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1、 绪 论一、 过程控制工程课设置的目的和任务Process control（过程控制）课，是培养从事过程控制系统的方案设计，及其在工程上予以实施的能力。 控制方案案的形成有两两个来源：一一是来自控制制原理的进展展，讨论的核核心问题是在在保证系统稳稳定的基础上上，如何提高高系统的品质质；而另一来来源是为了满满足工艺的特特殊要求而开开发出来的控控制方案。本课的基础涉及及到化工原理理、控制原理和和仪表计算机机技术等学科科知识。二、 过程控制的发展展简史1、 硬件第一阶段：300-40年代代，基地式仪仪表，就地控控制第二阶段：400-50年代代，电气动单单元组合仪表表，车间、工工段或全厂集集中控制第三
2、阶段：600年代后，由由于计算机的的出现，全厂厂性、企管性性控制2、 过程控制手段40年代初：“黑箱子”时期50年代末：“灰箱子”时期，用反反馈控制理论论于生产过程程50年代初、中中：对生产过程程的模型的建建立导致化工工动态学的发发展 用实验方法法来探讨模型型、系统辩识识60年代：现代代控制理论发发展，我国775年后计算算机控制较普普遍，发展快快三、 过程控制设计1、 从局部的设计到到总体的设计计，从单回路路到多回路再再到大系统2、 从定值控制到浮浮动控制3、 事故出现硬停车车到软保护控控制4、 从离散控制（模模拟仪表）到到计算机控制制四、 学习方法及基本本要求 本课程上上本专业的一一门只要专
3、业业课，要求学学生能综合运运用所学的基基础课、专业业基础课及其其他专业课知知识，进一步步 掌握过程控控制工程理论论和实践知识识，培养学生生具有解决过过程控制系统统的分析、设设计及投运的的能力。 本课程程包括课堂教教训、实验教教学、课程设设计、生产实实习四个环节节。学习本课课程应注意自自己的工程实实际能力的培培养。五、 参考文献 1、化工工过程控制工工程祝和运运（浙江大学学）化学工业业出版社 2、过程程控制系统及及工程翁维维勤 化学工工业出版社 3、过程程控制工程庄庄兴稼 华中中理工大学出出版社 4、过程程控制系统 F.G.sshinskkeg 方方崇智译 化化工出版社 5、化工工过程控制理理论
4、与工程sstephaanopolluos GG. 关惕华华译 化学工工业出版社六、学时安排 课堂堂教学40学学时；实验教教学8学时。总总计48学时时第1章 简单单控制系统简单控制系统是是指单回路控控制系统，是是最基本、结结构最简单的的一种，具有有相当广泛的的适应性。在在计算机控制制已占主流地地位的今天，这这类控制仍占占控制70以上。简单控制系统虽虽然结构简单单，却能解决决生产过程中中的大量控制制问题，同时时也是复杂控控制系统的基基础。掌握了了单回路系统统的分析和设设计方法，将将会给复杂控控制系统的分分析和研究提提供很大的方方便。11 简单控制系统结结构组成及控控制指标1.1.1简简单控制系统统
5、结构组成简单控制系统由由四个基本环环节组成，即即被控对象（简简称对象）、测测量变送装置置、控制器和和控制阀。有有时为了分析析问题方便起起见，把控制制阀、被控对对象和测量变变送装置和在在一起，称为为广义对象。如图1.1-11所示的水槽槽，控制要求求是维持水槽槽液位L不变。为了了控制液位，选选择相应的变变送器、控制制器和控制阀阀，组成液位位控制系统（即即简单控制系系统）。液位控制系统的的工作过程：在平衡状态态下，如果输入流量量端存有干扰扰，使输入总流量增大，于于是液位上升升，随着的上上升，控制器器将感受到偏偏差（给定与与测量的比较较值），从而控制器输输出将控制阀阀关小，使输输入流量减小小，液位将下
6、下降回到给定定值，达到新新的平衡。 图1.1-1 液位位控制系统对于图1.1-1所示的液液位控制系统统可以画出它它的方块图，如如图1.1-2所示图1.1-2 液位控制制系统方框图图 从以上的液位位控制系统工工作过程可看看出：在该系系统中存在着着一条从系统统输出端引向向输入端的反反馈线，也就就是说该系统统中的控制器器是根据被控控变量的测量量值与给定值值的偏差来进进行控制的。控控制作用是纠纠正偏差的，所所以负反馈是是简单控制系系统的一个特特点。简单控制系统根根据其被控变变量的不同，可可以分为温度度控制系统、压压力控制系统统、流量控制制系统、液位位控制系统等等。虽然这些些控制系统名名称不同，但但是它
7、们都具具有相同的方方块图和结构构组成。由于于此类控制系系统从组成方方块图上看，由由一个测量变变送装置、一一个控制器、一一个控制阀和和相应的被控控对象组成，并并组成一个负负反馈回路，因因此简单控制制系统也常称称为单回路控控制系统。1.1.2简简单控制系统统的控制指标标对每一个控制回回路来说，在在设定值发生生变化或系统统受到扰动作作用后，被控控变量应该平平稳、迅速和和准确地趋近近或回复到设设定值。因此此，通常在稳稳定性、快速速性和准确性性三个方面提提出各种单项项控制指标，把把它们适当地地组合起来，也也可提出综合合性指标。1.控制系统过过渡过程单项项指标控制系统按其输输入方式不同同可分为随动动系统与
