过程装备与控制工程--第1章

1过程装备控制技术与应用装控08-1，2过程装备控制技术与应用2过程：含化学工程、机械工程、动力工程、控制工程化学工程是过程工业的典型代表控制工程：机械控制形状、位移、速度过程控制温度、压力、流量、液位、浓度过程装备控制技术与应用3第一章控制系统的基本概念本章主要内容生产过程自动化系统所包含的内容控制系统的组成控制系统方框图及其概念控制系统的分类控制系统的过渡过程及其性能指标过程装备控制技术与应用4§1.1概述过程装备控制是指在过程装备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部劳动，使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。生产过程自动化：用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化。过程装备控制是生产过程自动化的最重要分支之一。生产过程自动化是衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。过程装备控制技术与应用5§1.1.1生产过程自动化系统所包含的内容自动检测系统:采用各种检测仪表自动连续对各种工艺参数进行测量，并将测量结果记录供操作人员观察与分析或将测量获得的信息传送给控制系统，作为自动控制的依据。信号联锁系统：是一种安全系统。包括信号报警和联锁保护自动操纵系统：根据预先规定的程序，自动地对生产设备进行各种周期性操作的装置。自动控制系统：利用自动化装置，对生产过程某些重要的工艺变量进行调节，使它们在受到外界因素影响偏离正常状态时能回复到规定的范围内。过程装备控制技术与应用6§1.1.2过程装备控制的任务和要求过程装备控制是针对过程装备的主要参数,即温度、压力、流量、液位、成分和物性参数进行控制。过程装备控制要求：安全性、经济性和稳定性。自动控制系统的要求：稳、准、快。控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现过程装备控制技术与应用7§1.2控制系统的组成1.2.1过程装备的控制锅炉水位控制装置控制要求：汽包水位保持在一定范围内人工控制与自动控制的区别与对应关系过程装备控制技术与应用81.2.2控制系统的组成两大部分：被控对象与全套自动控制装置被控对象:工艺变量需要控制的生产设备和机器.测量元件和变送器：测量需控制的工艺参数并将其转化为一个特定信号的仪器。调节器（控制器）：对偏差信号按一定规律运算出控制信号，并传送给执行器。执行器：接受调节器的信号，自动改变阀门开度，从而改变输送量。过程装备控制技术与应用9§1.3控制系统的方框图图中的每一个方框代表控制系统的一个组成部分，称为“环节”。环节具有单向性，即任何环节只能由输入得到输出，不能逆行。从整个系统来看，给定值信号和干扰信号是输入信号，被测变量或其测量值是系统的输出信号。方框图中的圆圈称为“加法器”，用于信号相加或相减，当两个信号相减，即e=ys-ym,又称为比较元件。过程装备控制技术与应用10被控变量：需要控制的工艺参数.给定值(或设定值)：对应于生产过程中被控变量的期望值.测量值：由检测元件的到的被控变量的实际值。操纵变量（或控制变量）：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量成为操作变量，它是调节阀的输出信号。干扰（或外界扰动）：引起被控变量偏离给定值的，除操作变量以外的各种因素。偏差信号e：给定值与测量值的差，在反馈系统中，调节器是根据偏差信号的大小来控制操作变量的。控制信号：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。过程装备控制技术与应用11§1.4控制系统的分类1.4.1按给定值的特点划分1.定值控制系统：给定值是不变的2.随动控制系统(或称自动跟踪系统)：给定值是一个不断变化的信号,而且这种变化不是预先规定好的,给定值的变化是随机的.3.程序控制系统：给定值也是一个不断变化的信号,但这种变化是一个已知的时间函数,即给定值按一定的程序变化.