng)滿意的控制效果。1.5控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

1.控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)靜態(tài)：當(dāng)一個控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。

控制系統(tǒng)的輸入:設(shè)定作用和擾動作用。動態(tài)：被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結(jié)論：在過程控制系統(tǒng)中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)特性是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)特性更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。2.控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。當(dāng)干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過一段時間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。

采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)：

這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計算。階躍干擾作用定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式(階躍擾動)

y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)3.控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖

假定控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1)最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量瞬間偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值A(chǔ)。是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。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，都會對最大偏差的允許值有所限制。超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標(biāo)。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。即

2）衰減比nCtyBB’A0五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二衰減比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，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，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’A03）余差定義：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。

余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過預(yù)定的范圍。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三上圖中，

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)時間（過渡時間）回復(fù)時間表示控制系統(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)需要無限長的時間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的或或的范圍內(nèi)且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。ytBB’5%ATs5）振蕩周期T在衰減比相同條件下，周期與過渡時間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五其它一些次要指標(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^渡過程兩個波”：是指過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來。上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。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、過渡時間、振蕩周期。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。例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期。（設(shè)定值為200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)℃(3)衰減比：第一個波的振幅第二個波的振幅(℃)(℃)衰減比℃(4)過渡時間：過渡時間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為(℃)那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可。因此，過渡過程為22min.℃（5）振蕩周期振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期

T＝20-5＝15（min）某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200℃）。舉例溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃

余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個波峰值

B＝230-205＝25℃，第二個波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應(yīng)為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）

分析

過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的±2％，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×（±2％）＝±4℃，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±４℃畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素

一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動化裝置部分。前者指與該自動控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動控制所必需的自動化儀表設(shè)備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。

對于一個自動控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動化系統(tǒng)要具體分析。本章小結(jié)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用場合基本任務(wù)基本組成表示方法發(fā)展歷程類型及分類品質(zhì)指標(biāo)連續(xù)性生產(chǎn)過程克服干擾，跟隨給定四部分工藝控制圖，控制方框圖DDZ儀表，DDC、DCS、FCS定值、隨動、程序控制系統(tǒng)過渡過程、衰減振蕩A、n、C、T、TsTHEEND1.1.4過程控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)

1.系統(tǒng)分類：從控制的角度出發(fā),可以把工業(yè)分成三類:連續(xù)型、離散型和混合型。習(xí)慣上,把連續(xù)型工業(yè)稱為過程工業(yè)(processindustries),也稱為流程工業(yè)(fluidprocessindustries)。任務(wù)：是對生產(chǎn)過程中的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制,主要對系統(tǒng)的溫度、壓力、量、液位、成分和物性六大類參數(shù)進(jìn)行控制,使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化,在保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全的前提下,使生產(chǎn)自動進(jìn)行下去。

1.2過程控制系統(tǒng)的組成及分類下面以生產(chǎn)過程中最常見的鍋爐控制為例來介紹一個過程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。1.2.1過程裝備控制

1.汽包作用及控制原則作用：鍋爐是生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備,對于鍋爐保持鍋筒內(nèi)的水位在一定范圍內(nèi)是非常重要的。如果水位過低,鍋爐可能被燒干;如果水位過高,會導(dǎo)致生產(chǎn)的蒸汽含水量大,而且水還可能溢出。這些都相當(dāng)危險,因此,水位控制是保證鍋爐正常運(yùn)行必不可少的。下圖為鍋爐水位控制原理圖1—蒸汽閥門;2—過熱器;3—鍋筒;4—省煤器;5—給水閥1.人工控制

是靠人眼觀察玻璃水位計,根據(jù)Δh的變化量,

經(jīng)過比較(思考、分析、判斷)后,動手去改變給水閥門的開度,相應(yīng)增減給水量以保持水位在合理的位置處。如圖所示。2.儀表控制采用儀表進(jìn)行控制時,水位變化量Δh由水位計檢測,并經(jīng)液位變送器送到控制器,與水位設(shè)定值進(jìn)行比較和運(yùn)算后發(fā)出控制命令,由執(zhí)行器改變閥門的開度,相應(yīng)增減給水量相應(yīng)增減給水量,以保持給水量與蒸發(fā)量之間的平衡,這就是鍋爐水位自動控制過程,其結(jié)構(gòu)如圖所示。1.2.2過程控制系統(tǒng)的研究方法實(shí)現(xiàn)鍋爐水位控制需要這樣一些設(shè)備:

檢測水位變化的傳感器與變送器、比較水位變化并進(jìn)行控制運(yùn)算的控制器、實(shí)施控制命令的執(zhí)行器、改變給水量的控制閥等,再加上一些其他必要的輔助裝置,就可構(gòu)成常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)。1.方框圖

上圖為液位自動控制系統(tǒng)的方框圖,圖中用方框表示組成控制系統(tǒng)的元、部件或環(huán)節(jié)。兩個方框之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系,箭頭指向方框表示為這個環(huán)節(jié)的輸入,箭頭離開方框表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。2.各部分作用和基本術(shù)語(1)被控對象被控對象是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置,如上述其水位受控制的鍋爐。常見的被控對象有鍋爐、加熱爐、分餾塔、反應(yīng)釜、干燥爐、壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)窯、儲存物料的槽、罐以及傳送物料的管段等。圖中用一個“對象”方框來表示,其液位就是生產(chǎn)過程中所要保持恒定的變量,在自動控制系統(tǒng)中稱為被控變量,用y來表示。(2)傳感器和變送器需要進(jìn)行自動控制的參數(shù)稱為被控量,上例中的鍋爐鍋筒中的水位就是被控量,被控量往往就是對象的輸出量。被控量由傳感器進(jìn)行檢測,當(dāng)其輸出不是電學(xué)量,或雖然是電學(xué)量,但不是4～20mA信號時,必須采用變送器將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號。如果是氣動儀表,則應(yīng)轉(zhuǎn)換為1.96×104～9.8×104Pa的氣動信號。傳感器或變送器的輸出就是被控量的測量值z。(3)控制器控制器作用：干擾一經(jīng)產(chǎn)生,控制器就發(fā)出控制命令,對系統(tǒng)施加控制作用,使被控量回到設(shè)定值。設(shè)定值：按生產(chǎn)工藝要求給被控量規(guī)定一個參考值,稱為設(shè)定值r,這是經(jīng)過控制系的自動控制作用被控量應(yīng)保持的正常參數(shù)值。輸入：被控量的測量值z由系統(tǒng)的輸出端反饋到系統(tǒng)的輸入端,與設(shè)定值r比較后得到偏差值e=r-z,就是控制器的輸入信號。輸出：作為控制閥的輸入信號。(4)控制閥/執(zhí)行器被控量的測量值與設(shè)定值在控制器內(nèi)進(jìn)行比較后得到的偏差大小,由控制器按規(guī)定的控制規(guī)律(PID等)進(jìn)行運(yùn)算后,發(fā)出相應(yīng)的控制信號去推動執(zhí)行器,該控制信號是控制器的輸出量,稱為控制量u。該信號由控制器發(fā)出,通過電動或氣動執(zhí)行器產(chǎn)生的位移量l驅(qū)動控制閥門,以改變輸入對象的操縱量q,使被控量受到控制。1.2.3過程控制系統(tǒng)的分類按所控制的參數(shù)來分,有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等;

按結(jié)構(gòu)計算機(jī)控制系統(tǒng)還可分為DDC、DCS和現(xiàn)場總線系統(tǒng);

按其控制動作規(guī)律來分,有比例控制系統(tǒng),比例、積分控制系統(tǒng),