过程控制与自动化仪表 被控变量往往就是对象的输岀变量,其一般为非电量物理量,被控变量由传感器进行检测, 将其变成相应的电信号,而变送器会将此信号转换为标准电信号。目前主要的标准电信号 有两种,一种是0~10mA直流电流信号;另一种是4~20mA直流电流信号或1~5V的直 流电压信号。如果是气动仪表,则应转换为196×104~9.8×104Pa的压力信号。传感器或 变送器的输出就是被控变量的测量值z 3.控制器 控制器也称调节器,它接收传感器或变送器的输出信号—一被控变量。当其符合工艺 要求时,控制器的输出保持不变,否则,控制器的输出发生变化,对系统施加控制作用。 使被控变量发生变化的任何作用均称为扰动。在控制通道内并在控制阀未动作的情况下, 由于通道内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰,而其他来自外部的影响统称为外 扰,无论是内扰或外扰,一经产生,控制器就发出控制命令,对系统施加控制作用,使被 控变量回到设定值。 4.执行器 被控变量的测量值z与设定值r在控制器内进行比较后得到的偏差e的大小,控制器 根据偏差e的大小按控制器规定的控制算法(如PD控制等)进行运算后,发出相应的控制 信号a经变化和放大后去推动执行器。目前采用的执行器有电动执行器与气动执行器两大 类,应用较多的是气动薄膜控制阀。如果控制器是电动的,而执行器是气动的,就应在控 制器与执行器之间加入电汽气转换器。如果采用的是电动执行器,则电动控制器的输出信号 需经伺服放大器放大后才能驱动执行器,以推动控制阀启闭 5.控制阀 由控制器发出的控制信号u,通过电动或气动执行器产生的位移量驱动控制阀门,以 改变输入对象的操纵变量q,使被控变量受到控制。控制阀是控制系统的终端部件,阀门 输出特性决定于阀门本身的结构,有的与输入信号呈线性关系,有的则呈对数或其他 曲线关系。 对于一个完整的过程控制系统来说,除自动控制回路外,还应备有一套手动控制回路, 以便在自动控制系统因故障而失效后或在某些紧急情况下,对系统进行手动控制。另外, 还应有一套必要的信号显示、通信、联络、连锁以及自动保护等设施,才能充分地保证生 产过程的顺利进行和保障人身与设备的安全。 最后应当指出,控制器是根据被控变量测量值与设定值进行比较得岀的偏差值对被控 对象进行控制的。对象的输出信号即控制系统的输出,通过传感器与变送器的作用,将输 出信号反馈到系统的输入端,构成一个闭环控制回路,简称闭环。如果系统的输出信号只 是被检测和显示,并不反馈到系统的输入端,则是一个没有闭合的开环控制系统,简称开 环。开环系统只按对象的输入量变化进行控制,即使系统是稳定的,其控制品质也较低。 在闭环控制回路中,可能有两种形式的反馈:即正反馈与负反馈。正反馈的作用会扩 大不平衡量,是不稳定的。如采用正反馈去控制室内温度,当温度超过设定值时,系统会 增加热量,使室温升高:当温度低于设定值时,它又减少热量,使室温进一步降低。具有 正反馈的控制回路,总是将被控变量锁定在高端或低端的极值状态下,这种性质不符合控
·6· 过程控制与自动化仪表 ·6· 被控变量往往就是对象的输出变量，其一般为非电量物理量，被控变量由传感器进行检测， 将其变成相应的电信号，而变送器会将此信号转换为标准电信号。目前主要的标准电信号 有两种，一种是 0～10mA 直流电流信号；另一种是 4～20mA 直流电流信号或 1～5V 的直 流电压信号。如果是气动仪表，则应转换为 4 1.96 10 × ～ 4 9.8 10 Pa × 的压力信号。传感器或 变送器的输出就是被控变量的测量值 z。 3. 控制器 控制器也称调节器，它接收传感器或变送器的输出信号——被控变量。当其符合工艺 要求时，控制器的输出保持不变，否则，控制器的输出发生变化，对系统施加控制作用。 使被控变量发生变化的任何作用均称为扰动。在控制通道内并在控制阀未动作的情况下， 由于通道内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰，而其他来自外部的影响统称为外 扰，无论是内扰或外扰，一经产生，控制器就发出控制命令，对系统施加控制作用，使被 控变量回到设定值。 4. 