第二章 过程控制系统,第一节 自动检测系统 第二节 自动控制系统概述 第三节 自动控制系统 第四节 自动信号报警与联锁保护系统,第一节 自动检测系统,一、自动检测系统的组成,检测对象,检测环节,信号转换处理环节,显示环节,二、自动检测系统的种类,（一）按被检测的变量不同分类,压力检测系统,温度检测系统,物位检测系统,流量检测系统,成分检测系统,（二）按显示地点不同分类 1就地显示的自动检测系统 这种检测系统的检测环节与信号转换处理环节及显示环节一般是合为一体的，即构成了一块就地显示仪表，由这种就地显示仪表与检测对象一起构成的就是就地显示的自动检测系统。,图2-1 就地显示的自动检测系统组成框图,（二）按显示地点不同分类 远传显示的自动检测系统 这种检测系统的检测环节（检测仪表）在现场，而显示环节（显示仪表）则安装在控制室（通常称现场仪表为一次表，控制室仪表为二次表），而转换处理环节可以是输出统一标准信号的变送器也可以是输出非统一标准信号的器。,现场（一次表）,控制室（二次表）,变送器或传感器,（二）按显示地点不同分类 远传显示的自动检测系统 （1）非统一信号的远传显示自动检测系统 （2）统一信号的远传显示自动检测系统,第二节 自动控制系统概述,一、自动控制系统的组成,一、自动控制系统的组成 被控变量y是指需要控制的工艺变量。 设定值x是被控变量的希望值。 偏差e是指设定值与被控变量的测量值之差。 操纵变量q是由控制器操纵，用于控制被控变量的物理量。 扰动f除操纵变量外，作用于过程并引起被控变量变化的因素。,一、自动控制系统的组成 对象指需要控制其工艺变量的工业过程、设备或装置。 检测元件和变送器其作用是把被控变量转化为测量值。 比较机构作用是将设定值与测量值比较并产生偏差； 控制器作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按预定的控制规律实施控制作用。 执行器也叫控制阀。作用是接受控制器送来的信号，相应地去改变操纵变量。,二、自动控制系统的种类,1按控制系统的基本结构 （1）闭环控制系统 控制作用会影响到输出（被控变量），而测量、变送器又将这个输出送回到控制系统的输入端。这样控制系统就形成了一个闭合的环路，称闭环控制系统。 （2）开环控制系统 若系统的输出信号不反馈到输入端，也就不能形成闭合回路，这样的系统就称为开环控制系统。,二、自动控制系统的种类,2按设定值的情况不同 （1）定值控制系统 是指设定值恒定的控制系统。其基本任务是克服扰动对被控变量的影响，使被控变量保持在设定值。 （2）随动控制系统 也称自动跟踪系统。这类系统的特点是设定值不断地变化，而且这种变化是随机的、不可预知的。随动系统的主要任务是使被控变量能尽快地、准确地跟踪设定值的变化。 （3）程序控制系统 其设定值也是变化的，但它是时间的已知函数，即设定值按人规定的时间程序变化。,3.按被控变量来分类,4.按控制器所具有的控制规律来分类,5.从控制系统构成的复杂程度,三、自动控制系统的过渡过程和品质指标,（一）控制系统的过渡过程 系统的静态 :被控变量不随时间变化的稳定状态称为系统的静态。 系统的动态 :把被控变量随时间变化的不稳定状态称为系统的动态。 控制系统的过渡过程 :把被控变量从受扰动影响开始，到控制系统将其调回到新的稳定状态为止的变化过程称为控制系统的过渡过程，即系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的中间过程。,五种过渡过程,等幅振荡,发散振荡,衰减振荡,单调发散,发散收敛,振幅小时可取,不可取,理想状态,均匀控制采用,不可取,名 称,特 性,三、自动控制系统的过渡过程和品质指标,（二）控制系统的品质指标（针对定值系统）,最大偏差,超调量,超调量,超调量,振荡周期,余差,1最大偏差A（或超调量B） 是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。 （1）是用被控变量偏离设定值的最大程度来描述，即最大偏差，用图A表示。 （2）用被控变量偏离新稳态值C的最大程度来描述，即超调量，用图B表示。 2衰减比n 是衡量控制系统稳定性的一个动态指标。它是指过渡过程曲线同方向相邻两个峰值之比。一般认为，衰减比为4:1至10:1为宜。,3余差C 是衡量控制系统控制准确性的稳态指标。是指被控变量的设定值x与过渡过程终了时的新稳态值 y（）之差，用C表示。 C=xy（） 4振荡周期T（或振荡频率f） 是衡量控制系统控制速度的品质指标。将过渡过程曲线相邻两波峰之间的时间称作振荡周期，用T表示。其倒数称为工作频率，用f表示。,四、控制对象的特性,对象特性 ：是指对象在输入信号作用下，其输出变量（即被控变量）随时间变化的特性。通常，对象可以看作有两种输入，即操纵变量的输入信号和外界扰动信号。 操纵变量对被控变量的作用途径称为控制通道。 扰动信号对被控变量的作用途径称为扰动通道。,四、控制对象的特性,1放大系数K 放大系数是指输出信号（被控变量）的变化量与引起该变化的阶跃输入信号（操纵变量的变化量或扰动信号的变化量）的比值。其中与前者的比值称为控制通道的放大系数，用K0表示；而与后者的比值称为扰动通道的放大系数，用Kf表示。 K0 控制作用(多种控制手段 ) Kf 干扰影响(多种扰动 ),四、控制对象的特性,2时间常数T 时间常数是反映对象在输入变量作用下，被控变量变化快慢的一个参数。时间常数越大，在阶跃输入作用下，被控变量变化得越慢，达到新的稳态值所需的时间就越长。,四、控制对象的特性,3滞后时间 滞后是指对象的输出变化落后于输入变化的现象。滞后时间就是描述对象滞后现象的动态参数。 纯滞后时间0（纯滞后是由距离与速度引起的滞后） 容量滞后时间C（容量滞后是多容对象的固有属性，对象的容量个数越多，其容量滞后就越大）。 控制通道 控制作用 扰动通道 控制作用,五、基本控制规律及其对过渡过程的影响,（一）基本控制规律 控制规律，就是指控制器输出的变化量p（t）随输入偏差e（t）变化的规律。控制规律的描述通常有表达式和阶跃响应曲线两种方式。 基本控制规律有双位控制、比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制（D）等。,（一）基本控制规律,1比例控制（P） （1）比例控制规律： 定义：控制器输出的变化量与被控变量的偏差成比例的控制规律。 表达式： 阶跃响应曲线,1比例控制（P）,（2）比例度 定义：调节器的输入变化量相对于输入信号范围占相应的输出变化量相对于输出信号范围的百分数。,1比例控制（P）,比例调节规律特点 ： 比例控制作用及时迅速。只要有偏差出现，比例调节器就立刻产生输出，且只要有偏差存在，调节器就一直有与偏差成比例的输出变化 比例控制作用将会使系统出现余差。因为比例控制的输出与输入成比例关系。不为零的输出，就要求不为零的输入。所以偏差不为零，故控制结果出现余差。 比例度越小（比例增益越大），余差越小，比例度过小，产生振荡，甚至发散 相同比例度时，干扰越大，余差越大。粗调，适用于对精度要求不高的系统。,2比例积分控制（PI）,定义：积分作用的输出与偏差对时间的积分成比例关系。 公式： 阶跃响应特性曲线：,特点 a、积分调节速度慢，调节不及时。即使有一个较大的偏差，由于开始时积分作用总是很小，即开始时调节作用太弱，从而造成调节不及时。故积分作用不单独使用。 b、积分作用能消除余差。由上式，只要偏差不等于零，积分作用的输出就会随时间不断地变化，只有当偏差等于零时，输出才会稳定。称为细调。,2比例积分控制（PI）,2比例积分控制（PI）,a、积分时间 积分时间对过渡过程的影响：TI ，积分作用越弱 b、 TI的定义： 在阶跃信号作用下，积分作用的输出值变化到等于比例作用的输出值所经历的时间就是积分时间。 c、 TI的测定方法 从给PI控制器（若是PID控制器，预先除去微分作用）加入一个适当幅度的阶跃信号开始到积分作用的输出变化到等于比例作用的输出为止，这段时间t就是实际积分时间,3比例积分微分控制（PID）,（1）微分控制规律 定义：调节器的微分作用的输出与偏差变化的速度成正比。 