过程装备控制技术与应用121.4.2按系统输出信号对操纵变量的影响来分1.闭环控制2.开环控制1.4.3按系统复杂程度分1.简单控制系统(单回路系统)：只有一个简单的反馈回路。2.复杂控制系统:系统包含多个调节器、检测变送器或执行器，从而形成系统中存在多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个输出信号。在第二章会详细介绍简单系统的设计与工程整定等知识，较为详细地介绍几种复杂类型的控制系统。过程装备控制技术与应用13过程装备控制技术与应用141.4.4按系统克服干扰的方法分1.反馈控制系统（FBC）2.前馈控制系统（FFC，属于复杂系统在第二章详细介绍）3.前馈-反馈控制系统（FBC-FFC）过程装备控制技术与应用15过程装备控制技术与应用16过程装备控制技术与应用17§1.5控制系统的过渡过程及其性能指标控制系统的过渡过程从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近，这个过程就是控制系统的过渡过程。发散振荡过程()等幅振荡过程()衰减振荡过程()非振荡的单调过程()回顾：《机械控制工程基础》§3.4.2二阶系统的单位阶跃响应00101过程装备控制技术与应用18过程装备控制技术与应用19过程装备控制技术与应用20过渡过程质量指标衰减比n：过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比,一般用n:1表示.回复时间(过渡过程时间、调整时间)余差：过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与设定值之差。振荡周期T：最大偏差A（或超调量Mp，):回顾:《机械控制工程基础》§3.5控制系统的动态响应指标过程装备控制技术与应用21)()()(tytrte)()()(tyyte偏差积分性能指标平方误差积分性能指标(ISE)时间平方误差积分性能指标(ITSE)绝对误差积分性能指标(IAE)时间绝对误差积分性能指标(ITAE)误差：过程装备控制技术与应用22对偏差积分性能指标的讨论1、ISE与IAE相比，对大偏差更为敏感2、ITAE对初始偏差不敏感，对后期偏差敏感3、ITSE兼有ISE和ITAE指标的特点过程装备控制技术与应用23小结要明确生产过程自动化系统和自动控制系统的关系。生产过程自动化系统包含自动检测系统、自动操纵系统、信号联锁系统和自动控制系统；在原有基础上，进一步明确控制系统的组成、控制系统方框图、控制系统常用术语等基础知识。了解各种系统分类方法，在以后的学习中逐步加深理解。在原有基础上，进一步理解控制系统的过渡过程及其质量性能指标；了解最优性能指标。过程装备控制技术与应用241、自动化系统的四种类型；2、自动控制系统的组成及其基本工作原理；3、简单控制系统的方框图；4、自动控制系统的常用术语；5、控制系统的五项.性能指标；过程装备控制技术与应用25第二章过程装备控制基础过程装备控制技术与应用26§2.1被控对象的特性研究被控对象的意义:被控对象的特性是由生产工艺过程和工艺设备决定的,在控制系统的设计中是无法改变的(或很难改变的).因此,必须深刻了解被控对象的特性,才能设计出合理有效的控制方案,取得良好的控制质量.被控对象的特性可以用微分方程、传递函数、脉冲传递函数、状态空间模型等描述，也可以用图表描述。被控对象的特性:当被控对象的输入变量发生变化时,其输出变量随时间的变化规律(包括变化的大小、速度）。过程装备控制技术与应用272.1被控对象的特性控制系统的设计过程:全面了解被控对象——解决控制方案和调节器参数的整定——系统投运被控对象的输出变量——被控变量；输入变量——操纵变量和干扰变量输入变量与输出变量间的联系——通道操纵变量与被控变量间的联系——控制通道干扰变量与被控变量间的联系——干扰通道过程装备控制技术与应用282.1.1被控对象的数学描述连续生产过程中最基本的关系——物料平衡和能量平衡静态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）等于从系统中流出的物料（或能量）；动态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）与从系统中流出的物料（或能量）之差等于系统内物料（或能量）存储量的变化率。