1、過程控制系統過程控制系統第第1 1章章 緒論緒論天津大學電氣與自動化工程學院天津大學電氣與自動化工程學院孫立軍孫立軍1. 學時：學時：56學時。學時。2. 教材：郭一楠教材：郭一楠，過程控制系統，機械工業出版社，過程控制系統，機械工業出版社，2009。3. 參考書：參考書：邵裕森，戴先中，過程控制工程，第邵裕森，戴先中，過程控制工程，第2版，機械工版，機械工業出版社，業出版社，2000；潘永湘，楊延西，趙躍，過程控制與自動化儀表，潘永湘，楊延西，趙躍，過程控制與自動化儀表，第第2版，版，2007； 邵裕森，巴筱云主編，過程控制系統及儀表，機械邵裕森，巴筱云主編，過程控制系統及儀表，機械工業出版

2、社；工業出版社； 金以慧主編，過程控制，清華大學出版社；金以慧主編，過程控制，清華大學出版社； 課件課件過程控制系統課程基本信息過程控制系統課程基本信息過程控制系統課程要求過程控制系統課程要求 參加聽課是參加聽課是必要條件必要條件； 互動是提高課程學習的潤滑劑；互動是提高課程學習的潤滑劑； 作業是充分條件；作業是充分條件； 平時占平時占10-20%，最后考試占，最后考試占80-90%。過程控制系統課程的主要內容過程控制系統課程的主要內容第第1章章 緒論；緒論；第第2章章 被控過程特性及其數學模型被控過程特性及其數學模型第第4章章 執行器執行器第第6章章 PID控制器設計及參數控制器設計及參數第

3、第7章章 復雜控制系統（復雜控制系統（第一、二節，其他自學）第一、二節，其他自學）第第10章章 過程控制工程應用實例（選講）過程控制工程應用實例（選講）液位液位Liquid level(L)溫度溫度Temperature(T)壓力壓力Pressure(P)成分：成分：L流量：流量：F流量：流量：Fl 定壓預熱過程定壓預熱過程a-b（由（由273.15 K的水加熱到溫度為的水加熱到溫度為Ts)；l 定壓汽化過程定壓汽化過程b-c-d（由（由Ts的水到全部變為的水到全部變為Ts的飽和的飽和汽）；汽）；l 飽和蒸汽的飽和蒸汽的定壓過熱定壓過熱d-e（由（由Ts的飽和蒸汽變到溫度為的飽和蒸汽變到溫度為

4、T的過熱蒸汽）。的過熱蒸汽）。 水蒸汽的發生全過程水蒸汽的發生全過程 真實氣體真實氣體飽和蒸汽密度表飽和蒸汽密度表或或 絕對壓力絕對壓力飽和蒸汽溫度飽和蒸汽溫度飽和蒸汽密度飽和蒸汽密度絕對壓力絕對壓力飽和蒸汽溫度飽和蒸汽溫度飽和蒸汽密度飽和蒸汽密度MPakg/m3MPakg/m30.199.70.58831.41957.10380.2120.11.12881.5198.37.59280.3133.41.65071.6201.48.0820.4143.52.16281.7204.38.57180.5151.82.66831.8207.19.06160.6158.83.16921.9209.89.

5、5520.7164.93.66652.0212.410.0430.8170.44.16162.1214.810.5350.9174.34.65442.2217.211.0281.0179.95.14512.3219.511.5211.1184.15.63672.4221.812.0161.2187.96.1252.5223.912.5111.3191.66.6143)(pf)(tf真實氣體真實氣體過熱蒸汽密度表過熱蒸汽密度表3/mkg 溫溫 度（度（） 壓力壓力(MPa)150 2002503003504000.11.040.930.830.760.690.650.21.581.391.251

6、.141.050.970.32.121.871.681.521.401.290.42.352.111.911.751.620.52.842.542.302.111.950.63.332.972.692.462.270.73.833.413.082.822.600.94.864.303.883.543.261.15.915.204.674.263.921.47.556.585.895.364.931.98.987.977.216.622.411.4910.119.118.332.914.1712.3211.0510.073.417.0314.6113.0211.843.916.9915.0513

7、.634.922.0719.2617.306.330.08 25.5322.66),(tpf1.1 定義定義 生產過程中自動生產過程中自動控制系統的被控變控制系統的被控變量是量是溫度、壓力、溫度、壓力、流量、液位、成份流量、液位、成份等這樣一些變量的等這樣一些變量的系統。系統。這些變量和速度、這些變量和速度、位置及加速度相比位置及加速度相比有什么特點？有什么特點？為什么要學習過程控制？為什么要學習過程控制？作為作為工程師工程師需要掌握的基本問題。需要掌握的基本問題。對于一個專家有許多令人興奮的職對于一個專家有許多令人興奮的職業業機會機會。 在一個動態的過程中，如何能夠將在一個動態的過程中，如何

