过程控制系统作业

第一篇 过程控制原理

第一章 过程控制系统的基本知识

在生产设备上，配备一些自动化仪表等控制装置来代替人的观察、判断、决策和操纵，使某些工艺变量能准确地按照预期的规律变化，使生产在不同的程度上自动进行，这种系统就是过程控制系统。

第一节 过程控制系统的组成及分类

一、过程控制系统的组成

过程控制系统由被控对象、测量变送器、控制器和控制阀四个基本环节组成。

1．被控对象 它是控制系统的主体，在自动控制系统中 , 将需要控制其工艺变量的

生产设备或机器叫做被控对象 ，如常压塔、精馏塔、锅炉等。

2．测量变送器 通常包括检测元件和变送器两部分。其作用是将被控制的物理量检

测出来并转换成工业仪表间的标准统一信号。

3．控制器 其作用是将测量值与目标值比较得出偏差，按一定的规律运算后对控制

阀（执行机构）发出相应的控制信号或指令。

4．控制阀 通称执行机构。其作用是依据控制器发出的控制信号或指令，改变控制

量，对被控对象产生直接的控制作用。

二、过程控制系统的方框图

为了便于分析过程控制系统，采用方框图的形式来表示控制系统的结构、环节之间的相互关系和信号间的联系。如图1—2所示。

图1—2过程控制系统的方框图

名词术语的解释：

1．被控变y(t) 被控变量是表征生产设备或过程运行状况,需要加以控制的变量。也是过程控制系统的输出量。

2．给定值（设定值）x(t) 是一个与控制要求（期望值）被控变量相对应的信号值，也是过程控制系统的输入量。

3．干扰f(t) 在生产过程中， 凡是影响被控变量的各种外来因素都叫干扰作用。它也是过程控制系统的输入量。

4．操纵变量q(t) 用以克服干扰变量的影响，具体实现控制作用使被控变量达到给定值的变量叫做操纵变量。用来实现控制作用的物料一般称为操纵介质或操纵剂 。

5．测量值z 测量值是检测元件与变送器的输出信号值。

6．偏差e(t) 在过程控制系统中，规定偏差是给定值与测量值之差。即：

e(t)?x(t)?z(t)。

7．反馈 把系统的输出信号通过检测元件与变送器又引回到系统输入端的作法称为反馈。当系统输出端送回的信号取负值与设定值相加时，属于负反馈；当反馈信号取正值与设定值相加时，属于正反馈。自动控制系统一般采用的是负反馈。

三、 过程控制系统的分类

（一）系统按给定值不同分类

1．定值控制系统： 2．随动控制系统3．程序控制系统 （二）系统按开闭环分类

控制系统按有无闭合（简称闭环）来分类，有可分为闭环控制系统和开环控制系统。

闭环控制系统：凡是系统的输出信号对控制作用有直接影响的控制系统。 开环控制系统：若系统的输出信号不能影响控制作用，则称作开环控制系统。

由于闭环控制系统采用了负反馈，因而使系统的被控变量受外来干扰和内部参数变化小，具有一定的抑制干扰、提高控制精度的特点，开环控制系统则不能做到这一点。但开环控制系统结构简单、使用便捷。

将图1—2的方框图简化为图1—5中所示的形式，即将检测元件与变送器、控制阀、控制对象合为一个整体，称之为广义对象。

图1—5 自动控制系统简化方框图

第二节 过程控制系统的过渡过程和品质指标

一、过程控制系统的静态与动态

静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态称静态或稳态。 动态：被控变量随时间而变化的不平衡状态称动态或暂态。

二、 过程控制系统的过渡过程

过程控制系统的过渡过程：在给定值发生变化或系统受到干扰作用后，系统将从原

来的平衡状态经历一个过程进入另一个新的平衡状态。

过程控制系统的基本技术性能要求：

1.稳定性 所谓稳定，就是系统受到干扰作用时，系统经过一段时间后，过渡过程就会结束，最终恢复到稳定工作状态。稳定是系统能否正常工作的首要条件。

2.准确性 系统稳定时被控变量与给定值差别程度。

3.快速性 系统的输出对输入作用的响应快慢程度，过渡过程时间要尽可能的短。

过渡过程形式：系统在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式。

如图1—6 所示。图中y(t)表示被控变量。

图1—6 过渡过程的基本形式

三、过程控制系统的品质指标

1．余差(C)：余差是控制系统过渡过程终了时，被控变量新的稳态值y(∞)与给定值 x 之差。或者说余差就是过渡过程终了时存在的残余偏差，在图1—4中用 C 表示。即

C = y(∞)-x (1—1)

2．最大偏差(A)：最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离设定值的最大数值。 超调量(B)：过渡过程曲线超出新稳态值的最大值。 对于有差控制系统，超调量习惯上用百分数σ来表示，即

??A?y(?)B?100％??100％ (1—2)

y(?)C3．峰值时间tp：峰值时间是指过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。

4．衰减比(n)：衰减比是指过渡过程曲线同方向的前后相邻两个峰值之比，用n表示。

（a）阶跃干扰作用下 (b)阶跃给定作用下

图1—7 过渡过程质量指标示意图

5．延迟时间td：被控变量达到50%所需的时间。

6．上升时间tr：被控变量第一次达到稳态值所需的时间。当相应为非震荡周期震荡过程时，定义为输出量从稳态值10%上升到90%所需的时间。

7．过渡时间ts：过渡时间是从干扰作用开始，到系统重新建立平衡为止，过渡过程所经历的时间。

8．振荡周期(T)或频率(f)：过渡过程同向两个波峰(或波谷)之间的间隔时间称为振荡周期或工作周期，在图1—7中用 T 表示。其倒数称为振荡频率，一般用 f 表示。

四、影响过程控制系统过渡过程品质的主要因素

一个过程控制系统包括两大部分，即工艺过程部分(被控对象)和自动化装置。前者是指与该过程控制系统有关的部分。自动化装置指的是为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送、控制器和执行器等三部分。对于一个过程控制系统 , 过渡过程品质的好坏，很大程度上决定于对象的性质。下面通过蒸汽加热器温度控制系统来说明影响对象性质的主要因素。如图1—9所示，从结构上分析可知，影响过程控制系统过渡过程品质的主要因素有：换热器的负荷的波动；换热器设备结构、尺寸和材料；换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。对与已有的生产装置，对象特性一般是基本确定。自动化装置应按对象性质加以选择和调整。自动化装置的选择和调整不当，也直接影响控制质量。此外， 在控制系统运行过程中，自动化装置的性能一旦发生变化，如阀门失灵、测量失真，也要影响控制质量。