14过程控制系统 14.1过程控制基础 自动控制系统基本概念自动控制系统的组成流程图与方块图过渡过程与品质指标 14.2被控对象特性 工业常用对象的特点及描述方法对象特性参数 14.3常用检测仪表 常用压力仪表的工作原理、特点、应用及选型常用温度仪表及显示仪表的工作原理、特点 应用及选型常用流量仪表的工作原理、特点、应用及选型常用物位仪表的工作原理、 特点、应用及选型 14.4控制仪表及及控制规律 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响模拟式控制器基本原理数字式控制 器基本原理简单控制系统的结构与组成 14.5执行器 执行器的基本组成气动薄膜阀的结构、特点及应用电动控制阀的结构、特点及 应用执行器气开气关形式及控制器正反作用的选择控制阀口径的选择 14.6计算机控制系统 计算机控制系统的组成与特点DC系统的基本原理DCS系统和 SCADA系统的基 本概念PCS的基本概念 【复习点拨】 过程控制是一门密切结合生产实际的综合性技术学科。它着重叙述工业自动控制系统的 组成、被控对象的特性、检测仪表的工作原理及应用、控制仪表的工作原理及控制规律、执 行器的基本组成及应用、讨论单回路控制系统的结构与组成,并介绍计算机控制系统的组成 与特点 【复习内容】 14.1过程控制基础 要求:重点掌握自动控制系统的组成;掌握控制系统的流程图和方块图的意义及画法; 掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程的基本形式及过渡过程品质指标的含义。 14.1.1自动控制系统基本概念 生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的,特别是化工生产,大多数是连续生产, 各设备相互关连,当其中某一工艺设备的工艺条件发生变化时,都可能引起其它设备中某些 参数或多或少的波动,偏离了正常的工艺条件。为此,就需要用一些自动控制装置,对生产 中某些关键性参数(被控变量)进行自动控制,使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状 态时,能自动回到规定的数值范围内,为此目的而设置的系统就是自动控制系统
1 14 过程控制系统 14.1 过程控制基础 自动控制系统基本概念 自动控制系统的组成 流程图与方块图 过渡过程与品质指标 14.2 被控对象特性 工业常用对象的特点及描述方法 对象特性参数 14.3 常用检测仪表 常用压力仪表的工作原理、特点、应用及选型 常用温度仪表及显示仪表的工作原理、特点、 应用及选型 常用流量仪表的工作原理、特点、应用及选型 常用物位仪表的工作原理、 特点、应用及选型 14.4 控制仪表及及控制规律 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 模拟式控制器基本原理 数字式控制 器基本原理 简单控制系统的结构与组成 14.5 执行器 执行器的基本组成 气动薄膜阀的结构、特点及应用 电动控制阀的结构、特点及 应用 执行器气开气关形式及控制器正反作用的选择 控制阀口径的选择 14.6 计算机控制系统 计算机控制系统的组成与特点 DDC 系统的基本原理 DCS 系统和 SCADA 系统的基 本概念 PCS 的基本概念 【复习点拨】 过程控制是一门密切结合生产实际的综合性技术学科。它着重叙述工业自动控制系统的 组成、被控对象的特性、检测仪表的工作原理及应用、控制仪表的工作原理及控制规律、执 行器的基本组成及应用、讨论单回路控制系统的结构与组成，并介绍计算机控制系统的组成 与特点。 【复习内容】 14.1 过程控制基础 要求：重点掌握自动控制系统的组成；掌握控制系统的流程图和方块图的意义及画法； 掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程的基本形式及过渡过程品质指标的含义。 14.1.1 自动控制系统基本概念 生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的，特别是化工生产，大多数是连续生产， 各设备相互关连，当其中某一工艺设备的工艺条件发生变化时，都可能引起其它设备中某些 参数或多或少的波动，偏离了正常的工艺条件。为此，就需要用一些自动控制装置，对生产 中某些关键性参数（被控变量）进行自动控制，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状 态时，能自动回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统
