自动化过程与仪表控制.docx
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自动化过程与仪表控制
第一章过程控制基本概念
教学要求：
了解过程控制的发展概况及特点；
掌握过程控制系统各部分作用，系统的组成；
掌握管道及仪表流程图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号；
学会绘制简单系统的管道及仪表流程图；
掌握控制系统的基本控制要求（稳定、快速、准确）；
掌握静态、动态及过渡过程概念；
掌握品质指标的定义，学会计算品质指标。
重点：
自动控制系统的组成及各部分的功能；
负反馈概念；
控制系统的基本控制要求及质量指标。
难点：
常用术语物理意义（操纵变量与扰动量区别）；
根据控制系统要求绘制方框图；
静态，过渡过程概念。
自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。
随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。
生产过程自动控制（简称过程控制）-------自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。
§1.1过程控制的发展概况及特点
一、过程控制的发展概况
在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：
20世纪40年代：
手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。
20世纪40年代末～50年代：
过程控制系统：
多为单输入、单输出简单控制系统
过程检测：
采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化
控制理论：
以反馈为中心的经典控制理论
20世纪60年代：
过程控制系统：
串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。
自动化仪表：
单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品
60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。
控制理论：
出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域，、型、型
20世纪70～80年代：
微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是32位微处理器问世），微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。
过程控制系统：
最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制
自动化仪表：
气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。
集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、工业PC机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。
集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集中。
控制理论：
形成了大系统理论和智能控制理论。
模糊控制、专家系统控制、模式识别技术
20世纪90年代至今：
信息技术飞速发展
过程控制系统：
管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。
自动化仪表：
总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。
现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。
各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪
人工智能、神经网络控制
二、自动化技术的应用范畴
1.宇航方面：
（现代控制理论）
同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统）
卫星的发射与回收（神州3号卫星，哥伦比亚号航天飞机）自动关机、点火系统
2.军事方面：
火炮自动点火、巡航导弹
3.其他方面：
农业（病虫害防治、专家系统）
社会科学（计划生育，人口增长模型）
4.现代管理：
办公自动化（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活动相关的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。
5.工业生产：
自动车床、加热炉、发酵罐
三、过程控制系统的特点
过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点：
1.生产过程的连续性
在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。
2.被控过程的复杂性
过程控制涉及范围广：
石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等。
被控对象较复杂：
动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和时变特性。
3.控制方案的多样性
被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同，过程控制系统的控制方案非常丰富。
包括：
常规PID控制、改进PID控制、串级控制、前馈-反馈控制、解耦控制；
为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；
新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。
四、过程控制的主要内容
1.自动检测系统
———利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录
如：
加热炉温度、压力检测
2.自动信号和联锁保护系统
自动信号系统：
当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号
联锁保护系统：
达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车
如：
反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀
3.自动操纵及自动开停车系统
自动操纵系统：
根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作
如：
合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等
步骤周期性地接通空气和水蒸汽
自动开停车系统：
按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车
4.自动控制系统：
利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。
（本书介绍的重点内容）
§1.2过程控制系统的组成
利用自动控制装置构成的过程控制系统，可以在没有人直接参与的条件下，使这些工艺参数能自动按照预定的规律变化。
一、过程控制系统实例
1.锅炉汽包水位控制。
在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直接影响着蒸汽的品质及锅炉的安全。
水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化，导致锅炉烧干甚至会引起爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，降低了蒸汽的质量和产量，严重时会损坏后续设备。
蒸汽
液位变送
汽包
控制器
加热室
给水
执行器
（a）（b）
图1.1锅炉汽包水位控制示意图
眼检测元件（变送器）
要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况
脑控制器
控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。
