第一章控制系統的基本概念本章的主要內容：1.1生產過程自動化的主要內容1.2自動控制系統基本概念及組成1.3控制系統過渡過程及品質指標1.1生產過程自動化的主要內容：1、自動檢測系統（起眼睛作用）2、自動信號聯鎖與保護系統（保護）3、自動操縱與開停車系統（開環的程序控制系統）4、自動調節系統（主要系統，能克服干擾作用）上述四個系統在工業生產中可以獨立存在，各起的作用不相同，其中自動調節（控制）系統能力最強，所起的作用最大，是化工自動化的主要內容。1.2自動控制系統

1.2.1自動控制系統

自動控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖手動控制的步驟：(1)觀察液位數值；(2)把觀察到的實際數值與設定值加以比較，根據偏差的大小及變化情況做出判斷，并發布命令。(3)根據命令操作給水閥，使液位回到設定值。所謂“自動控制”是指應用自動化儀器儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設備或工業生產過程進行控制，使之有目的地修正被控對象的動力學行為，以達到預期的狀態或滿足預期的性能要求。隨著現代科學技術的蓬勃發展，煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業過程的生產規模越來越大型化、復雜化，各種類型的自動控制技術已經成了現代工業生產實現安全、高效、優質、低耗的基本條件和重要保證。因此，再復雜的控制系統都緣于人工控制。人工控制與自動控制比較：進料口出料口H玻璃管液位計測量儀表設定值控制器人工控制自動控制（AUTOMATION）蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統示意圖加熱爐的溫度控制系統蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統示意圖術語被控過程（被控對象）：自動控制系統中，工藝參數需要控制的生產過程、設備或機器。被控變量：被控過程內要求保持設定值的工藝參數被控對象：汽包被控變量：汽包液位操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量擾動：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素操縱變量：水的流量擾動：水壓力、蒸汽壓力蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統示意圖設定值：工藝參數所要求保持的數值偏差：被控變量設定值與實際值之差負反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統示意圖加熱爐的溫度控制系統被控過程：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等控制系統的4個基本環節：被控對象、檢測儀表(測量變送環節)、控制器、執行器進料口執行器變送器調節器1.2.2閉環控制與開環控制閉環控制：在反饋控制系統中，被控變量送回輸入端，與設定值進行比較，根據偏差進行控制，控制被控變量，這樣，整個系統構成了一個閉環。閉環控制的特點（優點）：按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變量與設定值一致的目的。

閉環控制的缺點：控制不夠及時；如果系統內部各環節配合不當，系統會引起劇烈震蕩，甚至會使系統失去控制。開環控制：

開環控制的特點（優點）：不需要對被控變量進行測量，只根據輸入信號進行控制，控制很及時。開環控制的缺點：由于不測量被控變量，也不與設定值相比較，所以系統受到擾動作用后，被控變量偏離設定值，并無法消除偏差，這是開環控制的缺點。

開環的液位控制系統（按擾動控制，又稱前饋控制）開環控制舉例

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統示意圖1.2.3自動控制系統的組成及方框圖

在研究自動控制系統時，為了更清楚的表示控制系統各環節的組成、特性和相互間的信號聯系，一般都采用方框圖。每個方框表示組成系統的一個環節，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯系；進入方框的信號為環節輸入，離開方框的為環節輸出。閉環控制系統組成檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉化為測量值y(t)。比較機構的作用是比較設定值r(t)與測量值y(t)并輸出其差值。控制裝置的作用是根據偏差的正負、大小及變化情況，按某種預定的控制規律給出控制作用u(t)。比較機構和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應地去改變操縱變量q(t)。

系統中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。閉環控制系統組成在分析控制系統的工作過程時，有幾個很重要的概念：（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是實際的物理量，但它們是作為信息來轉換和作用的。圖中的每一部分稱為一個環節，作用于它的信息稱為該環節的輸入信號，它送出的信息稱為輸出信號。前一環節的輸出就是后一環節的輸入信號。每一環節的輸出信號與輸入信號之間的關系僅僅取決于該環節的特性。從整個系統來看，輸入信號：設定值和擾動輸出信號：被控變量、測量值（2）閉環：按信息的流向來說（3）動態：物理量是時間的函數、是不斷變化的。擾動作用使被控變量偏離設定值，控制作用又使它回到設定值。閉環控制系統組成控制系統的方塊圖：調節器被控對象測量變送裝置+－SP執行器控制器被控對象測量變送裝置+－SP執行器4～20mA4～20mA控制系統的方塊圖：調節器被控對象測量變送裝置+－SP執行器調節器+－SP廣義對象執行器、被控對象及測量變送環節統稱為廣義對象

自動控制系統的方塊圖又稱為信號流程圖，注意與工藝流程圖是不一樣的。在畫方塊圖的時間請注意：1、箭頭；2、方塊；3、布局；4、負反饋的信號。1.2.4自動控制系統的分類按設定值的不同情況，將自動控制系統分為三類:

定值控制系統、隨動控制系統、程序控制系統。定值控制系統

設定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統稱為定值控制系統。

隨動控制系統

設定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統

設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數，即根據需要按一定時間程序變化SPtSPtSPt給定值的形式：還可以根據被測變量的類型、系統的復雜程度、系統克服干擾的方法來對自動控制系統進行分類。按系統輸出信號對操縱變量影響劃分閉環控制（輸出信號會返回并影響控制信號）與開環控制（輸出信號不影響控制信號）。按系統克服干擾的方法劃分反饋控制系統、前饋控制系統、前饋-反饋控制系統。按系統的復雜程度劃分簡單控制系統（單回路）與復雜控制系統（串級、比值、前饋、分程等）按被測參數的類型分壓力、溫度、流量、物位、成分等。注意每種分類方法不是絕對的，幾種分類方法可以交叉進行1.2.5管道、儀表流程圖（P&ID）