8、定值值系统，随动系统与与定值系统控控制要求有相相同的一面，也也有不同的一一面。例如，系系统同样必须须稳定，但定定值系统的衰衰减比可以低低一些，随动动系统的衰减减比应该更高高一些，随动动系统的重点点在于跟踪，要要跟得稳、跟跟得快、跟得得准；定值系系统的关键在在一个定字，要要定得又稳又又快又准。主要时域指标包包括衰减比、超超调量（最大大偏差）、余余差、调节时时间和振荡频频率。这些指指标可从控制制系统的过渡渡过程曲线上上求取。图1.1-3单单位阶跃响应应曲线1） 衰减比在欠阻尼振荡中中，两个相邻邻的同方向幅幅值之比称为为衰减比，前前一幅值作为为分子，后一一幅值作为分分母。如图11.1-3中的的。衰减
9、比是衡量稳稳定性的指标标，1:1振荡，不不能容许。为为保持足够的的稳定性，定定值系统的=4:1为宜宜。对随动系系统=10:1为宜，或或采用过阻尼尼（1）=0的形式。2）超调量与最最大偏差在随动系统中， 是一个反映超调情况，也是衡量稳定程度的指标。设被控变量的最终稳定值为，最大瞬态偏差为，则超调量的表达公式为： 在定值控制系统统中，最终稳稳态值是或是很小的的数值，仍用用作为指标来来衡量系统的的超调不合适适了，通常改改用最大偏差差作为指标反反映系统超调调量的大小。 3） 余差余差是系统的最最终稳态偏差差。因为，在定值情况况下，因此此，余差是反映映控制精度的的一个稳态指指标。4）回复时间和和振荡频率
10、过渡过程要绝对对地达到新的的稳态，需要要无限长的时时间，然而要要进入稳态值值附近5%或2%以内区域域，并保持在在该一区域之之内，需要的的时间是有限限的，这一时时间称为回复复时间。回复复时间是反映映控制快速性性的一个指标标。在同样的振荡频频率下，衰减减比越大，则则回复时间越越短。同样在在同样的衰减减比下，振荡荡频率越高，则则回复时间越越短。因此，振振荡频率在一一定程度上也也可作为衡量量控制快速性性的指标。图1.1-4随随动系统过渡渡过程曲线 图1.1-5定植系统过渡渡过程曲线例1.1-11 某化学学反应器，工工艺规定操作作温度为20010，考虑安全全因素，调节节过程中温度度规定值最大大不得超过1
11、15。现设计运运行的温度定定值调节系统统，在最大阶阶跃干扰作用用下的过渡过过程曲线如下下图所示，试试求：该系统统的过渡过程程品质指标（最最大偏差、超超调量、余差差、衰减比和和震荡周期），并并问该调节系系统是否满足足工艺要求。解：最大偏差：=230-200=330 余差： =205-200=55 衰减比： 震荡周期：=220-5=115min 例1.1-1题图过渡时间（调节节时间）：。 再：工艺规定操操作温度为220010，考虑安全因因素，调节过过程中温度规规定值最大不不得超过155，而该调节系系统=30，不满足工艺艺要求。2.控制系统过过渡过程综合合性指标综合性指标往往往采用积分鉴鉴定的形式一
12、般来说，过渡渡过程中的动动态偏差越大大，或是回复复的越慢，则则值将越大，表表明控制品质质越差。但不不宜直接用动动态偏差作为为函数。是及的一个泛函函值。通常采用以下形形式：1) 平方误差差积分准则IISE(Inteegral of Sqquaredd Erroor criiterioon) , 2) 绝对误差差积分准则IIAE (Integgral oof Abssolutee valuue of Errorr critterionn) , 3) 时间乘绝绝对误差积分分准则ITAAE (Inntegraal of Time multiipliedd by tthe Abbsolutte vall
13、ue off Erroor criiterioon) ,对于存在余差的的系统，不会会最终趋于零零，有存在，上上面三种形式式的积分鉴定定值J都将成为无无穷大，无从从进行比较。此此时可用作为为误差项代入入。一般地说，ITTAE为最小小值的系统往往往衰减比很很大，ISEE为最小值的的系统回复时时间很短，但但过渡过程的的振荡比较剧剧烈。如下图图所示： 图1.1-66 应用不同同偏差积分性性能指标下的的闭环响应在工作中，具体体选何种指标标，应根据控控制系统性能能及工艺要求求而定。12 典典型受控过程程本节主要介绍几几种常见简单单环节特性，然然后列出由它它们组成的一一些实际过程程。121 纯滞后过程程纯滞
14、后：指在在输入量变化化后，看不到到系统对其响响应的这段时时间。当物质或能量沿沿着一条特定定的路径传输输时，就会出出现纯滞后。路路径的长度和和运动速度是是决定纯滞后后大小的两个个因素。因此此纯滞后也称称为传输滞后后。纯滞后一一般不单独出出现，同时不不存在纯滞后后的生产过程程也很少。任任何对控制系系统设计有关关的技术都会会涉及纯滞后后问题。图11-7所示一一个传送纯滞滞后例子： 图1.2-1纯纯滞后过程示示意图传递函数： ， L指距距离， VV 指速度频率特性：纯滞后环节幅频频特性对系统统无影响，相相频特性对系系统的影响大大且随频率增增加纯滞后影影响。1.2.2 单容过程容积：指储存物物质或能量的地方方，其作用就就象流入量和和流出量之间间缓冲器。1. 无自衡 图1-11 无自衡单容容过程基本方程：输输入流量输出流量=单位时间容容积的累积量量变化 液位差/流流阻=流出流流量推导传递函数： 拉氏变换式 为常量其增增量为0，即即= 0，则，则，其中为积分时间常数数。写成一般形式：， 为