8、能夠將溫度和溫度和液位液位保持在需要的值？保持在需要的值？ 如果如果原材料的性能改變原材料的性能改變，如何能夠使制造，如何能夠使制造的產品始終保持高質量？的產品始終保持高質量？ 對于一個危險的狀況，必須在對于一個危險的狀況，必須在多少時間多少時間內內響應？響應？為什么要學習過程控制？為什么要學習過程控制？學習如何去學習如何去實現實現一個生產過程，是很有意思的。一個生產過程，是很有意思的。隨著學習的深入，我們將學會設計及能夠保證隨著學習的深入，我們將學會設計及能夠保證安全生產，又可以保證產品質量的系統裝置。安全生產，又可以保證產品質量的系統裝置。 首先要進行穩態的分析，因為它是比較容易和重首先要

9、進行穩態的分析，因為它是比較容易和重要的。要的。 同時要掌握在一些基本的生產過程中（如：流動、同時要掌握在一些基本的生產過程中（如：流動、熱傳導、溫度過程和化工過程）的專門技術，用一熱傳導、溫度過程和化工過程）的專門技術，用一些具體的事例來實現控制。些具體的事例來實現控制。 在掌握綜合的設計過程之前，需要掌握如何實現在掌握綜合的設計過程之前，需要掌握如何實現控制。控制。什么是控制系統？什么是控制系統？先來看一些具體例子，再得出一些基本的概念。先來看一些具體例子，再得出一些基本的概念。l 如何開車？如何開車？l 如果不看擋風玻璃外，如果不看擋風玻璃外，能否開車？能否開車？l 設計汽車時什么是必須

10、設計汽車時什么是必須提供的？提供的？l 如果不要方向盤，你能如果不要方向盤，你能有一個更好的設計嗎？有一個更好的設計嗎？先來看一些具體例子，再得出一些基本的概念。先來看一些具體例子，再得出一些基本的概念。l 如何使房間保暖？如何使房間保暖？l 溫度有什么樣的動溫度有什么樣的動態特性？態特性？l 設計房間時什么是設計房間時什么是必須提供的？必須提供的？l 如果不要加熱的機如果不要加熱的機構，你能有一個更好構，你能有一個更好的設計嗎？的設計嗎？什么是控制系統？什么是控制系統？在生產過程中，所有的變量像這樣是在生產過程中，所有的變量像這樣是否足夠好？否足夠好？如果選擇是如果選擇是“好好”，我們的課程

11、就可，我們的課程就可以結束了！以結束了！什么是控制系統？什么是控制系統？在控制系統中有三個基本部分，分別用來在控制系統中有三個基本部分，分別用來模擬人的眼、腦、手的功能模擬人的眼、腦、手的功能 。什么是控制系統？什么是控制系統？怎樣選擇傳感怎樣選擇傳感器的位置？器的位置？在生產過程中，典在生產過程中，典型的執行器有哪些？型的執行器有哪些？在這里在這里“箭頭箭頭”代表什么？代表什么？什么是控制系統？什么是控制系統？ 自動控制系統這三部分可以說是構成了自動控自動控制系統這三部分可以說是構成了自動控制系統了嗎？制系統了嗎？ 在自動控制系統中，除了上述三部分自動化裝在自動控制系統中，除了上述三部分自動

12、化裝置之外，還必須具有所要控制的生產設備，才能構置之外，還必須具有所要控制的生產設備，才能構成一個自動控制系統。成一個自動控制系統。 所要控制的生產設備稱為：所要控制的生產設備稱為：被控對象。被控對象。 在在化工生產中的化工生產中的被控對象有：被控對象有：各種塔器、反應各種塔器、反應器、換熱器、各種泵、容器、管路等。器、換熱器、各種泵、容器、管路等。 自動控制系統是由：測量元件與變送器、自動自動控制系統是由：測量元件與變送器、自動調節控制器、執行器（調節閥）、被控對象的閉環調節控制器、執行器（調節閥）、被控對象的閉環回路構成。回路構成。什么是控制系統？什么是控制系統？控制控制（動詞）（動詞）：

13、通過調整系統中選擇的變量，使一通過調整系統中選擇的變量，使一個物理過程保持希望的狀態。個物理過程保持希望的狀態。反饋控制：反饋控制：用系統的輸出影響系統的輸入。用系統的輸出影響系統的輸入。輸入輸入=動機動機輸出輸出=效果效果什么是控制系統？什么是控制系統？過熱蒸汽溫度控制系統過熱蒸汽溫度控制系統 控制流程圖控制流程圖過熱蒸汽溫度控制系統過熱蒸汽溫度控制系統 框圖框圖 被控變量：被控變量：能夠體現系統性能或者最終產品質量能夠體現系統性能或者最終產品質量的參數，也稱為的參數，也稱為輸出變量輸出變量。 控制變量控制變量：不斷進行調整從而確保被控變量保持：不斷進行調整從而確保被控變量保持在設定點的在設

