第7章 过程控制系统基本概念

刘玉长下篇过程控制过程控制一般是指冶金、石油、化工、电力、轻工、建材等工业部门生产过程的自动化，即通过采用各种自动化仪表、电子计算机等自动化技术工具，对生产过程中某些物理参数进行自动检测、监督和控制，以保证现代企业安全、优质、低耗和高效益生产。过程控制作用1、实现最优技术指标，提高产品质量2、提高经济效益3、提高劳动生产率4、改善劳动条件5、保护环境刘玉长使用常规仪表的中央控制室过程控制系统的发展概况：刘玉长现代的DCS控制系统刘玉长现代操作室刘玉长图9-1锅炉汽包水位控制示意图刘玉长第七章过程控制系统基本概念第一节过程控制系统的组成与分类第二节过程控制系统过渡过程和品质指标第三节被控对象特性第四节被控过程的数学模型刘玉长第一节过程控制系统的组成与分类一、过程控制系统自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(控制装置)，使机器、设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)按照预定的规律自动地运行。自动控制系统(AutomaticControlSystems)：是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。过程控制系统(ProcessControlSystems)：以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。刘玉长二、过程控制系统组成对象：被控制的装置或设备，其输出即为被控量；检测元件及变送器：检测元件的功能是感受并测出被控量的大小，变送器的作用则是检测元件测出的被控量变换成控制器所需要的信号形式；控制器：它将检测元件或变送器送来的信号与被控变量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据这个偏差信号的大小按一定的运算规律计算控制信号u，然后将控制信号传送给执行器。执行器：其作用是接受控制器发出的控制信号u，直接改变操纵量q(例如电流、重油、煤气等的量)，即调整能量或物料的平衡，使被控量回复至设定数值。刘玉长三、控制系统的工程表示自动控制系统有两种表示方法，即方框图与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵循“GB/T2625-1981过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号”或其它行业标准】。(a)工艺控制流程图(b)方框图锅炉汽包液位控制蒸汽检测变送LT控制器LC控制阀V锅炉期望值SV实际值给水LCLTVPVPVSVMV刘玉长四、过程控制系统的分类自动控制系统有多种分类方法，可以按被控量分类，例如温度控制系统、流量控制系统等；也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控制系统、比例积分控制系统等。为了便于分析自动控制系统的性质，可将控制系统按设定值形式的不同分为三类，即定值控制系统、程序控制系统与随动控制系统。定值控制系统:设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。程序控制系统:设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。随动控制系统:设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。刘玉长第二节过程控制系统过渡过程和品质指标一、静态与动态静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。刘玉长二、自动控制系统的过渡过程系统无时无刻都受到干扰，其结果是系统一直处于变动之中，即处于动态。当然在某个时刻可看作是稳定的，即处于静态。从一个静态到另一个静态所经历的过程称为过渡过程。过渡过程具有以下几种形式：(a)发散振荡(b)等幅振荡(c)衰减振荡(d)单调过程过渡过程的几种基本形式稳快准要求:刘玉长三、控制系统的品质指标控制系统性能指标是根据系统在零初使条件(输出量和输入量的各阶导数为0)下的单位阶跃响应曲线计算得到的。实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一种比较好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。刘玉长刘玉长2、最大偏差A—被控变量偏离给定值的最大数值A=230—200=30（℃）3、超调量B—第一个波峰值与新稳定值之差B=230—205=25（℃）1、衰减比B：B′—相邻两个波峰值之比B：B′=（230—205）/（210—205）=5：1习惯上表示为n：1，一般n取4～10之间4、余差C—过渡过程终了时被控变量的新稳定值与给定值之偏差C=205—200=5（℃）C=0为无差调节系统C≠0为有差调节系统刘玉长5、稳定时间—从干扰作用发生时刻起，直到建立新的平衡状态所需的时间。表示法：22min（±2%）6、振荡周期或频率—过渡过程同向两个波峰间间隔时间为周期，周期的倒数为频率。T=20-5=15（min）f=1/T=1/（60×15）≈0.0011(Hz)综合以上指标，对调节过程的调节效果进行评价时，一般可从稳定性、准确性和快速性三方面考虑。这三方面往往相互矛盾。稳定性是首要考虑的因素，一般要求被控变量波动具有一定的衰减比（4：1～10：1），也即经过一到两个周期后就看不出明显的波动了，在稳定的前提下尽量满足准确性和快速性的要求。刘玉长第三节被控对象特性所谓被控对象特性，就是指对象各个输入量与输出量之间的函数关系。以被控量作为输出，以操纵量(或控制作用)作为输入，则它们之间的关系称为对象的控制通道特性；若以被控量作为输出，以扰动量作为输入，则它们之间的关系称为对象的扰动或干扰通道特性。被控对象的控制通道与扰动通道被控量干扰操纵量控制通道干扰通道刘玉长第四节被控过程的数学模型数学模型：输出与输入间关系的数学描述。模型分类：动态与静态(稳态)模型；【是否随时间而变】参数模型与非参数模型。【是否用数学方程式描述】建模方法：机理建模；【根据内部机理求得】实验建模。【根据实验获取】