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1、过程控制原理与工程 于辉 主编 过程控制原理与工程 第1章 1.1 引言 1.2 过程控制系统的组成及框图 1.2.1 过程控制系统的组成 1.2.2 过程控制系统的框图 1.2.3 过程控制系统的相关术语 1.3 过程控制系统的分类 1.3.1 开环控制与闭环控制 1.3.2 按设定值变化规律分类 1.4 过程控制系统的性能要求 1.4.1 过程控制系统的过渡过程 过程控制原理与工程 第1章 1.4.2 过程控制系统的过渡过程的几种形式 1.4.3 过程控制系统的性能指标 过程控制原理与工程 1.1 引言 所谓过程控制，是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置对 生产过程、工艺参数、目标要求
2、等进行自动地调节和控制，使其 按照预定的方案达到要求的指标。图1-1所示为水箱液位控制系统 原理图，该系统实现由液位变送器、液位控制器、控制阀组成的 控制装置对水箱的水位进行自动地控制，使其达到规定的液位高 度。控制系统的控制过程是:通过液位变送器把测得的水箱水位高 度转变为相应的可以传输的电信号，并传送给液位控制器；液位 控制器将测得的实际的水位值与其内部设定的水位值进行比较， 根据其差值按照一定的规律输出控制信号，使控制阀按控制信号 的大小改变阀的开度，即改变水箱的进水量Qi，从而影响水箱的 水位，使水位达到给定的高度h。 过程控制原理与工程 1.2 过程控制系统的组成及框图 过程控制原理
3、与工程 1.2.1 过程控制系统的组成 1) 检测及变送装置用于测出被控变量(如图1-1中的水 箱液位)的实际值，并进一步转化为某种便于传送信号的 仪器装置。 2) 控制器(也称调节器)接收检测及变送装置送来的被 控量的测量信号并与设定信号进行比较，根据比较的结 果即偏差的大小，按照一定的控制规律输出控制信号。 3) 执行机构接收控制器发出的控制指令，将其转变 为对被控对象实施的控制作用，实现对被控量的控制。 4) 被控对象被实施控制作用的设备或装置。 过程控制原理与工程 1.2.1 过程控制系统的组成 图1-1 水箱液位控制系统原理图 过程控制原理与工程 1.2.2 过程控制系统的框图 图1
4、-2 控制系统框图 过程控制原理与工程 1.2.2 过程控制系统的框图 图1-3 水箱液位控制系统框图 过程控制原理与工程 1.2.3 过程控制系统的相关术语 (1)被控变量 生产工艺要求维持恒定的物理量，即控制 的目标。 (2)操纵变量 在控制作用下能引起被控变量变化的物理 量。 (3)干扰量 又称扰动量或噪声，是指除了操纵变量以外 能引起被控变量变化的一切因素。 (4)设定值 工艺要求被控变量必须达到的某个数值。 (5)偏差 过程控制系统中，规定偏差是设定值与测量值 之差。 过程控制原理与工程 1.2.3 过程控制系统的相关术语 (6)反馈控制系统 把系统输出信号通过测量及变送装置 又引回
5、到输入端，这种做法称为反馈。 过程控制原理与工程 1.3 过程控制系统的分类 过程控制系统有多种分类方法。可以按被控变量的物 理性质如温度、压力、流量、液位等分类，也可按控 制器的控制规律来分类，也有按构成控制系统结构的 复杂程度来分类等。 通常按照控制系统是否设有反馈环节来进行分类，这 样把系统分为两类：开环控制与闭环控制。 过程控制原理与工程 1.3.1 开环控制与闭环控制 1.开环控制 2.闭环控制 过程控制原理与工程 1.开环控制 图1-4 控制系统基本结构 过程控制原理与工程 1.开环控制 图1-5 开环控制框图 过程控制原理与工程 2.闭环控制 图1-6 换热器热流体 出口温度控制
