第二章           过程装备控制基础

本章内容：简单过程控制系统的设计

复杂控制系统的结构、特点及应用。

第一节  被控对象的特性

一、被控对象的数学描述

（一）  单容液位对象

1．有自衡特性的单容对象

2．无自衡特性的单容对象

（二）  双容液位对象

1．典型结构：双容水槽如图2-5所示。

      图2-5 双容液位对象                                      图2-6 二阶对象特性曲线

2．平衡关系：水槽1的动态平衡关系为：

3．二阶被控对象：

                    

式（2-18）就是描述图2-5所示双容水槽被控对象的二阶微分方程式。称二阶被控对象。

二、被控对象的特性参数

（一）  放大系数K（又称静态增益）

（二）  时间常数T

（三）滞后时间τ

（1）．传递滞后τ₀（或纯滞后）：

（2）．容量滞后τ_c   

可知τ=τ₀+τ_c。

三、对象特性的实验测定

对象特性的求取方法通常有两种：

1．数学方法

2．实验测定法 

（一）  响应曲线法：

（二）  脉冲响应法  

第二节  单回路控制系统

定义：（又称简单控制系统），是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。

一、单回路控制系统的设计

设计步骤：

1．了解被控对象

2．了解被控对象的动静态特性及工艺过程、设备等

3．确定控制方案

4．整定调节器的参数

（一）  被控变量的选择

（二）  操纵变量的选择

（三）  检测变送环节的影响

（四）  执行器的影响

二、调节器的调节规律

1．概念  调节器的输出信号随输入信号变化的规律。

2．类型  位式、比例、积分、微分。

（一）位式调节规律

1．双位调节

2．具有中间区的双位调节

3．其他  三位或更多位的调节。

（二）比例调节规律（P）

1．比例放大倍数（K）

2．比例度 

3．比例度对过渡过程的影响（如图2-24所示）

4．调节作用 

比例调节能较为迅速地克服干扰的影响，使系统很快地稳定下来。通常适用于干扰少扰动幅度小、符合变化不大、滞后较小或者控制精度要求不高的场合。

（三）比例积分调节规律（PI）

1．积分调节规律（I）

（1）概念：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比

                        

式中：K_I为积分速度，T_I为积分时间。

（2）控制作用：积分控制作用是力图消除余差。缺点纯积分控制的缺点在于其输出变化总要滞后于偏差的变化。

2．比例积分控制规律（PI）

（四）比例积分微分调节规律（PID）

1．微分调节规律（D）

（1）概念：调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比

                                  

式中：T_D为微分时间。

（2）控制作用：微分调节器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关。即微分作用对恒定不变的偏差是没有克服能力的。不能单独使用。

2．比例微分控制规律（PD）

4．比例积分微分控制规律（PID）

（五）调节规律的选取

1．调节规律选取原则：

2．调节规律选取参考

三、调节器参数的工程整定

介绍几种简单控制系统调节器参数的工程整定方法：

（一）   经验试凑法

（二）   临界比例度法（又称Ziegler-Nichols方法）

（三）   衰减曲线法

（四）方法比较

第三节  复杂控制系统

一、串级控制系统

（一）串级控制的基本原理

2．通用的串级控制系统：

图2-42 串级控制系统方块图

（3）串级控制系统中常用的名词和术语。

主变量y₁：使它保持平稳使控制的主要目标。

副变量y₂：它使被控对象中引出的中间变量。

副对象：副变量与操纵变量之间的通道特性

主对象：主变量与副变量之间的通道特性。

副控制器：接受副变量的偏差，其输出去操纵阀门。

主控制器：接受主变量的偏差，其输出去改变副控制器的设定值。

副回路：处于串级控制系统内部的，由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成的回路。

主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r₂为输入，以副变量y₂为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，我们称这个单回路为主回路。

（二）串级控制系统的主要特点及其应用场合

1．主要特点：

（1）．能迅速克服进入副回路的干扰 

（2）．能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力 

（3）．主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度 

2．应用场合：在被控对象的容量滞后大、干扰强、要求高的场合；对上述特点之一有明显提高的场合。

二、前馈控制系统                                                                                            

（一）前馈控制的基本原理

1．前馈控制（又称扰动补偿）：测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。

（3）前馈控制系统框图：（图2-42）

                         图2-44 前馈控制方块图

a．f→y之间的两个传递通道：

f→G_f→y；

f→测量装置→补偿器→G_p→y。

（二）前馈控制的主要结构形式

1．静态前馈控制 

2．前馈-反馈控制系统

3．其它控制系统：

（1）  动态前馈控制：当对象的控制通道和干扰通道的动态特性差异很大时使用。

（2）    多变量前馈控制：具有多个输入和多个输出的系统。                 

三、比值控制系统

1．目的：为了实现几种物料符合一定的比例关系，使生产能安全正常地进行。

2．意义：在化工、炼油生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应。若比例失调，轻则影响产品质量，重则影响安全。