自动控制系统的组成 以单回路液位控制系统为例说明(见图14.1-1),单回路控制系统应包含两大部分,即 起控制作用的自动化装置(含测量及变送器、控制器和控制阀三个部分)和被控对象(储槽)。 图14.1-1液位自动控制 l-储槽2—液位检测与变送仪表3液位控制器4执行器 自动化装置的三个部分的作用: (1)测量及变送器 测量及变送器的功能是测量被控变量并将其转换成统一标准信号(如气压信号或电压 电流信号等) (2)控制器 控制器接受测量变送器送来的测量信号,与工艺需要保持的设定值信号进行比较得出偏 差,根据偏差的大小及变化趋势,按预先设计好的控制规律进行运算后,将运算结果用统 标准信号形式发送给执行器。 (3)执行器 执行器通常指的是控制阀,它是带有执行机构的阀门,可以根据控制器送来的控制信号 自动改变阀门的开度。 自动控制系统中的常用术语 1)被控对象 被控对象是指在自动控制系统中,其工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。如 图141-1中的储槽即为被控对象 (2)被控变量 被控变量是指被控对象中需要受控的工艺参数。如图14.1-1中的液位即为被控变量。 (3)操纵变量 操纵变量是指受控制器操纵的,用以克服扰动的影响,使被控变量保持设定值的物料或 能量。如图141-1中的储槽流出量Q2c (4)扰动 扰动是指除操纵变量外,作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。如图14.1-1中的 流入量Q1 (5)设定值(或给定值 设定值是被控变量的预定值 (6)偏差 偏差是指被控变量的设定值与实际值之差 1412自动控制系统的流程图与方块图 、自动控制系统的控制流程图
2 一、自动控制系统的组成 以单回路液位控制系统为例说明（见图 14.1-1），单回路控制系统应包含两大部分，即 起控制作用的自动化装置(含测量及变送器、控制器和控制阀三个部分)和被控对象(储槽)。 自动化装置的三个部分的作用： ⑴ 测量及变送器 测量及变送器的功能是测量被控变量并将其转换成统一标准信号（如气压信号或电压、 电流信号等）。 ⑵ 控制器 控制器接受测量变送器送来的测量信号，与工艺需要保持的设定值信号进行比较得出偏 差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用统一 标准信号形式发送给执行器。 ⑶ 执行器 执行器通常指的是控制阀，它是带有执行机构的阀门，可以根据控制器送来的控制信号 自动改变阀门的开度。 二、自动控制系统中的常用术语 ⑴ 被控对象 被控对象是指在自动控制系统中，其工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。如 图 14.1-1 中的储槽即为被控对象。 ⑵ 被控变量 被控变量是指被控对象中需要受控的工艺参数。如图 14.1-1 中的液位即为被控变量。 ⑶ 操纵变量 操纵变量是指受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料或 能量。如图 14.1-1 中的储槽流出量 Q2。 ⑷ 扰动 扰动是指除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。如图 14.1-1 中的 流入量 Q1。 ⑸ 设定值(或给定值) 设定值是被控变量的预定值。 ⑹ 偏差 偏差是指被控变量的设定值与实际值之差。 14.1.2 自动控制系统的流程图与方块图 一、自动控制系统的控制流程图
在工艺流程与控制方案确定以后,按有关技术规定的图例符号,可以绘制出自动控制系 统的控制流程图。图14.1-1中的液位控制系统的流程图可表示成图14.1-2的形式。 + 闵 图14.1-2液位控制系统流程图 二、自动控制系统的方块图 在研究自动控制系统时,为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信 号联系,一般都采用方块图。 自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线(带有箭头的线段)、综合点、分支点构 成的表示控制系统组成和作用的图形。例如图14.1-1中的液位控制系统可以用图141-3的方 块图形式来表示。图中: (1)方框:表示系统中的一个组成部分,称为“环节 (2)带箭头的线段:表示两个环节间的相互信号关系及作用方向。 (3)字母:表示环节间相互作用的信号参数 设定值 控制器」p执行器 测量值 测变送器 图14.1-3自动控制系统方块图 三、自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统 对于一个自动控制系统,设定值是系统的输入变量,被控变量是系统的输出变量。输出 变量通过测量变送环节又送回输入端,并与输入量进行比较(偏差=设定值一测量值),因此 称为负反馈。 在自动控制系统中都采用负反馈控制,因为当被控变量受到扰动作用后,若被控变量增 大,则反馈信号也增大,经过比较,偏差信号将减小,此时控制器输出的控制作用将通过执 行器动作来改变操纵变量,其作用方向与扰动作用方向相反,致使被控变量下降,达到控制 的目的 在反馈控制系统中,被控变量被返回输λ端,与设定值进行比较,根据偏差控制被控变 量,整个系统形成一个闭环,因此称为闭环控制。 【例14.1-1】图14.1-1所示为一储槽液位控制系统。试画出该液位控制系统的方块图 并指岀该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的扰动各是什么? 解:该液位控制系统的方块图如图14.1-4
