第一章控制系統(tǒng)的基本概念

1、過控教研室過控教研室前 言 過程裝備控制技術及應用課程是經(jīng)全國高等學?；ゎ惣跋嚓P專業(yè)教學指導委員會化工裝備教學指導組討論決定，確定為“過程裝備與控制工程”專業(yè)的核心課程之一。本專業(yè)學生通過該課程的學習，可以將過程機械、計算機自動測試、控制、自動化等方面的知識有機地結合在一起，培養(yǎng)學生成為掌握多學科知識與技能的復合型人才。 該課程教材全書共分七章，理論課講授學時為 48學時，由于學時的限制，第七章的內容為選修內容，所以本課件中沒有包括第七章的內容。 本書內容豐富，涉及面廣。在各章中選編了一些實例，并附有習題與思考題，有利于對過程控制基礎理論學習較少的讀者掌握與應用，也有利于學生對本課程內容的學

2、習、理解和掌握。 目 錄 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 第二章 過程裝備控制基礎 第三章 過程檢測技術 第四章 過程控制裝置 第五章 計算機控制系統(tǒng) 第六章 典型過程控制系統(tǒng)應用方案 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念1.1 概述1.2 控制系統(tǒng)的組成1.3 控制系統(tǒng)的方框圖1.4 控制系統(tǒng)的分類1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標附錄一：本章的重點和難點附錄二：思考題與習題 過程裝備控制是指在過程設備上，配上一些自動化裝置以及適合的自動控制系統(tǒng)來代替操作人員的部分或全部直接勞動，使設計、制造、裝配、安裝等在不同程度上自動地進行。這種利用自動化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法就是生產(chǎn)過程自動化。因此，過程裝備

3、控制是生產(chǎn)過程自動化最重要的一個分支。 生產(chǎn)過程自動化是提高社會生產(chǎn)力的有力工具之一。它在確保生產(chǎn)正常運行，提高生產(chǎn)質量，降低能耗，降低勞動條件，減輕勞動強度等方面具有巨大的作用。 自20世紀30年代以來，隨著自動控制理論的不斷發(fā)展以及電子計算機的出現(xiàn)，自動化技術已取得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學發(fā)展中起到關鍵的作用。當前，自動化裝置已成為大型設備不可分割的重要組成部分?？梢哉f，如果不配置合適的自動控制系統(tǒng)，大型生產(chǎn)過程是根本無法運行的。實際上，生產(chǎn)過程自動化的程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。 生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)包含如下四個部分的內容： （1） 自動檢測系統(tǒng) ： 要控制不斷進

4、行著各種物理化學變化的生產(chǎn)過程，首先必須隨時了解生產(chǎn)過程中各工藝參數(shù)的變化情況。為此，必須采用各種檢測儀表（如熱電偶、熱電阻、壓力傳感器等）自動連續(xù)地對各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）進行測量，并將結果用儀表（如動圈儀表、電子電位差計等）指示記錄下來供操作人員觀察、分析或將測量到的“信息”傳送給控制系統(tǒng)，作為自動控制的依據(jù)。 （2） 信號連鎖系統(tǒng) ： 信號連鎖系統(tǒng)是一種安全裝置。在生產(chǎn)過程中，有時由于一些偶然因素的影響會導致某些工業(yè)變量超出允許的范圍，使生產(chǎn)過程不能正常運行，嚴重時甚至會引起燃燒，爆炸等事故。為了確保安全生產(chǎn)，常對這些關鍵性變量設置信號報警或連鎖保護裝置。其作用是在事故

5、發(fā)生前，自動地發(fā)出聲光報警信號，引起操作員的注意以便及早采取措施。如工況已接近危險狀態(tài)，信號連鎖系統(tǒng)將啟動：打開安全閥，切斷某些通路或緊急停車，從而防止事故的發(fā)生或擴大。 （3）自動操縱系統(tǒng) ： 這是一種根據(jù)預先規(guī)定的程序，自動的對生產(chǎn)設備進行某種周期性操作，極大地減輕操作人員的繁重或重復性體力勞動的裝備。例如，合成氨造氣車間煤氣發(fā)生爐的操作就是按照程序自動地進行的，如自動進行吹氣、上吹、下吹制氣、吹凈等步驟，周期性地接通空氣與水蒸氣實現(xiàn)自動操縱。 （4）自動控制系統(tǒng)： 利用一些自動控制儀表及裝置，對生產(chǎn)過程中某些重要的工藝變量進行自動調節(jié)，使它們在受到外界干擾影響偏離正常狀態(tài)后，能夠自動地重