14、定點的輸入變量輸入變量。 干擾變量干擾變量：也稱為負載變量，即使得被控變量偏：也稱為負載變量，即使得被控變量偏離各自設定點的離各自設定點的輸入變量輸入變量。 設定值的變化設定值的變化：控制系統要求發生變化。：控制系統要求發生變化。 設定設定值發生變化，控制變量進行相應的調整從而達到新值發生變化，控制變量進行相應的調整從而達到新的控制要求。也稱為的控制要求。也稱為伺服系統伺服系統。 干擾量的變化干擾量的變化：發生干擾時的短暫的校正控制行：發生干擾時的短暫的校正控制行為，也稱為為，也稱為調整控制調整控制或或負載變化負載變化。一個控制系統必。一個控制系統必須能夠在發生干擾的情況下恢復每一個被控參量值

15、須能夠在發生干擾的情況下恢復每一個被控參量值到其要求的控制點。到其要求的控制點。什么是控制系統？什么是控制系統？控制專業詞匯控制專業詞匯(1) 被控變量被控變量（亦稱系統輸出）（亦稱系統輸出）y(t)：被控過程內要求保持穩被控過程內要求保持穩定的工藝參數；定的工藝參數；(2) 控制變量控制變量（亦稱操作變量控（亦稱操作變量控制介質）制介質）q(t)：使被控變量保使被控變量保持期望值的持期望值的物料量或能量物料量或能量；(3) 干擾量干擾量f(t)：除被控變量外，除被控變量外，作用于被控過程并引起被控作用于被控過程并引起被控變量變化的各種因數；變量變化的各種因數；(4) 設定值設定值r(t)：與

16、被控變量相與被控變量相對應的設定值；對應的設定值；(5) 反饋值反饋值z(t)：被控變量經測被控變量經測量變送后的實際測量值；量變送后的實際測量值；(6) 偏差偏差e(t)：設定值與反饋值設定值與反饋值之差；之差；(7) 控制作用控制作用u(t)：控制器的輸控制器的輸出值。出值。什么是控制系統？什么是控制系統？控制專業詞匯控制專業詞匯注意：注意：在常用的術語中有一些共同的錯誤。在常用的術語中有一些共同的錯誤。一般的語言一般的語言工程與科學用語工程與科學用語負反饋：負反饋：這佯做，是一這佯做，是一個愚蠢的做法。個愚蠢的做法。正反饋：正反饋：這是一個很好這是一個很好的做法，謝謝你。的做法，謝謝你。

17、負反饋：負反饋：作用可以減少作用可以減少距離希望的誤差。距離希望的誤差。正反饋：正反饋：作用可以增加作用可以增加距離希望的誤差。距離希望的誤差。好！好！什么是控制系統？什么是控制系統？為什么控制是必須的？為什么控制是必須的？一個詞：一個詞：擾動！擾動！連續攪動水箱式反應器。連續攪動水箱式反應器。希望達到下面的要求：希望達到下面的要求： 安全安全 環境保護環境保護 設備保護設備保護 平穩操作平穩操作 產品質量產品質量 利潤利潤 監控和診斷監控和診斷釜式反應器釜式反應器一種低高徑比的一種低高徑比的圓筒形反應器圓筒形反應器，用于實現液相單相，用于實現液相單相反應過程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反

18、應過程。反應過程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應過程。器內常設有攪拌（機械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高器內常設有攪拌（機械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應過程中物料需徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應過程中物料需加熱或冷卻時，可在反應器壁處設置夾套，或在器內設加熱或冷卻時，可在反應器壁處設置夾套，或在器內設置換熱面，也可通過外循環進行換熱。置換熱面，也可通過外循環進行換熱。 釜式反應器按操作方式可分為：釜式反應器按操作方式可分為：間歇釜式反應器，或稱間歇釜。間歇釜式反應器，或稱間歇釜。 操作靈活，易于適應不同操作條件和產品品種，適用于小操作靈活，易于適應不

19、同操作條件和產品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產。間歇釜的缺點是：批量、多品種、反應時間較長的產品生產。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作需有裝料和卸料等輔助操作，產品質量也不易穩定。但有些反，產品質量也不易穩定。但有些反應過程，如一些發酵反應和聚合反應，實現連續生產尚有困難，應過程，如一些發酵反應和聚合反應，實現連續生產尚有困難，至今還采用間歇釜。至今還采用間歇釜。連續釜式反應器，或稱連續釜。連續釜式反應器，或稱連續釜。 可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內流體的返混。可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的