（一）定比值控制系统 

    定义：系统以保持两物料流量比值一定为目的，比值器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值r也就固定不变，称为定比值控制系统。

1．开环比值控制系统   

2．单闭环比值控制系统 

3．双闭环比值控制系统 

定义：为使流量的比值恒定，总负荷平稳，在单闭环比值控制的基础上作以改进。

（二）变比值控制系统 

（三）比值控制系统的实施

1．应用比值器的方案

2．应用乘法器的方案 

3．应用除法器的方案 

四、选择性控制系统

目的：减少开停车中的不稳定工况。

（一）选择性控制的基本原理

1．原理：在控制回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统。

2．选择器种类：

（1）    高值选择器：

（2）    低值选择器；    

4．特点：与自动联锁保护系统不同，可以在工艺过程不停车的情况下解决生产中的不正常状况。

（二）选择性控制的类型

1．选择器位于两个调节器与执行器之间：

2．选择器在变送器与调节器之间：

（三）选择性控制中选择器性质的确定

1．确定选择器的任务：是使用高值选择器，还是使用低值选择器。

2．确定选择器性质的步骤：首先从工艺安全出发确定调节阀的气开、气关形式；然后确定调节器的正反作用方式；最后确定选择器的类型。

五、均匀控制系统

（一）基本概念

特点：

             图2-61 前一设备的液位与后一设备的进料量关系

                          1―液位变化曲线；2―流量变化曲线

（二）实现均匀控制的三种可行方案：

1．简单均匀控制

2．串级均匀控制 

3．双冲量均匀控制 

六、分程控制系统

第二篇：仪表控制自动化总结

自动化就是工业自动控制，是化工厂的自动控制系统，以前成为仪表专业，大家都说仪表是工厂的眼睛，实际上，现代自动控制系统不仅仅是工业生成的眼睛，同时还是工业生产的大脑。自动化控制系统产品随着电子技术的发展，从以前气动仪表、电动仪表发展到目前的集散系统，把单回路的控制集成到了对整个生产装置的所有控制系统的控制，操作可以在中央控制室足不出户就可以控制现场的阀门，能够及时通过对工艺设备里面的温度、压力、流量或液位进行控制，达到稳准快的控制效果。如果自动化控制系统出现问题，就会给工艺生产带来极大的伤害，特别是会对工艺产品的质量、产量甚至是安全带来极大的麻烦。仪表联锁涉及的安全系统对化工工艺生产的安全性极为重要，一个误操作可能会引起整个工厂的爆炸发生。在线分析仪表对工艺产品的质量具有极为重要的意义，特别是对产品的质量具有极为重大的意义。随着DCS控制技术的发展，控制系统还在紧急停车方面也有了极大的发展，特别是对工厂的核心机组的安全控制具有保护功能，可以确保工厂的安全生产。作为自控专业的同学，还是建议你好好地整理一下思路，把文章写好，我写的算是抛砖引玉了。

化工生产过程自动化是一门综合性的技术学科,它是利用自动控制器仪表学科,以及计算机学科的理论与技术,服务于化学工程学科的。化学工业是国民经济中必不可少的重要组成部分,它不但直接影响国计民生而且与国民经济的其他部门密切相关,同时又是农业、轻工、纺织、国防、交通运输等部门发展的不可或缺的基础工业之

一。化工生产过程,往往是在密闭的容器和设备中,在高压、真空、高温、深冷的情况下连续进行的。

此外,不少介质还具有毒、易燃、易爆、有腐蚀的性质。因此,为使化工生产正常地、高效地进行,就必须把各项工艺参数维持在某一最佳范围之内,并尽量使生产过程自动化、现代化。

所谓化工生产过程自动化,就是在化工设备上,配置一些自动化装置,代替操作人员的部分直接劳动,使生产在不同程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理化工生产过程的方式,就称为化工生产过程的自动化,简称化工自动化。实现化工生产过程的自动化,不仅可以使生产保持在最佳状况下,而且可以有效地提高产品质量和数量,节约原材料和能源,降低生产成本,并且可以提高设备的利用率,从而延长设备的使用寿命,实现优质高产低耗。同时,能充分保证工作人员和设备的安全,减轻劳动强度,改善工作环境。更有意义是,实现生产过程的自动化,能够获得最高的技术经济指标,并能从根本上改变传统的劳动方式,提高劳动者的科学文化素质和技术素质,并且有利于社会主义现代化建设的需要。