6、新回復到規(guī)定的范圍內，從而保證生產(chǎn)的正常進行。 過程裝備控制是工藝生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分，它主要是針對過程裝備的主要參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位（或物位）、成分和物性等參數(shù)進行控制。 工藝生產(chǎn)過程裝備控制的要求是多方面的，最終可以歸納為三項要求：即安全性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。安全性，是指在整個生產(chǎn)過程中，確保人身和設備的安全，這是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限報警，事故報警和連鎖保護等措施加以保證。經(jīng)濟性，是指在生產(chǎn)同樣質量和數(shù)量產(chǎn)品所消耗的能量和原材料最少。也就時要求生產(chǎn)成本低而效率高。隨著市場競爭加劇和能源的匱乏，經(jīng)濟性已越來越受到各方面的重視。穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)應具有抵抗外部干

7、擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運行的能力。 過程裝備控制的任務就是在了解，掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎上，根據(jù)上敘三項要求，應用理論對控制系統(tǒng)進行分析和綜合，最后采用合適的技術手段加以實現(xiàn)。因此可以說，過程裝備控制是控制理論、工藝知識、計算機技術和儀表儀器等相結合而構成的一門綜合性應用科學。 工業(yè)生產(chǎn)過程都是在一定的溫度、壓力、濃度、物位等工藝條件下進行的。為此，必須對這些工藝變量進行控制，使其穩(wěn)定在保證生產(chǎn)正常運行的范圍之內。為了實現(xiàn)控制要求 ，通常有兩種方式可以選擇：人工控制和自動控制。下面以鍋爐汽包水位控制為例，說明人工控制與自動控制的執(zhí)行過程。 圖11所示為鍋爐汽包水位控制的

8、示意圖。鍋爐是化工、煉油等生產(chǎn)過程中必不可少的動力設備，由它產(chǎn)生的高壓蒸汽，既可以作為風機、壓縮機、大型泵類的動力源；又可以作為蒸餾、化學反應、干燥和蒸發(fā)等過程的熱源。要保證鍋爐的正常的運行，將鍋爐的汽包水位穩(wěn)定在一定的高度非常重要：如果汽包水位過低，由于汽包內的水量較少而蒸汽的需求量卻很大，加上水的汽化速度很快，使得汽包內的水量變化迅速，如不及時控制，就會使汽包內的水全部汽化，導致鍋爐燒壞和爆炸；水位過高，則影響汽包內的汽水分離，使蒸汽夾帶水分，對后續(xù)生產(chǎn)設備造成影響和破壞。因此，要維持汽包水位在規(guī)定的值上，根據(jù)物料平衡原理，就必須保證鍋爐的給水量和蒸汽的排出量相等。當蒸汽負荷發(fā)生變化而給水

9、量不變時，鍋爐水位將會發(fā)生變化；或當給水壓力發(fā)生變化而負荷不變時，鍋爐水位也將會偏離規(guī)定的數(shù)值。 1.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 1.2.1 過程裝備的控制過程裝備的控制圖11 鍋爐水位控制示意圖（a）人工控制 （b）自動控制 在圖11（a）的人工控制系統(tǒng)中，首先眼睛觀察安裝在鍋爐汽包上的玻璃管液位計中的水位數(shù)值，經(jīng)大腦思考，將觀測到的數(shù)據(jù)與規(guī)定的數(shù)值進行比較，得到偏差，并根據(jù)此差值的大小及變化趨勢決定如何操作給水閥門，最后按思考的結果用手開大或關小給水閥門。當過程參數(shù)變化較快或操作條件要求苛刻的時候，這種控制方法就很難滿足控制要求。 與人工控制不同,圖1-1(b)的鍋爐汽包水位自動控制

10、系統(tǒng)中,采用過程測量儀表(本圖為差壓變送器的測量器)代替人眼的觀測得到水位數(shù)據(jù),通過信號轉換及傳輸裝置(本圖為差壓變送器)將該數(shù)據(jù)送到過程控制儀表(本圖為液位調節(jié)器)?？刂苾x表（也稱調節(jié)儀表）相當于人工控制中人的大腦，將變送器送來的信號與預定的水位信號進行比較得到兩者的偏差，然后根據(jù)一定的控制算法（即調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律）對該偏差加以計算得到相應的控制信號，將該信號傳送到執(zhí)行器（一般為自動調節(jié)閥），執(zhí)行器根據(jù)控制信號的大小調節(jié)給水閥，改變給水量的大小。如此反復調節(jié)，直到水位回復到規(guī)定的高度上，完成水位的自動控制。 比較自動控制與人工控制：在自動控制系統(tǒng)中，測量儀表,控制儀表，自動調節(jié)閥分別代表了人