执行器 被控变量的测量值 z 与设定值 r 在控制器内进行比较后得到的偏差 e 的大小，控制器 根据偏差 e 的大小按控制器规定的控制算法(如 PID 控制等)进行运算后，发出相应的控制 信号 u 经变化和放大后去推动执行器。目前采用的执行器有电动执行器与气动执行器两大 类，应用较多的是气动薄膜控制阀。如果控制器是电动的，而执行器是气动的，就应在控 制器与执行器之间加入电/气转换器。如果采用的是电动执行器，则电动控制器的输出信号 需经伺服放大器放大后才能驱动执行器，以推动控制阀启闭。 5. 控制阀 由控制器发出的控制信号 u，通过电动或气动执行器产生的位移量驱动控制阀门，以 改变输入对象的操纵变量 q，使被控变量受到控制。控制阀是控制系统的终端部件，阀门 的输出特性决定于阀门本身的结构，有的与输入信号呈线性关系，有的则呈对数或其他 曲线关系。 对于一个完整的过程控制系统来说，除自动控制回路外，还应备有一套手动控制回路， 以便在自动控制系统因故障而失效后或在某些紧急情况下，对系统进行手动控制。另外， 还应有一套必要的信号显示、通信、联络、连锁以及自动保护等设施，才能充分地保证生 产过程的顺利进行和保障人身与设备的安全。 最后应当指出，控制器是根据被控变量测量值与设定值进行比较得出的偏差值对被控 对象进行控制的。对象的输出信号即控制系统的输出，通过传感器与变送器的作用，将输 出信号反馈到系统的输入端，构成一个闭环控制回路，简称闭环。如果系统的输出信号只 是被检测和显示，并不反馈到系统的输入端，则是一个没有闭合的开环控制系统，简称开 环。开环系统只按对象的输入量变化进行控制，即使系统是稳定的，其控制品质也较低。 在闭环控制回路中，可能有两种形式的反馈：即正反馈与负反馈。正反馈的作用会扩 大不平衡量，是不稳定的。如采用正反馈去控制室内温度，当温度超过设定值时，系统会 增加热量，使室温升高；当温度低于设定值时，它又减少热量，使室温进一步降低。具有 正反馈的控制回路，总是将被控变量锁定在高端或低端的极值状态下，这种性质不符合控
第1章绪论 制目的。如采用负反馈,其作用与正反馈相反,总是力求恢复到平衡温度,即保持在规定 的设定值范围内。具有负反馈(包括前馈)作用的回路,一般称为反馈控制系统。这种系统 能密切监视和控制被控对象输出变量的变化,抗干扰能力强,能有效地克服对象特性变化 的影响,有一定的自适应能力,因而控制品质较高,是应用最广、研究最多的控制系统。 1.32过程控制系统的分类 1.按划分过程控制类别的方式 由于划分过程控制类别的方式不同,有各种不同的名称。 (1)按被控变量分类,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系 (2)按控制器的控制算法来分,有比例(P控制系统、比例积分(PI)控制系统、比例积分 微分(PID控制系统及位式控制系统等。 3)按控制系统的模式来分,有比值控制系统、均匀控制系统、前馈控制系统及自适应 控制系统等。 (4)按控制器信号来分,有模拟控制系统与数字控制系统。 5)按是否采用计算机来分有常规的仪表控制系统、计算机控制系统、集散控制系统和 现场总线控制系统等 (6)按控制系统所完成的功能来分,有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等 (⑦)按控制系统组成回路的情况来分,有单回路控制系统与多回路控制系统、或开环 控制系统与闭环控制系统等。以上是人们视具体情况所采用的不同的分类,并没有什么严 格的规定。而作为过程控制而言,主要是分析反馈控制的特性,这就和设定值有密切关系, 因此按设定值来分类则更有意义 以上这些分类只反映了不同控制系统某一方面的特点,人们视具体情况可以采用不同 的分类方法,其中并无原则的规定。 2.按设定值的形式 过程控制主要是硏究反馈控制系统的特性,按设定值的形式不同,可将过程控制系统 分为以下三类。 1)定值控制系统 将系统被控变量的设定值保持某一定值(或在某一很小范围内不变)的控制系统称为定 值控制系统。在定值控制系统中,设定值固定不变,引起系统变化的只是扰动信号。这种 控制系统是应用最多的一种。 2)随动控制系统 对于有的生产过程,其被控变量是变化的,即控制系统的设定值不是定值,而是无规 律变化的,自动控制的目的是要使被控变量相当准确而及时地跟随设定值的变化。例如 加热炉的燃料与空气的混合比控制,燃料量是按工艺过程的需要而设定的,这个设定值又 随生产流程的要求而自动或手动改变,也就是说,燃料量在变化,控制系统就要使空气量 跟随燃料量的变化,自动按预先规定的比例而相应地増减空气量,以保证燃料合理而经济 地燃烧,这就是随动控制系统。自动平衡记录仪的平衡机构就是跟随被测信号的变化自动