ATTENTION

管道、儀表流程圖的圖形符號不是完全標準一致的，國內與國外、不同設計單位之間、甚至不同設計人員之間，有些方面會有不同的標注習慣，一般來說P&ID圖會有圖例給出。例如，國內設計院一般較少用多個圓相切的形式來表示復合儀表，而國外則更常見。儀表符號除了圖形之外，圓圈之中還應有一串有字母和數字組成的代號稱為“儀表位號”。例如：PIC－207TRC－210……字母代號

字母編號寫在圓圈的上半部第一位字母表示被測變量后繼字母表示儀表的功能

PIC－207壓力指示控制數字代號

數字編號寫在圓圈的下半部第一位數字表示段號后續數字(二位或三位數字)表示儀表序號。第2工段儀表序號為07控制流程圖符號意義序號安裝位置圖形符號備注序號安裝位置圖形符號備注1就地安裝儀表4集中儀表盤后安裝儀表嵌在管道中2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤后安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表控制流程圖字母意義字母第一位字母后繼字母字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能被測變量修飾詞功能A分析報警P壓力C電導率控制Q數量積分累積D密度差R放射性記錄E電壓S速度安全開關F流量比T溫度傳送I電流指示V粘度閥K時間W力L物位YM水分Z位置執行機構1.3自動控制系統的過渡過程及品質指標1.3.1靜態與動態

控制系統的輸入有設定作用和擾動作用。靜態（定態）：當輸入恒定不變時，整個系統若能建立平衡，系統中各個環節將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止狀態。此時輸入與輸出之間的關系稱為系統的靜態特性。環節的靜態特性動態：由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關系稱為系統的動態特性。也就是說，從輸入開始，經過控制直到再建立靜態，在這段時間中，整個系統的各個環節和變量都處于變化的過程之中，這種狀態稱為動態。環節的動態特性fqy(一對矛盾)統一（系統穩定），靜態不統一（系統不穩定），動態系統的靜態與動態靜態是相對的，動態是絕對的。研究動態的目的是為了達到我們所希望的靜態。ft階躍式ft矩形波ft正弦波ft斜坡式ft脈沖式1.3.2干擾的形式一般選擇階躍干擾，主要原因有：突發性強，有代表性；時間長，對被控變量的影響大；工程上容易實現且容易計算。1.3.3自動控制系統的過渡過程

當自動控制系統的輸入發生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統的過渡過程。也就是系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。

對于一個穩定的系統（所有正常工作的反饋系統都是穩定系統）要分析其穩定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經常遇到，且這類輸入變化對系統來講是比較嚴重的情況。

定值控制系統過渡過程的幾種形式(階躍擾動)

發散振蕩單調發散等幅振蕩衰減振蕩單調衰減單項控制指標（僅適用于衰減振蕩過程）穩定性、準確性和快速性1.3.3自動控制系統的品質指標綜合控制指標最大動態偏差或超調量是描述被控變量偏離設定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩定性的一個動態指標。

對于定值控制系統，過渡過程的最大動態偏差是指被控變量第一個波的峰值與設定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值。為A

（1）最大動態偏差（emax）或超調量（）CtyBB’A0穩態特性最大偏差表示系統瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩定正常生產越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。

同時考慮到干擾會不斷出現，當第一個干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時，要根據工藝情況慎重選擇。在設定作用下的控制系統（隨動控制系統）中，通常采用超調量這個指標來表示被控變量偏離設定值的程度，一般超調量以百分數給出。A超調量定義：第一個波的峰值與最終穩態值之差，即B=A-C,如果系統的新穩態值等于設定值，那么最大偏差就等于超調量。ytBB’C0衰減比是衡量過渡過程穩定性的動態指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩態特性衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統的穩定度也越高，當n趨于無窮大時，控制系統的過渡過程接近于非振蕩過程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發散振蕩。n越小，意味著控制系統的振蕩過程越劇烈，穩定度也越低，理論上來說，n趨向于無窮大最好。但這樣不利于操作人員工作。從管理和速度方面考慮，n值選擇在4：1——10：1。我國目前多用4：1過程，這個過程不是最優的過程，但卻是操作人員所希望的也最熟悉的過程。根據實際操作經驗，為保持足夠的穩定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應的衰減比在4:1到10:1的范圍內。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩態特性（3）余差定義：控制系統過渡過程終了時設定值與被控變量穩態值之差。

余差是反映控制準確性的一個重要穩態指標，一般希望其為零，或不超過預定的范圍。上圖中，

在控制系統中，對余差的要求取決于生產過程的要求，并不是越小越好。例如儲槽液位，余差可大一些；化學反應器的溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0穩態特性（4）回復時間（過渡時間）回復時間表示控制系統過渡過程的長短。定義：控制系統在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩態值達到新的穩態值所需要的時間。理論上講，控制系統要完全達到新的平衡狀態需要無限長的時間。CtyBB’A0穩態特性實際上，被控變量接近于新穩態值的或或的范圍內且不再越出時為止所經歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。ytBB’5%A0Ts（5）振蕩頻率（或振蕩周期）在衰減比相同條件下，周期與過渡時間成正比；振蕩頻率與回復時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數稱為振蕩頻率。其它一些次要指標：振蕩次數：是指在過渡過程內被控變量振蕩的次數。“理想過渡過程兩個波”：是指過渡過程振蕩兩次就能穩定下來。上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。CtyBB’A0穩態特性總結：主要指標有：最大偏差、衰減比、余差、過渡時間。在實際的系統中如何確定這些指標，要根據實際情況來定。原則：對生產過程有決定性意義的主要品質指標應該優先保證。自