11、工控制中人的觀察，思考和手動操作，因而大大降低了人的勞動強度；同時由于儀表的信號測量、運算、傳輸、動作速度遠遠高于人的觀察，思考和操作過程，因此自動控制可以滿足信號變化速度快，控制要求高的場合 。 1.2.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 從上面鍋爐汽包水位的自動控制系統(tǒng)中可以看出，一個自動控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成：一部分是起控制作用的全套自動控制系統(tǒng)，它包括測量儀表，變送器，控制儀表以及執(zhí)行器等；另一部分是自動控制裝置下的生產(chǎn)設備，即被控對象如鍋爐、反應器、換熱器等。圖11（b）中，鍋爐、差壓便送器、調節(jié)器、執(zhí)行器等構成了一個完整的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)各部分的作用如下。 被控對象 ：在自動控

12、制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)設備或機器稱為被控對象，簡稱對象。在化工生產(chǎn)中，各種塔器、反應器、泵、壓縮機以及各種容器。貯罐、貯槽、甚至一段輸送流體的管道或復雜塔器（如精餾塔）的某一部分都可以是被控對象。圖11的鍋爐即為汽包水位控制系統(tǒng)中的被控對象。 測量元件和變送器 ：測量需控制的工藝參數(shù)并將其轉化為一種特定信號（電流信號或氣壓信號）的儀器，在自動控制系統(tǒng)中起著“眼睛”的作用，因此要求準確、及時、靈敏。 調節(jié)器：又稱控制器，它將檢測元件或變送器送來的信號與其內部的工藝參數(shù)給定值進行比較，得到偏差信號；根據(jù)這個偏差的大小按一定的運算規(guī)律計算出控制信號，并將控制信號傳送給執(zhí)行器。 執(zhí)行器： 接

13、受調節(jié)器送來的信號，自動地改變閥門的開度，從而改變輸送給被控對象的能量或物料。最常用的執(zhí)行器是氣動薄膜調節(jié)器。當采用電動調節(jié)器時，調節(jié)閥上還需增加一個電氣轉換器。 在一個自動控制系統(tǒng)中，上述四個部分是必不可少的。除此之外，還有一些輔助裝置，例如給定裝置、轉換裝置、顯示儀表等。其中顯示儀表可以是單獨的儀表，有時也可以是測量儀表、變送器和調節(jié)器里附有的顯示部分。控制系統(tǒng)中一般不單獨說明輔助裝置。 給定值（或設定值）Ys ：對應于生產(chǎn)過程中被控變量的期望值。當其值由工業(yè)調節(jié)器內部給出時稱為內給定值。最常見的內給定值是一個常數(shù)，它對應于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值；當其值產(chǎn)生于外界某一裝置，并輸入至調

14、節(jié)器時稱為外給定值。 測量值 Ym： 由檢測元件得到的被控變量的實際值。 操縱變量（或控制變量）m ： 受控于調節(jié)閥，用以克服干擾影響，具體實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量，它是調節(jié)閥的輸出信號。在圖11所示的例子中，就是鍋爐的給水流量。化工、煉油等工廠流過調節(jié)閥的各種物料或能量，或者由觸發(fā)器控制的電壓或電流都可以作為操縱變量。 干擾（或外界干擾）f ：引起被控變量偏離給定值的，除操縱變量以外的各種因素。最常見 的干擾因素是負荷改變，電壓、電流的波動，氣候變化等。鍋爐水位控制中，蒸汽用量的變化就是一種干擾。 偏差信號 e ： 在理論上應該是被控變量的實際值與給定值之差， 自動控制系統(tǒng)的分類方法有

15、很多。例如，按被控變量的不同，可以分為溫度控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)等。按調節(jié)器的控制規(guī)律來分類，可分為比例控制系統(tǒng)、比例積分控制系統(tǒng)、比例微分控制系統(tǒng)、比例微分積分控制系統(tǒng)等。但是，在分析自動控制系統(tǒng)的特性時，常常采用下述幾種分類方法。 而能夠直接獲取的信息是被控變量的測量值。因此，通常把給定值與測量值的差作為偏差，即 e = y sy m。在反饋控制系統(tǒng)中，調節(jié)器根據(jù)偏差信號的大小去控制操縱變量。 控制信號 u 控制器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。 1.4 控制系統(tǒng)系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)系統(tǒng)的分類 定值控制系統(tǒng) ：定值控制系統(tǒng)的給定值是恒定不變的，因此稱為