20、場合，釜內在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內物料流型可視作全混流，反應釜相應地稱作全混釜。在要求轉物料流型可視作全混流，反應釜相應地稱作全混釜。在要求轉化率高或有串聯副反應的場合，釜式反應器中的返混現象是不化率高或有串聯副反應的場合，釜式反應器中的返混現象是不利因素。此時可采用利因素。此時可采用多釜串聯反應器多釜串聯反應器，以減小返混的不利影響，以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應條件。并可分釜控制反應條件。半連續釜式反應器。半連續釜式反應器。指一種原料指一種原料一次一次加入，另一種原料加入，另一種原料連續加入連續加入的反應器，其的反應器，其特性介于間歇釜和連續釜之間。特

21、性介于間歇釜和連續釜之間。為什么控制是必須的？為什么控制是必須的？一個詞：一個詞：擾動！擾動！精餾塔！精餾塔！希望達到下面的要求：希望達到下面的要求： 安全安全 環境保護環境保護 設備保護設備保護 平穩操作平穩操作 產品質量產品質量 利潤利潤 監控和診斷監控和診斷精餾原理精餾原理 :蒸餾的基本原理是將蒸餾的基本原理是將液體混合物部分氣化液體混合物部分氣化,利用其中利用其中各組份揮發度不同的特性，實現分離目的的單元操作。蒸餾按各組份揮發度不同的特性，實現分離目的的單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。 精餾塔：

22、精餾塔：是進行精餾的一種是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據操作方式又可分為連續有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據操作方式又可分為連續精餾塔與間歇精餾塔。精餾塔與間歇精餾塔。 蒸氣由塔底進入蒸氣由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發相接觸中，下降液中的易揮發(低沸點低沸點)組分不斷地向組分不斷地向蒸氣中轉移，蒸氣中的難揮發蒸氣中轉移，蒸氣中的難揮發(高沸點高沸點)組分不斷地向組分不斷地向下降液中轉移，蒸氣愈接近塔頂，其易揮發組分濃下降液中轉移，蒸氣愈接近塔頂，其易揮發

23、組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發組分則愈度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發組分則愈富集，富集，達到組分分離的目的達到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸氣進。由塔頂上升的蒸氣進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜殘液取發后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜殘液取出。出。為什么控制是可能的？為什么控制是可能的？在過程設計時，如果

24、工程師提供了需要在過程設計時，如果工程師提供了需要的設備，控制就可以實現。的設備，控制就可以實現。1. 控制設備控制設備為什么控制是可能的？為什么控制是可能的？在過程設計時，如果工程師提供了需要的設備，在過程設計時，如果工程師提供了需要的設備，控制就可以實現。控制就可以實現。2. 過程設備過程設備如何確定如何確定反應器的反應器的容積？容積？如何確定如何確定熱傳導的熱傳導的區域？區域？在什么位置進行控制？在什么位置進行控制？傳統的控制面板傳統的控制面板傳感器、本地傳感器、本地顯示、調節閥顯示、調節閥等。等。在集中控制中心，顯示各變量、在集中控制中心，顯示各變量、計算結果和與現場的通訊等。計算結果

25、和與現場的通訊等。在什么位置進行控制？在什么位置進行控制？現代的計算現代的計算機控制面板機控制面板傳感器、本地傳感器、本地顯示和調節閥顯示和調節閥等。等。在集中控制中心，顯示各變量、在集中控制中心，顯示各變量、計算結果和與現場的通訊等。計算結果和與現場的通訊等。過程控制設計文件的基本要求過程控制設計文件的基本要求 設計文件需要設計文件需要提供工藝過程文件提供工藝過程文件，如，管線、儀，如，管線、儀表等工藝流程框圖。表等工藝流程框圖。 復雜的系統需要復雜的系統需要用文字來描述用文字來描述。 采用采用標準的符號標準的符號。F=Flow， 流量流量L=Level， 液位液位P=Pressure， 壓

26、力壓力T=Temperature，溫度，溫度一些具體實例（一些具體實例（1 1）實現流量手動控制：實現流量手動控制： 典型流量傳感器。典型流量傳感器。 被控過程如何響應被控過程如何響應控制變量？控制變量？ 如果改變控制要求，如果改變控制要求，如何動作？如何動作？流量控制系統流量控制系統一些具體實例（一些具體實例（2 2） 溫度控制系統溫度控制系統熱水器的流程示意圖熱水器的流程示意圖一些具體實例（一些具體實例（2）溫度控制系統溫度控制系統熱水器控制系統框圖熱水器控制系統框圖家庭供熱系統設計家庭供熱系統設計一些具體實例（一些具體實例（2 2）溫度控制系統溫度控制系統一些具體實例（一些具體實例（3）