第 1 章 绪 论 ·7· ·7· 制目的。如采用负反馈，其作用与正反馈相反，总是力求恢复到平衡温度，即保持在规定 的设定值范围内。具有负反馈(包括前馈)作用的回路，一般称为反馈控制系统。这种系统 能密切监视和控制被控对象输出变量的变化，抗干扰能力强，能有效地克服对象特性变化 的影响，有一定的自适应能力，因而控制品质较高，是应用最广、研究最多的控制系统。 1.3.2 过程控制系统的分类 1. 按划分过程控制类别的方式 由于划分过程控制类别的方式不同，有各种不同的名称。 (1) 按被控变量分类，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系 统等。 (2) 按控制器的控制算法来分，有比例(P)控制系统、比例积分(PI)控制系统、比例积分 微分(PID)控制系统及位式控制系统等。 (3) 按控制系统的模式来分，有比值控制系统、均匀控制系统、前馈控制系统及自适应 控制系统等。 (4) 按控制器信号来分，有模拟控制系统与数字控制系统。 (5) 按是否采用计算机来分有常规的仪表控制系统、计算机控制系统、集散控制系统和 现场总线控制系统等。 (6) 按控制系统所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等。 (7) 按控制系统组成回路的情况来分，有单回路控制系统与多回路控制系统、或开环 控制系统与闭环控制系统等。以上是人们视具体情况所采用的不同的分类，并没有什么严 格的规定。而作为过程控制而言，主要是分析反馈控制的特性，这就和设定值有密切关系， 因此按设定值来分类则更有意义。 以上这些分类只反映了不同控制系统某一方面的特点，人们视具体情况可以采用不同 的分类方法，其中并无原则的规定。 2. 按设定值的形式 过程控制主要是研究反馈控制系统的特性，按设定值的形式不同，可将过程控制系统 分为以下三类。 1) 定值控制系统 将系统被控变量的设定值保持某一定值(或在某一很小范围内不变)的控制系统称为定 值控制系统。在定值控制系统中，设定值固定不变，引起系统变化的只是扰动信号。这种 控制系统是应用最多的一种。 2) 随动控制系统 对于有的生产过程，其被控变量是变化的，即控制系统的设定值不是定值，而是无规 律变化的，自动控制的目的是要使被控变量相当准确而及时地跟随设定值的变化。例如， 加热炉的燃料与空气的混合比控制，燃料量是按工艺过程的需要而设定的，这个设定值又 随生产流程的要求而自动或手动改变，也就是说，燃料量在变化，控制系统就要使空气量 跟随燃料量的变化，自动按预先规定的比例而相应地增减空气量，以保证燃料合理而经济 地燃烧，这就是随动控制系统。自动平衡记录仪的平衡机构就是跟随被测信号的变化自动
8 过程控制与自动化仪表 达到平衡位置,是一种典型的随动控制系统 3)程序控制系统 程序控制系统被控变量的设定值是按预定的时间程序变化的。控制的目的是使被控变 量按规定的程序自动变化。如工业热处理炉等周期作业的加热设备,一般都有升温、保温 和降温等按时间变化的规律,设定值按此程序进行控制,以达到控制的目的。14节中讲述 了过程控制系统的性能指标 14过程控制的要求 过程控制涉及工业生产的各个领域,不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳 起来有三个方面的要求:安全性、经济性和稳定性。 1.安全性 安全性指的是在生产的整个过程中,确保人身安全和设备的安全,这是最重要的要求。 特别是对于发电、化工、炼油等生产企业特别要注意系统的安全问题。因此在这样的系统 中都要采用参数越限报警、事故报警和连锁保护等措施加以保证。在化工等易燃易爆环境 中使用的仪表都必须是防爆仪表。