3 在工艺流程与控制方案确定以后，按有关技术规定的图例符号，可以绘制出自动控制系 统的控制流程图。图 14.1-1 中的液位控制系统的流程图可表示成图 14.1-2 的形式。 二、自动控制系统的方块图 在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信 号联系，一般都采用方块图。 自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构 成的表示控制系统组成和作用的图形。例如图 14.1-1 中的液位控制系统可以用图 14.1-3 的方 块图形式来表示。图中： ⑴ 方框：表示系统中的一个组成部分，称为“环节”。 ⑵ 带箭头的线段：表示两个环节间的相互信号关系及作用方向。 ⑶ 字母：表示环节间相互作用的信号参数。 三、自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统 对于一个自动控制系统，设定值是系统的输入变量，被控变量是系统的输出变量。输出 变量通过测量变送环节又送回输入端，并与输入量进行比较（偏差=设定值—测量值），因此 称为负反馈。 在自动控制系统中都采用负反馈控制，因为当被控变量受到扰动作用后，若被控变量增 大，则反馈信号也增大，经过比较，偏差信号将减小，此时控制器输出的控制作用将通过执 行器动作来改变操纵变量，其作用方向与扰动作用方向相反，致使被控变量下降，达到控制 的目的。 在反馈控制系统中，被控变量被返回输入端，与设定值进行比较，根据偏差控制被控变 量，整个系统形成一个闭环，因此称为闭环控制。 【例 14.1-1】图 14.1-1 所示为一储槽液位控制系统。试画出该液位控制系统的方块图， 并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的扰动各是什么？ 解：该液位控制系统的方块图如图 14.1-4
扰动 控制器 执行器 检测变送器 图14.1-4储槽液位控制系统方块图 该系统中,被控对象为储槽:被控变量为储槽的液位高度压:操纵变量为储槽流出量码 扰动为储槽的流入量4。 【例14.1-2】图14.1-5所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反 应器进行反应,通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度 控制系统的方块图,并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量 的扰动各是什么? 动 反应温度的 设定值 制器执行]反 图14.1-5反应器温度控制系统 图14.1-6反应器温度控制系统方块图 解: 该温度控制系统的方块图如图14.1-6。 该系统中,被控对象为反应器:被控变量为反应器内温度:操纵变量为冷却水流量:扰 动量为A、B两种物料的流量、温度、浓度和冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。 通过以上两个例题,应该深入理解以下问题: ①自动控制系统中常用的一些基本概念,如被控对象、被控变量、操纵变量、扰动等: ②自动控制系统的组成 ③自动控制系统的方块图的画法 ④自动控制系统的方块图与工艺流程图的区别 1413自动控制系统的过渡过程与品质指标 、自动控制系统的过渡过程 对于任何一个控制系统,扰动作用是不可避免的的客观存在。系统受到扰动作用后,其 平衡状态受到破坏,被控变量就要发生波动。在自动控制作用下,经过一段时间,使被控变 量回复到一个新的稳定状态。在自动控制系统中,把被控变量不随时间而变化的平衡状态称 为系统的静态,而把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。当系统处于动态 过程时,被控变量是不断变化的,它随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程,也 就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 过渡过程中被控变量的变化情况与扰动的形式有关。一般来说,自动控制系统在阶跃扰 动作用下的过渡过程有以下几种基本形式,即
4 该系统中，被控对象为储槽；被控变量为储槽的液位高度 H；操纵变量为储槽流出量 Q2； 扰动为储槽的流入量 Q1。 【例 14.1-2】 图 14.1-5 所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B 两种物料进入反 应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度 控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量 的扰动各是什么？ 解： 该温度控制系统的方块图如图 14.1-6。 该系统中，被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操纵变量为冷却水流量；扰 动量为 A、B 两种物料的流量、温度、浓度和冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。 通过以上两个例题，应该深入理解以下问题： ① 自动控制系统中常用的一些基本概念，如被控对象、被控变量、操纵变量、扰动等； ② 自动控制系统的组成； ③ 自动控制系统的方块图的画法； ④ 自动控制系统的方块图与工艺流程图的区别。 14.1.3 自动控制系统的过渡过程与品质指标 一、自动控制系统的过渡过程 对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的的客观存在。