27、 液位控制系統液位控制系統實現液位手動控制：實現液位手動控制：l 典型液位傳感器。典型液位傳感器。l 被控過程如何響被控過程如何響應控制變量？應控制變量？l 如果改變控制要如果改變控制要求，如何動作？求，如何動作？ 當流入量（或流出量）波動時會引起液罐內液位當流入量（或流出量）波動時會引起液罐內液位的波動，的波動，嚴重時會造成溢出或抽空嚴重時會造成溢出或抽空 。一些具體的實例（一些具體的實例（4 4） 煤氣廠以煤氣廠以標準條件下標準條件下的計量出售煤氣給用戶。如的計量出售煤氣給用戶。如果用孔板流量計測量流出的流量。果用孔板流量計測量流出的流量。 如果煤氣的密度與設計密度相比變化如果煤氣的密度與

28、設計密度相比變化-10%。我們。我們應該怎樣做？應該怎樣做？煤氣計量、控制煤氣計量、控制一些具體的實例（一些具體的實例（5）攪拌加熱罐控制攪拌加熱罐控制-：電子儀表信號：電子儀表信號TT：溫度變送器：溫度變送器TC：溫度控制器：溫度控制器一些具體的實例（一些具體的實例（5）攪拌加熱罐控制攪拌加熱罐控制攪拌加熱罐控制系統框圖攪拌加熱罐控制系統框圖一些具體的實例（一些具體的實例（5）蒸汽加熱罐控制蒸汽加熱罐控制蒸汽加熱罐控制系統框圖蒸汽加熱罐控制系統框圖一些具體的實例（一些具體的實例（6）人工胰腺控制人工胰腺控制葡萄糖葡萄糖設定值設定值控制器控制器傳感器傳感器注射泵注射泵患者患者uyr血糖濃度測定

29、血糖濃度測定一些具體的實例（一些具體的實例（7）典型的連續性系統典型的連續性系統一些具體的實例（一些具體的實例（8）典型的非連續性系統典型的非連續性系統過程控制的目的過程控制的目的 提高生產的產量提高生產的產量 增加高質量產品的收益增加高質量產品的收益 降低能源的消耗降低能源的消耗 降低污染降低污染 降低生產的風險降低生產的風險 提高生產的安全性提高生產的安全性 延長設備壽命延長設備壽命 提高操作性提高操作性 降低勞動量降低勞動量1.2 自動控制系統的分類自動控制系統的分類 按按被控變量被控變量分類為：溫度、壓力、流量、分類為：溫度、壓力、流量、液位等控制系統。液位等控制系統。 按控制器采用的

30、按控制器采用的控制規律控制規律分類為：比例、分類為：比例、比例積分、比例積分微分等控制系統。比例積分、比例積分微分等控制系統。 按被控變量的按被控變量的給定值是否變化給定值是否變化分類為：分類為： 定值控制系統：定值控制系統：生產中，控制系統的作用是使被控變量保生產中，控制系統的作用是使被控變量保持在給定的生產指標上不變。持在給定的生產指標上不變。例如前面所述的液位控制和溫度例如前面所述的液位控制和溫度控制。注：化工生產中大都采用這種控制系統，本課程討論的控制。注：化工生產中大都采用這種控制系統，本課程討論的大部分也都是定值控制系統。大部分也都是定值控制系統。 隨動控制系統：隨動控制系統：生產

31、中，控制系統的作用是使被控變量準生產中，控制系統的作用是使被控變量準確而快速的跟隨給定值的變化而變化。確而快速的跟隨給定值的變化而變化。例如化工生產中的比值例如化工生產中的比值系統，甲流體流量與乙流體流量保持一定的比值；當乙流體流系統，甲流體流量與乙流體流量保持一定的比值；當乙流體流量變化時，甲流體的流量能快速而準確的隨之變化。再如雷達量變化時，甲流體的流量能快速而準確的隨之變化。再如雷達系統、天線接收系統。系統、天線接收系統。 程序控制系統：程序控制系統：生產中，控制系統的給定值是變化的、已生產中，控制系統的給定值是變化的、已知的時間函數；即被控變量按一定的時間程序變化。知的時間函數；即被控

32、變量按一定的時間程序變化。這類系統這類系統在間歇生產過程中應用較普遍。計算機技術的應用為程序控制在間歇生產過程中應用較普遍。計算機技術的應用為程序控制提供了良好的技術條件。提供了良好的技術條件。流量穩定性研究平臺（流量穩定性研究平臺（4#裝置裝置DN15） 水流量標準裝置變頻加容器穩壓系統工藝流程圖水流量標準裝置變頻加容器穩壓系統工藝流程圖 微機過程控制系統基本框圖微機過程控制系統基本框圖 1.3 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標1.3.1 系統靜態與動態系統靜態與動態 靜態靜態被控變量不隨時間而變化的被控變量不隨時間而變化的平衡狀態。平衡狀態。 自動控制系統中

