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绪论1-1 过程控制和过程控制系统 一﹑过程控制的特点 随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化,随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展,生产过程控制技术近年来发展异常迅速. 所谓生产过程自动化,一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制. 凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制统称为过程控制. 生产过程的自动控制,一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响,而且各参数之间也会相互影响,这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性.除此之外,过程控制尚有如下一些特点: 1. 被控对象的多样性. 对生产过程进行有效的控制,首先得认识被控对象的行为特征,并用数学模型给以表征,这叫对象特性的辨识.由于被控对象多样性这一特点,就给辨识对象特性带来一定的困难. 2. 被控对象存在滞后. 由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行,对象的储存能力大,惯性也大.在热工生产过程中,内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力,因此对象一般均存在滞后性.由自动控制理论可知,如系统中某一环节具有较大的滞后特性,将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响,增加控制的难度. 3. 被控对象一般具有非线性特点. 当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时,系统为非线性系统,必需用非线性理论来设计控制系统,设计的难度较高.如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象,用线性理论来设计控制系统,由于被控对象的动态特性有明显的差别,难以达到理想的控制目的. 4. 控制系统比较复杂. 控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素.基于生产安全上的考虑,应使控制系统具有很高的可靠性. 由于以上特点,要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难,一般是通过理论计算与现场调整的方法,达到过程控制的目的. 二﹑过程控制系统的组成 锅炉是生产蒸汽的设备,在各行各业中广泛使用.如锅炉的锅筒内水位过低,锅炉有烧干引起爆炸的危险,水位过高,不但水可能溢出,而且使产生的蒸汽含水量高,在某些场合使使用蒸汽的设备受到损伤.因此保持水位的高度在规定范围内是非常重要的. 当锅炉的给水量与蒸汽的蒸发量保持平衡时,锅筒表示在锅筒内希望保持的内的水位保持不变,如果用水位高度,则当锅炉的给水量或蒸汽的蒸发量发生变化时,锅筒内水位就会在上下波动,水位的变化量用表示.定值器控制器执行器水位高度人工控制锅筒内水位高度的示意图如下左图所示,自动控制系统如下右图所示.蒸汽右图中,变送器将检测到的蒸汽阀水位在上下波动量变换成标准的统一信号(如4~20mA)过热器输入到控制器的一个输连通器变送器锅筒入端,与定值器输出到控制器的给定信号进行比较,控制器按比较的偏差大小,根眼观脑分析预热器手调阀门给水阀据确定的控制规律(如PID)进行运算, 将运算结果输出到执行器给水使执行器动作并带动控制阀,使控制阀的开度发生相应的变化,改变给水量的大小,使锅筒内水位保持在上下规定的范围内.控制器执行器控制阀被控对象检测元件,变送器如上所述,过程控制系统的组成,一般可用如下框图表示:需进行自动控制的参数,称为被控量;上图中,希望保持的数值, 称为设定值;:被控量:被控量的测量值;叫偏差值,即控制器的输入信号.当z(t)r(t)时, 叫负偏差,当z(t)r(t)时, 叫正偏差.:叫操纵量;:扰动信号,也叫干扰信号.上图中,控制阀有气开与气闭两种作用方式,前者当控制器的输出增大时,阀门的开度增大,后者正相反.因此,控制器也有正反调节作用,正作用指被控量增大时,控制器的输出增大,规定正作用时e(t)=z(t)-r(t);反作用指被控量增大时,控制器的输出减小, 规定反作用时e(t)= r(t) - z(t) 三﹑过程控制系统的类别(见P.5~P.6) 四﹑过程控制系统的品质指标 过程控制系统的品质指标,一般用系统在阶跃输入信号作用下,被控量y(t)随时间t的变化曲线来定义,如下图所示:其品质指标除在自动控制理论中定义的最大百分比﹑过渡过程时间(也称调节时间)超调量等以外,还增加一项递减比或递减率的品质指标.如下图所示:图中第一﹑二两个周期的振幅与的比值充分反映了曲线振荡衰减的程度,称之为递减比n, 即,或,见上图.而递减率定义为.递减比n表示曲线变化一个周期后的衰减快慢,一般用n:1表示. 过程控制系统的递减比习惯采用4:1,但非唯一,特别是对一些变化较缓慢的如温度过程,采用4:1递减比可能还嫌过程振荡过甚,而采用10:1.因此递减比的确定须视具体对象,