如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号，
手执行器
执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。
2.发酵罐温度控制（参见教材P4）
发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品等行业。
发酵罐的温度是影响发酵过程的一个重要参数。
因为微生物菌体本身对温度非常敏感，只有在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的温度下才能具有高的活性。
温度还会影响发酵产物的组成。
因此，按一定的规律控制发酵罐的温度就显得非常重要。
（a）（b）
图1.2发酵罐温度控制系统示意图
影响发酵过程温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及本身的温度变化以及周围环境温度的改变等。
一般采用通冷却水带走反应热的方式使罐内温度保持工艺要求的数值。
对于小型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。
如图1.2（a）所示。
实现对发酵罐温度的控制，可使用温度检测仪表（如热电偶、热电阻等）测量罐中的实际温度，将测得的数值送入控制器,然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。
如果两个信号不相等，则由控制器的输出控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流量，从而达到控制发酵罐温度的目的。
二、过程控制系统的组成
一个过程控制系统一般由两部分组成。
需要控制的工艺设备或机器（被控过程）+自动控制装置
（反应器、精馏塔、换热器、压力罐（控制器、执行器、测量元件及变送器）
储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）
几个常用术语：
被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。
如锅炉汽包，发酵罐。
被控变量被控对象中要求保持设定值的工艺参数。
如汽包水位、发酵温度。
操纵变量受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。
如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
如蒸汽负荷的变化、冷却水温度的变化等。
设定值被控变量的预定值。
偏差（e）被控变量的设定值与实际值之差。
在实际控制系统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。
§1.3过程控制系统的两种表示形式
一、方框图
方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形式。
1.方框图组成
方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示其自身特性的数学表达式或文字说明；
信号线---信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称为该环节的输出信号。
比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+”号表示相加，“-”号表示相减；
引出点----表示信号引出，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。
带有输入输出信号的方框比较点分支点
图1.3方框的组成单元示意图
系统中的每一个环节用一个方框来表示，四个方框分别表示：
被控对象（锅炉汽包）、测量变送装置、控制器和执行器。
每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。
如被控对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。
图1.4锅炉汽包水位控制系统方框图
2.负反馈概念：
反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。
分为和
反馈-----负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-”号表示
正反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈）用“+”号表示。
在绘制方框图时应注意
1.方框图中每一个方框表示一个具体的实物。
2.方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。
方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。
对于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会引起输出的改变，输出的改变不会返回去影响输入。
例如冷水流量会使汽包水位改变，但反过来，汽包水位的变化不会直接使冷水流量跟着改变。
3.比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。
为了清楚的表示控制器比较机构的作用，故将比较点单独画出。
二、管道及仪表流程图
管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。
该图在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。
由工艺人员和自控人员共同研究绘制。
在管道及仪表流程图的绘制过程中所采用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。
下面结合化工部《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》HG20505-92，介绍一些常用的图形符号和文字代号。
1．图形符号
过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈等。
⑴测量点
（2）连接线
（a）（b）（c）
（3）仪表
常规仪表图形符号是直径为12mm（或10mm）的细实线圆圈。
⑷执行器
执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。
2.仪表位号
在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表（或元件）都用仪表位号来标识。
仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。
仪表位号中的第一个字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能；回路的编号由工序
号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉伯数字表示，如下例所示：
顺序号（一般用两位数字，也可以用三位数字）
工序号（一般用一位数字，也可以用两位数字）
功能字母代号
被测变量字母代号
在管道及仪表流程图中，仪表位号的标注方法是：
字母代号填写在仪表圆圈的上半圆中；回路编号填写在下半圆中。
TRC
101
（a）就地安装（b）集中盘面安装
3.字母代号
仪表信号中表示被测变量和仪表功能的字母代号见P9表1.3。
管道及仪表流程图实例
图1.8和图1.9为简化的锅炉汽包管道及仪表流程图和发酵罐管道及仪表流程图。
图1.10为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及仪表流程图。
精浆液
表示为第一工序第01个流量控制回路（带累计指示），累计指示仪及控制器安装在控制室。
表示为第一工序第01个带指示的手动控制回路，手动控制器（手操器）安装在控制室。
LIC
101
表示为第一工序第01个带指示的液位控制回路，液位指示控制器安装在控制室。
表示为第一工序第01、02个温度检测回路，温度指示仪安装在现场。
表示为第一工序第01、02个压力检测回路，压力指示仪安装在现场。
§1.4过程控制系统的主要类型
按系统功能---温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等；
按系统性能--线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统；
按被控变量的数量---单变量控制系统和多变量控制系统；