33、的靜態：是指各信號的自動控制系統中的靜態：是指各信號的變化率為零變化率為零；即信號保持在某一常數，此時生產過程進行是平穩即信號保持在某一常數，此時生產過程進行是平穩的、無波動的，而不是指物料的、無波動的，而不是指物料不流動不流動或能量或能量不交換不交換。 例如：例如：液位控制系統液位控制系統，只有當流入液罐的流量與流，只有當流入液罐的流量與流出液罐的流量相等時，液位才能恒定，系統處于靜出液罐的流量相等時，液位才能恒定，系統處于靜態；態；溫度控制系統溫度控制系統，只有當進入換熱器的熱量和由，只有當進入換熱器的熱量和由換熱器出去的熱量相等時，溫度才能恒定，達到了換熱器出去的熱量相等時，溫度才能恒定

34、，達到了平衡狀態，即靜態。平衡狀態，即靜態。 系統的平衡即靜態是系統的平衡即靜態是暫時的、相對的、有條件的。暫時的、相對的、有條件的。 動態動態被控變量隨時間而變化的被控變量隨時間而變化的不平衡狀態。不平衡狀態。 自動控制系統中的動態：自動控制系統中的動態：若一個處于平衡狀態即靜若一個處于平衡狀態即靜態的系統，由于干擾的作用，被控變量發生變化，從態的系統，由于干擾的作用，被控變量發生變化，從而使控制器、控制閥等自動化裝置改變了原有的平衡而使控制器、控制閥等自動化裝置改變了原有的平衡狀態，必定產生一定的控制作用來克服干擾的影響，狀態，必定產生一定的控制作用來克服干擾的影響，使系統恢復平衡。從干擾

35、開始，到系統重新建立平衡使系統恢復平衡。從干擾開始，到系統重新建立平衡的這段時間中，整個系統的的這段時間中，整個系統的各個環節和信號都處于變各個環節和信號都處于變動狀態動狀態當中，這段過程稱為系統的動態。當中，這段過程稱為系統的動態。 系統的不平衡即動態是系統的不平衡即動態是普遍的、絕對的、無條件的。普遍的、絕對的、無條件的。1.3.2 控制系統的過渡過程控制系統的過渡過程過渡過程：過渡過程：是指系統受干擾后，被控變量從平衡態是指系統受干擾后，被控變量從平衡態過渡到另一個平衡態的時間過渡到另一個平衡態的時間變化過程變化過程。這一過程的。這一過程的規律取決于干擾的形式。規律取決于干擾的形式。干擾

36、：干擾：是是指引起被控變量波動的因素指引起被控變量波動的因素。干擾形式多。干擾形式多種多樣，多半屬于隨機性質的。種多樣，多半屬于隨機性質的。在分析和設計系統在分析和設計系統時時，為了安全和方便常選擇一些定性的干擾形式。，為了安全和方便常選擇一些定性的干擾形式。最常用的是最常用的是階躍干擾階躍干擾。階躍干擾：階躍干擾：是指在某一是指在某一瞬間瞬間，干擾突然階躍式，干擾突然階躍式的加到系統上，并保持一定幅度。的加到系統上，并保持一定幅度。階躍干擾作用階躍干擾作用0000ttfttf控制過程的基本形式控制過程的基本形式 過渡過程過渡過程的幾種基本形式的幾種基本形式 非周期衰減過程非周期衰減過程 (a

37、) 衰減振蕩過程衰減振蕩過程 (b) 等幅振蕩過程等幅振蕩過程 (c) 發散振蕩過程發散振蕩過程 (d) 多數情況下，都希望自動多數情況下，都希望自動 控制系統在階躍輸入作下，其控制系統在階躍輸入作下，其過渡過程為過渡過程為衰減振蕩過程衰減振蕩過程。 特殊情況下，希望自動控制系統在階躍輸入作下，過渡過程特殊情況下，希望自動控制系統在階躍輸入作下，過渡過程為為無超調過程無超調過程（一階非周期過程）。（一階非周期過程）。1.3.3 控制系統的性能指標控制系統的性能指標 自動控制系統調節品質的優劣，表示了控自動控制系統調節品質的優劣，表示了控制系統克服外來干擾能力的大小。制系統克服外來干擾能力的大小

38、。 一個控制系統的調節品質，可用控制系統一個控制系統的調節品質，可用控制系統在受到單位階躍輸入作用后，被控變量在控在受到單位階躍輸入作用后，被控變量在控制過程中的變化曲線來分析。制過程中的變化曲線來分析。 常把常把對階躍干擾的反映對階躍干擾的反映作為判別系統抗干作為判別系統抗干擾能力好壞的標準。擾能力好壞的標準。 控制系統的性能指標控制系統的性能指標 綜合性能指標綜合性能指標單項性能指標單項性能指標時域指標時域指標頻域指標頻域指標靜態偏差靜態偏差y( )或或e( )最大動態偏差最大動態偏差ym或超或超調量調量 衰減率衰減率 衰減比衰減比n 過渡過程時間過渡過程時間ts 其它指標其它指標1.3.