16、“定值”。控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）應穩(wěn)定在與給定值相對應的工藝指標上，或在規(guī)定工藝的上下一定范圍內變化。在生產(chǎn)過程中，大多數(shù)場合要求被控變量保持恒定或在給的給定值附近。因此，定值控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程控制中最常見的。 隨動控制系統(tǒng)： 隨動控制系統(tǒng)的給定值是一個不斷變化的信號，而且這種變化不是預先規(guī)定好的，也就是說給定值的變化是隨機的。這類系統(tǒng)的主要任務是使被控變量能夠迅速地、準確無誤地跟蹤給定值的變化，因此這類系統(tǒng)又稱為自動跟蹤系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，多見于復雜控制系統(tǒng)中。 程序控制系統(tǒng)： 程序控制系統(tǒng)的給定值也是一個不斷變化的信號，但這種變化是一個已知的時間函數(shù)，即給定值按一定的時間程序變化。這

17、類系統(tǒng)在間隙生產(chǎn)中的應用比較廣泛，食品工業(yè)中的罐頭溫度控制、造紙工業(yè)中制漿蒸煮溫度控制等，它們要求的溫度指標不是一個恒定的數(shù)值，而是一個按工藝規(guī)程規(guī)定好的時間函數(shù)，具有一定的升溫時間、保溫時間、降溫時間等。 閉環(huán)控制：在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出信號的改變會返回影響操縱變量，所以操縱變量不是獨立的變量，它依賴于輸出變量。閉環(huán)控制系統(tǒng)的最常見形式是負反饋控制系統(tǒng)。當操縱變量使系統(tǒng)的輸出信號增大時，反饋影響操縱變量的結果使輸出信號減小。負反饋是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基本條件。一個工業(yè)控制系統(tǒng)，當調節(jié)器進入“自動”運行時，就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 如前所述，圖12所示的自動控制系統(tǒng)無需操作者干預其運行即可自動克

18、服干擾作用的影響，使被控變量保持在給定值的附近。其控制作用依賴于對被控變量的測量。自動控制通過調節(jié)器輸出的控制信號實現(xiàn)：調節(jié)器根據(jù)被控變量偏差信號的大小產(chǎn)生相應的控制作用，改變操縱變量，克服干擾作用的影響。 開環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)的操縱變量不受系統(tǒng)輸出信號的影響。為了使系統(tǒng)的輸出滿足事先規(guī)定的要求，必須周密而準確的計算操縱本來的變化規(guī)律。一個工業(yè)控制系統(tǒng)，當反饋回路斷開或調節(jié)器置于“手操”位置時，就成為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖11（a）中所示的人工控制即為開環(huán)控制系統(tǒng)。 簡單控制系統(tǒng) ：一般稱圖12所示的控制系統(tǒng)為簡單控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)只有一個簡單的反饋回路，所以也可稱為單回路控制系統(tǒng)。 復雜控制

19、系統(tǒng) ： 工程上的控制系統(tǒng)常常比較復雜，它們可表現(xiàn)為在系統(tǒng)中包含多個調節(jié)器、檢測變送器或執(zhí)行器，從而形成系統(tǒng)中存在有多個回路或者在系統(tǒng)中存在有多個輸入信號和多個輸出信號。為了和簡單控制系統(tǒng)相區(qū)別，稱其為復雜控制系統(tǒng)。圖13所示的夾套式反應器溫度控制系統(tǒng)就是具有兩個回路的控制系統(tǒng)。該反應器的溫度T1通過進入夾套的蒸汽量加以控制。圖中TC為溫度調節(jié)器，TT為溫度測量變送器。圖14為該控制系統(tǒng)的方框圖。 從圖14中可以看出，這是具有兩個反饋回路的控制系統(tǒng)，工程上又稱為串級控制系統(tǒng)。此外，還可以有更多的回路或更為復雜的形式 。 1.4.4 按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分 反饋控制系統(tǒng)

20、 ：如圖15所示，當干擾f使系統(tǒng)被控變量發(fā)生改變時，被控變量反饋至系統(tǒng)輸入端與給定值相比較并得到偏差信號，經(jīng)調節(jié)器及調節(jié)閥影響操縱變量以減弱或消除被控變量的變化。 前饋控制系統(tǒng) ：如圖16所示。當干擾f引起被控對象的輸出y2改變時，控制系統(tǒng)測得干擾信號的大小，并輸入前饋補償器（或稱前饋控制器），由前饋補償器的輸出去控制操縱變量m，引起被控對象輸出y1的改變，并且y1與y2的方向相反，由此減弱或消除被控變量y受干擾影響而產(chǎn)生的變化。當前饋完全補償時，有yy1y20。 前饋反饋控制系統(tǒng) ：當以上兩種控制系統(tǒng)復合到一起時，就構成了前饋反饋控制系統(tǒng)，如圖17所示。這種系統(tǒng)當受到干擾f的影響時，可以通過