按采用的控制装置----常规仪表控制系统、计算机控制系统；
按控制系统基本结构形式-----闭环控制系统和开环控制系统。
一、闭环控制系统
闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。
闭环控制系统优点----不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。
因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。
缺点---闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。
在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。
1.定值控制系统
特点：
设定值是固定不变
作用：
保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设定值上
2.随动控制系统
特点：
设定值是一个未知的变化量
作用：
保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。
3.程序控制系统
特点：
设定值是一个按一定时间程序变化的时间函数
作用：
保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。
如：
机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器的温度控制等都属于这类控制系统。
程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。
二、开环控制系统
开环控制系统-----控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。
操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。
从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
1.按设定值进行控制
控制方式的原理：
需要控制的是被控对象中的被控变量，而测量的只是设定值。
如图1.12（a）所示的换热器。
换热器的工作原理是：
冷物料与载热体（蒸汽）在换热器中进行热交换，使冷物料出口温度上升至工艺要求的数值。
因此，系统中被控变量为冷物料出口温度，操纵变量为蒸汽流量。
操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化进而改变被控变量。
（a）（b）
图1.12按设定值控制的开环控制系统
2.按扰动进行控制
控制方式的原理----需要控制的仍然是被控对象中的被控变量，而测量的是破坏系统正常进行的扰动量。
利用扰动信号产生控制作用，以补偿扰动对被控变量的影响，故称按扰动进行控制。
由于测量的是扰动量，这种控制方式只能对可测的扰动进行补偿。
对于不可测扰动及对象，各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的影响，系统自身无法控制。
因此控制精度仍然受到原理上的限制。
§1.5.过程控制系统的性能指标及要求
一、过程控制系统的过渡过程
静态-----被控变量不随时间而变化的平衡状态
在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，其输入、输出信号的变化率为零。
而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。
因此静态反映的是相对平衡状态。
动态-----被控变量随时间而变化的不平衡状态
当一个原来处于相对平衡状态的系统受到扰动作用的影响后，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值，此时控制器会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量去克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。
过渡过程-----在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，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。
一般来说，一个控制系统的好坏在静态时是难以判别的，只有在动态过程中才能充分反映出来。
系统在其进行过程中，会不断受到扰动的频繁作用，系统自身通过控制装置不断地施加控制作用去克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上。
因此，我们对系统研究的重点应放在控制系统的动态过程。
过渡过程的几种形式
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1.15所示。
图中，Y表示被控变量。
1.发散振荡过程
如图1.15中曲线①所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且幅度越来越大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许的范围。
2.非振荡衰减过程
如图1.15中曲线②所示。
它表明被控变量受到扰动作用后，产生单调变化，经过一段时间最终能稳定下来。
3.等幅振荡过程
如图1.15中曲线③所示。
它表明系统受到扰动作用后，被控变量做上下振幅稳定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动。
4.衰减振荡过程
如图1.15中曲线④所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动的幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。
5.非振荡发散过程
如图1.15中曲线⑤所示。
它表明系统受到扰动作用后，被控变量单调变化偏离设定值越来越远，以致超出工艺设计的范围。
图1.15过渡过程的基本形式
上面五种过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。
常见的典型信号
控制系统在其运行的过程中，不断受到各种扰动的影响，这些扰动不仅形式各异，对被控变量的影响也各不相同。
为了便于对系统进行分析、研究，通常选择几种具有确定性的典型信号来代替系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。
有：
阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。
其中阶跃信号对被控变量的影响最大，且阶跃扰动最为常见。
（1.1）
当A=1时称为单位阶跃信号。
二、过程控制系统的质量指标
质量指标：
在比较不同控制方案时，应首先规定评价控制系统的优劣程度的性能指标，一般情况下，主要采用以阶跃响应曲线形式表示的质量指标。
控制系统最理想的过渡过程应具有什么形状，没有绝对的标准，主要依据工艺要求而定，除少数情况不希望过渡过程有振荡外，大多数情况则希望过渡过程是略带振荡的衰减过程。
在阶跃信号作用下常以下面几个特征参数作为质量指标。
⑴衰减比
这是表示衰减过程响应曲线衰减程度的指标。
数值上等于同方向两个相邻波峰值之比，即：
显然当n=1为等幅振荡；n<1为发散振荡；n>1为衰减振荡。
为保持系统有足够的稳定程度，工程上常取衰减比为4:
1～10:
1。
⑵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。
Tp愈小表明控制系统反应愈灵敏。
这是反映系统快速性的一个动态指标。
（3）过渡时间ts
过渡时间是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。
⑷最大偏差A
对于一个稳定的定值控制系统来说，最大偏差是指被控变量第一个波峰值与设定值的差。
最大偏差（或超调量）表示了被控变量偏离设定值的程度。
A（或σ）愈大，表示偏离生产规定的状态愈远，特别是对一些有危险限制的情况，如化学反应器的化合物爆炸极限等，应特别慎重，以确保生产安全进行。
⑸余差C
余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。
它是反映控制系统控制精度的静态指标，一般希望它为零或不超过工艺设计的范围。
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