为了保护大型设备的安全,系统可设计在线故障预测和 诊断系统、容错控制系统等,以进一步提高系统运行的安全性 2.经济性 经济性旨在使过程控制系统在生产相同质量和产量的条件下,所消耗的能源和材料最 少,做到生产成本低、生产效率高。随着市场竞争的日益加剧和我国加入WTO以后所面 临的国际市场竞争,经济性受到了极大的重视 3.稳定性 稳定性即要求系统具有抑制外部干扰,保持生产过程长期稳定运行的能力。工业生产 过程的生产条件不可能完全不变,例如生产工况的变化、原料的改变或生产量的起落、设 备的老化和污染都会对生产造成一定的影响。特别是大型的复杂的系统,其影响因素就更 多,这就要求过程控制系统在诸多因素干扰的情况下仍能保持系统的稳定。过程控制系统 在运行时有两种状态:一种称为稳态,系统的设定值保持不变,也没有受到整个外来的任 何干扰,因此被控变量也保持不变,整个系统处于平衡稳定状态:而另一种为动态,系统 的设定值发生了变化,或者是系统受到了外扰,原来的稳态遭到了破坏,系统的各部分也 将作出相应的调整,改变操纵变量的大小,使被控变量重新回复到设定值,使系统稳定下 来。这种从前一个稳定状态到另一个稳定状态的过程称为过渡过程。实际上大多数系统被 控对象总是不断地受到各种外来的干扰影响,系统经常处于动态过程中。因此评价一个系 统的品质,不能单纯评价其稳态,更重要的是应该考虑它在动态过程中被控变量随时间变 化的情况
·8· 过程控制与自动化仪表 ·8· 达到平衡位置，是一种典型的随动控制系统。 3) 程序控制系统 程序控制系统被控变量的设定值是按预定的时间程序变化的。控制的目的是使被控变 量按规定的程序自动变化。如工业热处理炉等周期作业的加热设备，一般都有升温、保温 和降温等按时间变化的规律，设定值按此程序进行控制，以达到控制的目的。1.4 节中讲述 了过程控制系统的性能指标。 1.4 过程控制的要求 过程控制涉及工业生产的各个领域，不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳 起来有三个方面的要求：安全性、经济性和稳定性。 1. 安全性 安全性指的是在生产的整个过程中，确保人身安全和设备的安全，这是最重要的要求。 特别是对于发电、化工、炼油等生产企业特别要注意系统的安全问题。因此在这样的系统 中都要采用参数越限报警、事故报警和连锁保护等措施加以保证。在化工等易燃易爆环境 中使用的仪表都必须是防爆仪表。为了保护大型设备的安全，系统可设计在线故障预测和 诊断系统、容错控制系统等，以进一步提高系统运行的安全性。 2. 经济性 经济性旨在使过程控制系统在生产相同质量和产量的条件下，所消耗的能源和材料最 少，做到生产成本低、生产效率高。随着市场竞争的日益加剧和我国加入 WTO 以后所面 临的国际市场竞争，经济性受到了极大的重视。 3. 稳定性 稳定性即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。工业生产 过程的生产条件不可能完全不变，例如生产工况的变化、原料的改变或生产量的起落、设 备的老化和污染都会对生产造成一定的影响。特别是大型的复杂的系统，其影响因素就更 多，这就要求过程控制系统在诸多因素干扰的情况下仍能保持系统的稳定。过程控制系统 在运行时有两种状态：一种称为稳态，系统的设定值保持不变，也没有受到整个外来的任 何干扰，因此被控变量也保持不变，整个系统处于平衡稳定状态；而另一种为动态，系统 的设定值发生了变化，或者是系统受到了外扰，原来的稳态遭到了破坏，系统的各部分也 将作出相应的调整，改变操纵变量的大小，使被控变量重新回复到设定值，使系统稳定下 来。这种从前一个稳定状态到另一个稳定状态的过程称为过渡过程。实际上大多数系统被 控对象总是不断地受到各种外来的干扰影响，系统经常处于动态过程中。因此评价一个系 统的品质，不能单纯评价其稳态，更重要的是应该考虑它在动态过程中被控变量随时间变 化的情况
第1章绪论 思考题与习题 1.什么是过程控制系统?典型的过程控制系统由哪几部分组成? 2.简述过程控制的发展概况及各个阶段的主要特点。 3.什么是定值控制系统?什么是随动控制系统? 4.生产对过程控制的要求是什么?其中什么是最重要的要求?