过程装备控制技术与应用29（1）单容液位对象有自衡特性的单容对象（图2—1）系统输入：输入流量；系统输出（被控变量）：水槽液位任何时刻水位的变化均满足下面的物料平衡关系:式中Ｖ－水槽内液体的贮存量（液体的体积）；t－时间；dV/dt－储存量的变化率。dtdVqqvv21过程装备控制技术与应用30有自衡特性的单容对象过程装备控制技术与应用31有自衡特性的单容对象设水槽的横截面积为A，而A是个常数，则因为（2-2）所以（2-3）调节阀的特性：在其它条件不变的情况下，通过调节阀的流体流量与阀的开度以及阀前后的流体压降有关。HAV过程装备控制技术与应用32在静态情况时，dV/dt=0,qv1=qv2;当qv1发生变化时，液位H将随之变化，水槽出口处的静液压随之发生变化，流出量qv2亦发生变化。假设其变化量很小，可近似认为流出量qv2与液位H成正比关系，而与出水阀的水阻Rs成反比关系，即（2-4）在研究被控对象特性时考虑的是未受任何人为控制的对象，此处即为出水阀开度不变，阻力Rs为常数。svRHq2过程装备控制技术与应用33将式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，经整理得到（2-5）令T=ARs,K=Rs,可得：(2-6)它为一阶常系数微分方程，具有该特性的被控对象叫做一阶被控对象被控对象特性参数：T-时间常数；K-放大系数在t0时刻，若流入量qv1突然有一阶跃变化量Δqv1,则由式2-6可求出相应的液位变化量：(2-7)根据式（2-7）画出图2-1水槽液位被控对象在阶跃输入作用下的特性曲线如图2-2所示。)1(/)(10TttveqKH1vqKHdtdHT1vssqRHdtdHRA过程装备控制技术与应用34特点分析：在初始阶段，由于qv1突然增加而流出量qv2还没有变化，因此液位H上升速度很快；随着液位的上升，水槽出口处的静压增大，因此qv2随之增加，qv1与qv2只见的差值就越来越小，液位H的上升速度就越来越慢，当t→∞时qv1=qv2；ΔH=KxΔqv1液位又重新回到平衡状态，这就是被控对象的自衡特性。即在没有人为干预的情况下，被控对象的自身能重新恢复平衡的特性。自衡特性有利于控制，在某些情况下，使用简单的控制系统就能得到良好的控制质量，甚至有时可以不用设置控制系统。过程装备控制技术与应用35无自衡特性的单容对象（图2—3）由于泵的出口流量qv2不随液位变化而变化，因此对象的动态方程为（2-9）假定在t0时刻，水槽的流入量突然有一个阶跃变化Δqv1，由式（2-9）可得：（2-10）特性曲线见图2-4：由于水槽的流出量不变，所以当流入量突然增加Δqv1时，液位H将随时间t的推移恒速上升，不会重新稳定下来，直至水槽顶部溢出，这就是无自衡特性。dtdHAqqvv21)(01ttAqHv过程装备控制技术与应用36无自衡特性对象特点:无自衡特性的被控对象在受到扰动作用后不能重新恢复平衡，因此控制要求较高。对这类被控对象除必须施加控制外，还常常设有自动报警系统。过程装备控制技术与应用37过程装备控制技术与应用38（2）双容液位对象（图2-5）它有两个串联在一起的水槽，它们之间的连通管具有阻力，因此两者的液位是不同的，来水qv1（系统输入）先进入水槽1，然后再通过水槽2流出。水流入量qv1由阀1控制，流出量qv2决定于阀2的开度（根据用户的需要改变），被控变量是水槽2的液位h2（系统输出）。分析h2在阀1开度扰动下的动态特性。根据物料平衡方程有：水槽1的动态平衡关系为（2-11）水槽2的动态平衡关系为（2-12）dtdhAqqVV1121dtdhAqqVV2232过程装备控制技术与应用39同理，在qv2和qv3变化量极小时，水流出量与液位的关系近似为：112sVRhq223sVRhq（2-14,）（2-15）过程装备控制技术与应用40双容液位对象过程装备控制技术与应用41作适当运算、整理后得到微分方程：（2-17）式中A１、A2—分别为水槽1