39、3 控制系統的性能指標控制系統的性能指標 余差余差 C 最大偏差最大偏差 A 超調量超調量 B 衰減比衰減比 B : B 過渡過程時間過渡過程時間 從干擾作用發生，到系統重新建立新的平衡。從干擾作用發生，到系統重新建立新的平衡。 振蕩周期或頻率振蕩周期或頻率 同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間，其倒數同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間，其倒數為振蕩頻率。為振蕩頻率。 1靜態偏差靜態偏差y( )或或e( )靜態偏差是指被控變量的穩態值與給定值的長靜態偏差是指被控變量的穩態值與給定值的長期偏差。期偏差。e( )= r( )-y( )靜態偏差是衡量控制系統靜態偏差是衡量控制系統準確性準確性的重要指標

40、之的重要指標之一，它反映了控制系統的一，它反映了控制系統的調節精度調節精度。圖中坐標圖中坐標y=0位置對應設定值位置對應設定值2最大動態偏差最大動態偏差ym或超調量或超調量 在定值控制系統中，常用最大動態偏差在定值控制系統中，常用最大動態偏差ym這個指這個指標來衡量標來衡量被控變量偏離給定值被控變量偏離給定值的程度。的程度。 ymy1y() 隨動控制系統常用隨動控制系統常用超調量超調量這個指標來衡量被控制這個指標來衡量被控制量偏離給定值的程度。超調量量偏離給定值的程度。超調量可定義為：可定義為： %1001yy圖中坐標圖中坐標y=0位置對應設定值位置對應設定值3.衰減率衰減率 衰減率是指每經過

41、一個波動周期，被控變量波動衰減率是指每經過一個波動周期，被控變量波動幅值減少的程度。幅值減少的程度。 式中式中 y1偏離穩態值的第一個偏離穩態值的第一個波峰幅值波峰幅值； y3偏離穩態值的第三個波峰幅值。偏離穩態值的第三個波峰幅值。 它常被工程上用來描述過渡過程為衰減振蕩時的它常被工程上用來描述過渡過程為衰減振蕩時的衰減速度衰減速度。131311yyyyy 若若 0，調節過程是，調節過程是發散振蕩發散振蕩，這種系統是不穩定的。，這種系統是不穩定的。若若 0，則調節過程是，則調節過程是等幅振蕩等幅振蕩，這種系統處于邊界穩，這種系統處于邊界穩定。定。若若0 1，則調節過程是，則調節過程是衰減振蕩衰

42、減振蕩，這種系統是穩定，這種系統是穩定的。可以應用。的。可以應用。若若 1，則調節過程是不振蕩的衰減過程，則調節過程是不振蕩的衰減過程(非周期過程非周期過程)，這種系統穩定。這種系統穩定。 在在0 1的范圍內，的范圍內， 的數值還可表明系統的數值還可表明系統穩定裕量穩定裕量(富富裕量或貯備量裕量或貯備量)的大小的大小 ，一般取，一般取 0.750.90。131311yyyyy 衰減比衰減比n是指振蕩過程的第一個波的振幅是指振蕩過程的第一個波的振幅y1與與第三個波的振幅第三個波的振幅y3之比，即之比，即 ny1/y3它也是衡量系統過渡過程穩定性的一個動態指它也是衡量系統過渡過程穩定性的一個動態指

43、標，反映了振蕩的標，反映了振蕩的衰減程度衰減程度。 n1 表示系統穩定；表示系統穩定； n=4表示系統為表示系統為4:1的衰減振蕩的衰減振蕩。4. 衰減比衰減比n5過渡過程時間（調節時間）過渡過程時間（調節時間）ts對于對于定值控制系統定值控制系統，過渡過程時間是指階躍響應曲線，過渡過程時間是指階躍響應曲線由開始起到最后一次進入由開始起到最后一次進入偏離穩態值偏離穩態值為為范圍，范圍，并且以后不再越出此范圍的時間即并且以后不再越出此范圍的時間即 tts 時時y(t)- y() y() ， = 5%或或2%。對于對于隨動控制系統隨動控制系統，控制過程時間是指被調量與其穩，控制過程時間是指被調量與