6、系统 过程控制原理与工程 2.闭环控制 图1-7 换热器热流体出口温度控制系统框图 过程控制原理与工程 1.3.2 按设定值变化规律分类 1.定值控制系统 所谓定值控制系统，是指这类控制系统的设定值是恒定不变的。如图1- 4b所示的蒸汽换热器在工艺上要求热流体的出口温度按设定值保持不变 ，因而它是一个定值控制系统。 2.随动控制系统 随动控制系统也称为自动跟踪系统，这类系统的设定值是一个未知的变 化量。这类控制系统的主要任务，是使被控变量能够尽快地、准确无误 地跟踪设定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。在化工生产中 ，有些比值控制系统就属于此类。 3.程序控制系统 程序控制系统也称顺序控
7、制系统。这类控制系统的设定值也是变化的， 但它是已知的时间函数，即设定值按预定的时间程序变化，被控变量自 动跟踪设定值。在化工生产中，如间歇反应器的升温控制、食品工业中 的罐头杀菌温度控制、造纸中纸浆蒸煮的温度控制、机械工业中的退火 炉温度控制以及工业炉、干燥窑等周期作业的加热设备控制等。 过程控制原理与工程 1.4 过程控制系统的性能要求 过程控制原理与工程 1.4.1 过程控制系统的过渡过程 当系统的设定值不变，也没有干扰作用在系统上时， 系统各组成部分的输入输出信号保持不变，使系统的 被控变量也恒定不变，我们把被控变量不随时间变化 的平衡状态称为系统的稳态，它是一种动态的平衡； 把被控变
8、量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态 。 系统从一个平衡状态过渡到另一个新的平衡状态的过 程称为系统的过渡过程，即系统的控制过程。 过程控制原理与工程 1.4.2 过程控制系统的过渡过程的几种形式 图1-8 过渡过程的几种基本形式 过程控制原理与工程 1.4.3 过程控制系统的性能指标 1.稳定性 稳定性是指系统受到外部作用(干扰作用或是设定值改变)后其被控变量偏离了原来 的设定值，经过系统的调节作用使被控变量恢复到原来的值或是达到某一新的稳 定值，这样的系统就被认为是稳定的，反之是不稳定的。通常稳定系统的过渡过 程为衰减振荡过程，最终趋于新的稳态。这是工程上对一个实际可投运的过程控 制系统
9、最基本的要求。 与稳定性相应的系统性能指标是：衰减比n和超调量(这部分将在第3章讲述)。 2.准确性 准确性是用系统稳定时被控变量与设定值之间的差值C(余差)来表示，它反映了系 统的稳态精度。若系统的余差为零，则称为无差系统，否则称为有差系统。 3.快速性 快速性是用系统过渡过程时间的长短来表征的。过渡过程时间越短，表明快速性 越好，反之快速性较差。快速性反映了系统输出对设定值输入响应的快慢程度或 克服干扰的能力。 稳定性、准确性和快速性往往是相互制约的。在系统设计与调试中应根据具体情 况，对三方面的性能有所侧重，并兼顾其他，以求满足各方面的要求，这也是本 课程所要研究的主要内容。 过程控制原
10、理与工程 1-1 一个典型的过程控制系统由哪些环节组成？它们在系统中各 起着什么作用？ 1-2 指出下列系统中哪些属于开环控制?哪些属于闭环控制? (1)家用电冰箱 (2)家用空调 (3)抽水马桶 (4)全自动洗衣机 (5)电饭煲 (6)多速电风扇 1-3 什么是控制系统的过渡过程？研究过渡过程有什么意义？ 1-4 根据系统原理图画出系统框图。 (1)画出图1-9所示水箱单容液位定值控制系统的系统框图。 图1-9 水箱单容液位定值控制系统图1-10 双容液位定值控制系 统 (2)画出图1-10所示双容液位定值控制系统的系统框图。 (3)画出图1-11所示单闭环流量控制系统的系统框图。 图1-1
11、1 单闭环流量控制系统图1-12 盘管流量纯滞后控制系统 (4)画出图1-12所示盘管流量纯滞后控制系统的系统框图。 思考题与习题 过程控制原理与工程 图1-9 水箱单容液位定值控制系统 过程控制原理与工程 图1-10 双容液位定值控制系统 过程控制原理与工程 图1-11 单闭环流量控制系统 过程控制原理与工程 图1-12 盘管流量纯滞后控制系统 人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
