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1、过程装备控制技术及应用孙旭光1控制系统的基本概念1.1概述1.1.1生产过程自动化系统所包含的内容各种信号传感器及检测仪表,如:温度,压力,流量,液位等的检测,显示等.为保安全设置的信号报警和联锁保护装置等,如风电连锁等.(3)自动操纵系统一些按时间周期,顺序动作等程序性进行的开关量控制,如缸动作.(4)自动控制系统利用控制仪表和装置,完成对所控量的自动调节,如生产上的温度,压力等控制(1)自动检测系统(2)信号连锁系统1.1.2过程装备控制的任务和要求任务:对过程装备运行参数:温度,压力,流量,液位,成分和物性等进行控
2、制.要求:主要是满足对生产过程安全性,经济性和稳定性的要求.安全性:确保生产过程中人身和设备的安全;通常采用越线报警,事故报警,连锁保护,计算机在线故障预测和诊断等.经济性:低成本高效率的生产要求,减少原材料,能源等的消耗.稳定性:消除外部及内部的干扰,保证生产长期稳定运行.过程装备控制技术是包含控制理论,工艺知识,计算机技术和仪表等结合构成的一门综合性应用科学.它在现代过程装备生产过程中具有重要的作用.1.2控制系统的组成1.2.1过程装备的控制人工与自动锅炉水位控制过程及比较蒸汽汽包玻管液位计加热室手动给水阀给水蒸汽
3、汽包液位调节器加热室自动给水阀(执行器)给水LC图人工锅炉给水控制图自动锅炉给水控制锅炉给水要求:避免水包过水位和干锅人工给水控制(人工观察液位并人工手动调节给水位)自动给水控制(由液位计,调节器及执行器自动完成液位的检测和控制过程工人劳动强度大,需要操作者经验强,控制精度低无须人力,响应快,控制精度高控制系统组成:a被控对象,本例中的锅炉)b测量变送元件(各类传感及信号变送元件)c调节器(控制器)比较器,控制算法d执行器(执行元件)气或电等的执行元件1.3控制系统的方框图调节器执行器被控对象测量元件及变送器f干扰变量y
4、被控变量ys设定值ym-偏差e控制信号u操纵变量m图1-2简单控制系统方框图方框图说明:a.被控变量y需要控制的工艺参数,如:温度,压力,液位等等.b.设定值ys被控变量的期望值,工艺上要求的期望参数值.c.测量值ym检测元件测量得到的被控变量实际测量值.d.操纵变量m执行器输出的中间控制量,如锅炉给水位控制的给水流量.e.干扰变量f引起被控变量偏离期望值的客观因素f.偏差信号e给定值ys与测量值ym之差e=ys-ym由比较器形成.g.控制信号u调节器将比较器后的偏差按一定控制规律运算得到的控制量.方框图中每一个方框称为
5、一个”环节”它由对应的输入输出信号所连接;箭头线条表示控制系统信号传递的方向;对整个系统而言给定值和干扰信号为给输入信号,被控变量为输出信号;图中的圆圈为加法器或比较器,用于输出偏差信号.1.4控制系统的分类1.1.4按给定值的特点定值控制系统给定值恒定不变,过程控制常见随动控制系统给定值为随机变化信号,系统强调快速和准确程序控制系统给定值为程序给定的系统1.4.2按系统输出信号对操纵变量的影响闭环反馈控制如前面的锅炉给水位的闭环反馈自动控制系统开环控制如前面介绍的锅炉给水人工控制系统1.4.3按系统的复杂程度划分简单控
6、制系统只有一个反馈回路的单回路控制系统复杂控制系统具有两个以上回路的复杂控制系统见图1-3夹套式反应器温度控制系统.1.4.4按系统克服干扰的方法划分反馈控制系统具有反馈通道的控制系统如图1-5前馈控制系统事先补偿或者消除干扰影响的控制方法见图1-6前馈-反馈控制系统前馈加反馈的控制方法,期望获得好的控制效果;前馈没有完全消除的干扰由反馈来补充完成.见图1-71.5控制系统的过渡过程及其性能指标1.5.1控制系统的动态过渡过程图1-8干扰信号斜坡阶跃(本书)Sin聘响干扰信号(本书只研究在阶跃干扰下控制系统过渡过程)yt
7、阶跃干扰作用下系统动态过渡过程ytytyt(a)发散振荡(b)等幅振荡ytyt(C)衰减振荡(d)单调过程图1-9过渡过程的几种基本形式1.5.2控制系统的性能指标(1)阶跃响应下的控制系统指标y(t)t最大偏差A(或超调量)第一个波峰与给定值之差.衰减比n相邻两个波峰之比B1:B2.n=1等幅振荡,n<1发散振荡,n>1衰减振荡,n~wq单调过程,一般要求n=4:1~10:1,具体看侧重那面.回复时间ts扰动开始至恢复到正负5%范围内的时间,该反映过渡时间指标.余差e(wq)过渡结束后新的稳态值与设定值之差.余差反映控
8、制精度.小控制精度高.振荡周期T第一个波峰与第二个同向波峰间的时间间隔,其倒数为振荡频率.该指标反映过渡时间长短.(2)偏差积分性能指标(定义见书1-21-7)平方误差积分指标(IAE)偏差面积积分,量值反映不出距离偏差距离给定值的远近.时间乘平方误差积分指标(ISE)对大偏差敏感.绝对误差积分指标(ITSE)兼有I