第 1 章 绪 论 ·9· ·9· 思考题与习题 1．什么是过程控制系统？典型的过程控制系统由哪几部分组成？ 2．简述过程控制的发展概况及各个阶段的主要特点。 3．什么是定值控制系统？什么是随动控制系统？ 4．生产对过程控制的要求是什么？其中什么是最重要的要求？
第2章简单控制系统 简单控制系统是由被控对象,一个测量元件及变送器,一个控制器和一个执行器所组 成的单回路负反馈控制系统。简单控制系统是最基本、最常见、应用最广泛的控制系统, 占控制回路的80%以上。简单控制系统的特点是结构简单,易于实现,适应性强。在简单 控制系统的基础上,发展起各种复杂控制系统。在工业过程计算机集成控制系统中,也往 往把它作为最底层的控制系统。因此,学习简单控制系统是非常必要的。 2.1典型结构和控制指标 21.1典型结构 图2.所示的是蒸汽加热器温度自动控制系统,它由蒸汽加热器、温度变送器(TT、温 度控制器(TC)和蒸汽流量控制阀组成。控制的目标是保持流体出口温度恒定。当进口物料 的流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时,通过温度变送器(TT测得温度的 变化,并将其信号送至温度控制器(T)与给定值进行比较,温度控制器(T℃)根据其偏差信 号进行运算后将控制命令送至控制阀,以改变蒸汽流量来维持出口温度 图2.1也称为工艺控制流程图,它是用自动控制设计的文字符号和图形符号在工艺流 程图上描述生产过程自动控制的原理图。图中,小圆圈表示某些自动化仪表,圆内的名称 由两位以上字母组成,第一位字母表示被测变量,后继字母表示仪表功能。常用被测变量 和仪表功能的代号如表2-1所示。 如∏I表示温度指示,TT表示温度变送器,TC表示温度指示控制,IC表示手动控制。 图22所示为一流量控制系统。它由管路系统、孔板和差压变送器、流量控制器(FC) 和流量控制阀组成。控制的目标是保持流量恒定。当管道其他部分阻力发生变化或有其他 扰动时,流量将偏离设定值,利用孔板作为检测元件,把孔板上、下游的静压用连接导管 接至差压变送器,将流量信号转化为标准电流信号;该信号送至流量控制器(FC)与给定值 进行比较,流量控制器(FC)根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至控制阀,改变阀门 开度,就调整了管道中流体的阻力,从而影响了流量,使流量维持在设定值。 进中物料 图21蒸汽加热器温度自动控制系统 图22流量控制系统
第 2 章 简单控制系统 简单控制系统是由被控对象，一个测量元件及变送器，一个控制器和一个执行器所组 成的单回路负反馈控制系统。简单控制系统是最基本、最常见、应用最广泛的控制系统， 占控制回路的 80%以上。简单控制系统的特点是结构简单，易于实现，适应性强。在简单 控制系统的基础上，发展起各种复杂控制系统。在工业过程计算机集成控制系统中，也往 往把它作为最底层的控制系统。因此，学习简单控制系统是非常必要的。 2.1 典型结构和控制指标 2.1.1 典型结构 图 2.1 所示的是蒸汽加热器温度自动控制系统，它由蒸汽加热器、温度变送器(TT)、温 度控制器(TC)和蒸汽流量控制阀组成。控制的目标是保持流体出口温度恒定。当进口物料 的流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时，通过温度变送器(TT)测得温度的 变化，并将其信号送至温度控制器(TC)与给定值进行比较，温度控制器(TC)根据其偏差信 号进行运算后将控制命令送至控制阀，以改变蒸汽流量来维持出口温度。 图 2.1 也称为工艺控制流程图，它是用自动控制设计的文字符号和图形符号在工艺流 程图上描述生产过程自动控制的原理图。图中，小圆圈表示某些自动化仪表，圆内的名称 由两位以上字母组成，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表功能。常用被测变量 和仪表功能的代号如表 2-1 所示。 如 TI 表示温度指示，TT 表示温度变送器，TIC 表示温度指示控制，IC 表示手动控制。 图 2.2 所示为一流量控制系统。它由管路系统、孔板和差压变送器、流量控制器(FC) 和流量控制阀组成。控制的目标是保持流量恒定。当管道其他部分阻力发生变化或有其他 扰动时，流量将偏离设定值，利用孔板作为检测元件，把孔板上、下游的静压用连接导管 接至差压变送器，将流量信号转化为标准电流信号；该信号送至流量控制器(FC)与给定值 进行比较，流量控制器(FC)根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至控制阀，改变阀门 开度，就调整了管道中流体的阻力，从而影响了流量，使流量维持在设定值。 图 2.1 蒸汽加热器温度自动控制系统 图 2.2 流量控制系统