21、前饋控制器使被控變量不變，若前饋補償不完全，還可以通過反饋控制系統(tǒng)加以修正?？刂葡到y(tǒng)受其他因素影響，或系統(tǒng)的給定值發(fā)生改變時，則由反饋控制系統(tǒng)加以控制。 處于平衡狀態(tài)下的自動控制系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量會發(fā)生變化而偏離給定值，系統(tǒng)進入過渡過程。自動控制系統(tǒng)的作用就是檢測變化、計算偏差并消除偏差。在這一過程中，被控變量的變化情況、偏離給定值的最大程度以及系統(tǒng)消除偏差的速度、精度等都是衡量自動化控制系統(tǒng)質量的依據(jù)。 從被控對象受到干擾作用使被控變量偏離給定值時起，調節(jié)器開始發(fā)揮作用，使被控變量回復到給定值附近范圍內。然而這一回復并不是瞬間完成的，而是要經(jīng)歷一個過程，這個過程就是控制系統(tǒng)的過渡過

22、程。它是控制系統(tǒng)在閉環(huán)情況下，在干擾和自動控制的共同作用下形成的。 圖 1-8 階躍干擾 在生產(chǎn)過程中，干擾的形成是多種多樣的，而且大部分都屬于隨機性質的，其中階躍干擾（圖18）對控制系統(tǒng)的影響最大，且最為多見。例如負荷的變化、直流電路的突然斷開或者接通、閥門的突然變化等。因此，本書只討論在階躍干擾影響下控制系統(tǒng)的過渡過程。在階躍干擾的作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程有如圖19所示的幾種基本形式。圖 1-9 過渡過程的幾種基本形式 （a）發(fā)散振蕩；（b）等幅振蕩 （c）衰減振蕩；（d）單調過程 等幅振蕩過程： 如圖19（b）所示，被控變量在某穩(wěn)定值附近振蕩，而振蕩幅度恒定不變。這意味著系統(tǒng)在受到階躍

23、干擾作用后，就不能再穩(wěn)定下來，一般不采用。對于某些工藝上允許被控變量在一定范圍內附近上下波動的、控制質量要求不高的場合，這種形式的過渡過程還是可以接受的。 衰減振蕩過程： 如圖19 (c)所示，被控變量在穩(wěn)定值附近上下波動，經(jīng)過二三個周期就穩(wěn)定下來。這是一種穩(wěn)定的過渡過程，在控制過程中，多數(shù)情況下都希望得到這樣的過渡過程。 非振蕩的單調過程 ： 如圖19（d）所示，它表明被控變量最終穩(wěn)定下來了，是一個穩(wěn)定的過渡過程。但與衰減振蕩相比，其回復到平衡狀態(tài)的速度慢、時間長，因此一般不采用。 綜上所述，一個自動控制系統(tǒng)的過渡過程，首先應是一個漸趨穩(wěn)定的過程，這是滿足輸生產(chǎn)要求的基本保證；其次，在大多數(shù)

24、場合下，應是一個衰減振蕩的過程。 衰減振蕩的過渡過程是人們所希望得到的一種穩(wěn)定過程。它能使被控變量在受到干擾作用后重新趨于穩(wěn)定，并且控制速度快、回復時間短。但每一個衰減振蕩過程的控制質量并不完全相同。要評價和討論一個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，就必須建立某些統(tǒng)一的衡量標準。取什么樣的指標作為衡量標準使根據(jù)工藝過程的實際需要而定的。不過，通常采用如下的兩大類標準。 一類是以系統(tǒng)受到單位階躍輸入作用后的響應曲線（又稱為過渡過程曲線）的形式給出的，如最大偏差（或超調量）、衰減比、余差、回復時間等，稱為過渡過程的質量指標；另一類是偏差積分性能指標，一般是希望輸出與系統(tǒng)實際輸出之間誤差的某個函數(shù)的積分，常用的有平方誤差積分指標（ISE）、時間乘平方誤差的積分指標（ITSE）、絕對誤差積分指標（IAE）以及時間乘絕對誤差的積分指標（ITAE）等，這些值達到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。. 下面對這些指標分別進行討論。 (1) 以階躍響應曲線形式表示的質量指標 最大偏差A（或超調量）： 對一個給定值控制系統(tǒng)來說，最大偏差是指過渡過程中被控變量第一個波的峰值與給定值的差，如圖1