系统受到扰动作用后，其 平衡状态受到破坏，被控变量就要发生波动。在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变 量回复到一个新的稳定状态。在自动控制系统中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称 为系统的静态，而把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。当系统处于动态 过程时，被控变量是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程，也 就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 过渡过程中被控变量的变化情况与扰动的形式有关。一般来说，自动控制系统在阶跃扰 动作用下的过渡过程有以下几种基本形式，即
①非周期衰减过程(见图141-7(a)) ①衰减振荡过程(见图14.1-7(b) ③等幅振荡过程(见图14.1-7(c)) ④发散振荡过程(见图14.1-7(d) 前两种过程是稳定过程,能基本满足控制要求。但由于非 振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢, 致 使被控变量长时间偏离设定值,且其变化过程不易被观察者辨 识而可能造成误判断,因此一般不采用。只有当生产工艺不允 许被控变量有波动时才考虑采用这种形式的过渡过程。对于衰 减振荡过程,由于能够较快地使系统达到稳定状态,所以在大 多数情况下,都希望自动控制系统在阶跃输入作用下,能够得 到如图141-7(b)所示的过渡过程 图141-7(c所示为临界稳定过程,图141-7(d)所示为不稳 定过程,这两种过程都是生产中不允许出现的 、自动控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。在多数 情况下,希望得到衰减振荡过程,所以一般取衰减振荡的过渡 过程形式来讨论控制系统的品质指标。目前,对一般的自动控图141-7过渡过程的几种基本形式 制系统,从稳定性理论出发,常采用五个指标,即衰减比、最大偏差(或超调量)、余差、 过渡时间(亦称回复时间或控制时间)及振荡周期(或频率)。这些指标一般是通过系统的 参数整定来实现的 4=5%C 图14 过渡过程品质指标示意图 图14.1-8是一个典型的定值控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程,从中可以得到该控 制系统的品质指标。 (1)衰减比 表示衰减程度的指标,它等于曲线前后两个相邻峰值之比,即 n=Bi: B2 般都希望自动控制系统的衰减比为4:1,在41振荡过程中,大约振荡两个波以后就 可以认为被控变量是稳定下来了 (2)最大偏差(或超调量) 最大偏差就是被控变量偏离设定值的最大偏差值,对于一个稳定的定值控制系统来说, 就是指被控变量第一个波峰值与设定值的差,如图中的A。在随动系统中通常采用超调量这 个指标。超调量B是第一个峰值A与新稳态值C之差。即
5 ① 非周期衰减过程（见图 14.1-7（a））； ① 衰减振荡过程（见图 14.1-7（b））； ③ 等幅振荡过程（见图 14.1-7（c））； ④ 发散振荡过程（见图 14.1-7（d））。 前两种过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非 振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致 使被控变量长时间偏离设定值，且其变化过程不易被观察者辨 识而可能造成误判断，因此一般不采用。只有当生产工艺不允 许被控变量有波动时才考虑采用这种形式的过渡过程。对于衰 减振荡过程，由于能够较快地使系统达到稳定状态，所以在大 多数情况下，都希望自动控制系统在阶跃输入作用下，能够得 到如图 14.1-7 (b)所示的过渡过程. 图 14.1-7(c)所示为临界稳定过程，图 14.1-7(d)所示为不稳 定过程，这两种过程都是生产中不允许出现的。 二、自动控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。在多数 情况下，希望得到衰减振荡过程，所以一般取衰减振荡的过渡 过程形式来讨论控制系统的品质指标。目前，对一般的自动控 制系统，从稳定性理论出发，常采用五个指标，即衰减比、最大偏差（或超调量）、余差、 过渡时间（亦称回复时间或控制时间）及振荡周期（或频率）。这些指标一般是通过系统的 参数整定来实现的。 图 14.1-8 是一个典型的定值控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程，从中可以得到该控 制系统的品质指标。 ⑴ 衰减比 表示衰减程度的指标，它等于曲线前后两个相邻峰值之比，即 n = B1：B2 一般都希望自动控制系统的衰减比为 4:1，在 4:1 振荡过程中，大约振荡两个波以后就 可以认为被控变量是稳定下来了。 ⑵ 最大偏差（或超调量） 最大偏差就是被控变量偏离设定值的最大偏差值，对于一个稳定的定值控制系统来说， 就是指被控变量第一个波峰值与设定值的差，如图中的 A。在随动系统中通常采用超调量这 个指标。超调量 B 是第一个峰值 A 与新稳态值 C 之差。即