自动化仪表分类方法很多,根据不同原则可以进行相应的分类。例如按仪表所使用的能源分类,可以分为气动仪表、电动仪表和液动仪表(很少见);按仪表组合形式,可以分为基地式仪表、单元组合仪表和综合控制装置;按仪表安装形式,可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表;随着微处理机的蓬勃发展,根据仪表有否引入微处理机(器)又 可分为自动化仪表与非自动化仪表。根据仪表信号的形式可分为模拟仪表和数字仪表等等。仪表覆盖面比较广,任何一种分类方法均不能将所有仪表分门别类地划分得井井有序,它们中间互有渗透,彼此沟通。例如变送器具有多种功能,温度变送器可以划归温度检测仪表,差压变送器可以划归流量检测仪表,压力变送器可以划归压检测仪表,若用兀压法测液位可以划归物位检测仪表,很难确切划归哪一类, 中外单元组合仪表中的计算和辅助单元也很难归并。 化工自动化控制仪表的功能开发：

(一)仪表的测量精度高了

由于自动化仪表的中心控制系统是微型计算机,可以进行快速多次重复测量,然后求平均值。这样就可以排除一些偶然的误差与干扰。

(二)仪表具有修正误差的能力

实时地修正测量值误差是较为复杂的功能。装有微处理器的仪表可以减少误差,依靠限制干扰来提高精度。

(三)仪表能够实现复杂的控制功能

实现自动化以后,一些常规仪表不易实现的功能,在自动化仪表中就很容易实现。比如一台气相或液相色普仪,这种仪器利用对于复杂化学混合物进行色层分离的方法来确定样品中存在的每一种化学成分的含量。

在我国,解放前根本谈不上有仪表制造业,解放后,在中国共 产 党的领导下,我国的仪表工业,从无到有从小到大,得到了突飞猛进的发展,并且向着标准化的方向迅速前进。化工仪表及自动化,最早出现在四十年代,那时的仪表体积大,精度低。但随着科学技术的不断发展和电子技术的不断进步,在五十年代就出现采用0.2~1.0kg f/cm2统一气压信号的气动仪表,接着,又出现了采用4-20cm的直流信号的电动仪表,从而实现了集中控制,并使仪表体积大为缩小,可靠性和精度也有很大提高。五、六十年代以后,特别是六十年后半期,随着半导体和集成电路的进一步发展,自动化仪表便向着小体积、高性能的方向迅速发展并实现了用计算机作数据处理的各种自动化方案。化工生产向大规模、高效率、连续生产,综合利用方向迅速发展,需要一类不仅能迅速、准确地监视工艺参数,而且能迅速地进行工况分析、判断、作出操作决策的自控装置,人工的操作也越来越不能适应生产的要求,必须有更有效地执行机构来操作生产。于是一大批的自动化装置应运而生,它们就是各种检测元件、变送器、调节器、执行器,以及其他各种有关的装置等。

在生产的工艺设备上和操作中,起到“眼”、“脑”、“手”的作用,它们与生产设备一起构成了各种各样的自动化控制系统。七十年代以来,仪表和自动化技术又有了迅猛的发展,新技术、新产品层出不穷,气动Ⅱ型、Ⅲ型仪表、电动Ⅱ型、Ⅲ型仪表相继投入使用,多功能组装式仪表也投入运行,特别是微型计算机的发展在化工自动化技术工具中发挥了巨大作用。19xx年出现了以微处理器为基础的过程控制仪表———集中分散型控制系统,把自动化技术推到了一个更高的水平。电子技术、计算机技术的发展,也促进了常规仪表的发展,新型的数字仪表,智能化仪表,程序控制器,调节器等也不断投入使用。现在我国大、中、小型企业以及广大乡、镇企业依据不同的生产实际和需求,气动仪表、电动仪表、模拟仪表、数字仪表以及各种智能化仪表,计算机等都在进行使用,形成了气电结合、模数共存、取长补短,协同发展的局面。它们构成的各种自动化控制系统极大地推动着我们的现代化建设事业。化工生产过程自动化,是一门综合性的技术学科,它是利用自动控制学科仪器、仪表学科,以及计算机学科的理论与技术,服务于化学工程学科的。在企业里化工工艺及设备与自动化装置已经构成了有机的整体,没有现代化的自动化装置,也就没有现代化的化工生产。

随着化工自动化技术应用的日益深入及应用范围与规模的不断扩大,使仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能,我国的化工仪器仪表产业的发展水平必将快速迈向更高阶段,而化工自动化仪表的应用也将发挥其不可估量的作用。