公式： 阶跃响应特性曲线：,（1）微分控制规律 特点： A、偏差变化越大，则微分作用的输出越大。 B、对于一个固定不变的偏差x不管它有多大， yD0是一种理想的微分作用，因此不能单独作为调节规律使用。,3比例积分微分控制（PID）,（2）实际的比例微分控制规律,公式： 阶跃响应曲线：,微分时间常数 指在阶跃偏差A作用下，比例微分作用的输出立即上跳到KpKdA，然后按指数规律慢慢下降，当下降了微分部分的63.2%时，所经历的时间，就是微分时间常数。而微分时间Td=Kd。实际工作中，通常用这一方法测定Td的大小。 微分调节规律的特点 由于微分作用的输出与成正比，这种根据偏差变化的趋势，提前采取的调节措施称为“超前调节”（预调）。 由于微分作用具有超前的特点，因此微分作用如果使用得当，可以使被控变量的超调量减小，操作周期和回复时间缩短，系统的质量得到提高，特别使对滞后大的对象，效果更显著。,（4）比例积分微分控制规律,公式： 阶跃响应曲线：,4数字PID控制,模拟信号离散化,（二）控制器参数对过渡过程的影响,1对过渡过程的影响,越小,比例作用越强,最大偏差（超调量）减小,振荡周期减小,余差减小,衰减比减小,的大致范围是： 压力对象3070%；流量对象40100%； 液位对象2080%；温度对象2060%。,2Ti对过渡过程的影响,Ti,积分作用,纯比例控制,存在余差,Ti,积分作用,消除余差,震荡剧烈,对于管道压力、流量等滞后不大对象，Ti可选得小一些 温度对象的滞后较大，Ti可选取大一些。,（二）控制器参数对过渡过程的影响,3Td对过渡过程的影响,Td ,微分作用,动态偏差余差,稳定性,Td ,微分作用,动态偏差余差,稳定性,1为PD作用 2为PID作用 3为P作用 4为PI作用 5为I作用,第三节 自动控制系统,一、简单控制系统 二、复杂控制系统,一、简单控制系统,（一）简单控制系统的组成 1组成：,2特点： 构成简单、仪表的数量少、 投资小、 操作维护也比较方便 在一般情况下，都能满足控制质量的要求。 使用量约占控制系统比例的80%以上。,一、简单控制系统,（二）简单控制系统方案的确定 1步骤： （1）确定被控变量，在被控制变量所在的设备上确定检测点 （2）确定操纵变量，在操纵变量所在的管线上放上执行器 （3）在二者之间联上控制器 就构成了简单的控制系统,一、简单控制系统,2被控变量的选择 （1）被控变量一定是反映工艺操作指标或状态的重要参数。 （2）若工艺变量本身（如T、P、F、H等）就是要求控制的指标（称直接指标），则应尽量选用直接控制指标为被控变量。 （3）如果直接指标无法获得或很难获得，则应选用与直接指标有单值对应关系且反应又快的间接指标为被控变量。 （4）被控变量应是为保持生产稳定，需要经常控制的变量。 （5）被控变量一般应该是独立可控的，不至因调整它而引起其它变量的明显变化、发生关联作用而影响系统稳定。 （6）被控变量应是易于测量 、灵敏度足够大的变量。,一、简单控制系统,3操纵变量的选择 （1）所选的操纵变量应对被控变量的影响大、反应灵敏，且使控制通道的放大系数大、时间常数小、滞后小，保证控制作用有力、及时。 （2）所选的操纵变量应使扰动通道的时间常数尽量大，放大系数尽量小。执行器尽量靠近扰动输入点，以减小扰动的影响。 （3）操纵变量的选择，要考虑工艺上的合理性，一般避免用主物料流量作为操纵变量。换言之是要选择工艺上合理且允许调整又可控制的变量。,一、简单控制系统,二、复杂控制系统,（一）串级控制系统 串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。,系统能把所有的扰动都包括在控制回路之中，并用一个温度调节器来教正扰动的影响,（一）串级控制系统 组成：串级控制系统中有两个测量、变送器，两个控制器，两个对象，一个控制阀。,二、复杂控