44、其穩態值之差不超過穩態值的態值之差不超過穩態值的5%或或2%所需要的時間，所需要的時間，就認為控制過程已經結束。即就認為控制過程已經結束。即tts 時時 y(t)- y() 5%y()或或2%y()調節時間調節時間 tS靜態偏差靜態偏差y( )或或e( ) 最大動態偏差最大動態偏差ym或超調量或超調量 衰減率衰減率 衰減比衰減比n 例：例：某換熱器的溫度調節系統在單位階躍作用下的過某換熱器的溫度調節系統在單位階躍作用下的過渡過程曲線如圖所示。分別求出最大偏差、余差、衰渡過程曲線如圖所示。分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200，規定，

45、規定被控變量進入給定值的被控變量進入給定值的2%時過渡過程結束時過渡過程結束 ）。）。解：余解：余 差：差： C =205 200 = 5 最大偏差：最大偏差：A =230 200 =30 衰減比：衰減比：由圖可見，由圖可見， 第一波峰值第一波峰值 B=230205 =25 第二波峰值第二波峰值 B=210205 =5 則，則，B：B= 25：5 = 5：1振蕩周期：振蕩周期：為兩同向之間的間隔，為兩同向之間的間隔，T=205=15（min）過渡時間：過渡時間：按照規定：限制范圍為按照規定：限制范圍為200（2%）=4 ；則在新穩態值兩側以寬度；則在新穩態值兩側以寬度為為 4 畫一個陰影區域表

46、示，只要被控變量進入畫一個陰影區域表示，只要被控變量進入這一區域且不在越出，可以認為過渡過程結束。由這一區域且不在越出，可以認為過渡過程結束。由圖可見，圖可見，過渡時間為過渡時間為22 min。1.4 過程控制設計要求過程控制設計要求1. 環境要求環境要求：工廠的氣體、液體和固體必須按：工廠的氣體、液體和固體必須按照環境的標準和規則。照環境的標準和規則。2. 產品的質量和產量產品的質量和產量：為了生產利益，所生產：為了生產利益，所生產的產品必須滿足產品的質量和產量。的產品必須滿足產品的質量和產量。3. 工廠經濟運行機制工廠經濟運行機制：控制目標必須考慮經濟：控制目標必須考慮經濟目標。目標。4.

47、 穩定運行機制穩定運行機制：控制系統是保證工廠設備平：控制系統是保證工廠設備平滑 、 穩 定 運 行 、 關 鍵 變 量 沒 有 振 蕩滑 、 穩 定 運 行 、 關 鍵 變 量 沒 有 振 蕩 （excessive oscillation）。）。安安 全！全！過程控制操作者的觀點過程控制操作者的觀點 一個工廠操作員的一天一個工廠操作員的一天過程控制操作者的觀點過程控制操作者的觀點 如果你是操作員，如果你是操作員，你怎么辦你怎么辦? ?l 井井A開采出錯開采出錯 原因未知。原因未知。l 轉到井轉到井B，也出錯，也出錯 原因未知。原因未知。l 很快，響起大量警報很快，響起大量警報 原因未知。原因

48、未知。l 幾分鐘內，發生爆炸和火災。兩人當場死亡，另有幾人受傷。幾分鐘內，發生爆炸和火災。兩人當場死亡，另有幾人受傷。l 當時是晚上當時是晚上10:00 。l 現場找不到經理，他在蘇格蘭的現場找不到經理，他在蘇格蘭的 Aberdeen。l 現在位于北海中央一個海面石油平臺的頂部。現在位于北海中央一個海面石油平臺的頂部。我們關注的是過程安全：我們關注的是過程安全：大型事故大型事故 1988 年蘇格蘭西部石油的年蘇格蘭西部石油的Piper Alpha 災難災難海面石油平臺爆炸海面石油平臺爆炸 164 人死亡人死亡 損失損失$20億億1984印度印度bhopal的碳化物的碳化物事故事故MIC 釋放到

49、大氣中釋放到大氣中 3000-10,000 人死亡人死亡 100,000 受傷受傷 損失損失 $510億億 2000年年6月科威特月科威特KPCL發生的發生的Mina Al-Ahmedhi精精煉廠事故煉廠事故 泄漏引起可燃氣體排放到泄漏引起可燃氣體排放到大氣中，并引起爆炸。大氣中，并引起爆炸。 7 人死亡，人死亡，50 人受傷。人受傷。 損失損失$？億。？億。 2001年年3月巴西石油事故月巴西石油事故 海面石油平臺爆炸。海面石油平臺爆炸。 10 人死亡，損失人死亡，損失$50億。億。 平臺沉入大西洋。平臺沉入大西洋。大型事故大型事故l 2001年年9月月21法國圖盧茲硝酸氨爆炸法國圖盧茲硝酸

50、氨爆炸 31 人死亡人死亡 2442人受傷人受傷 損失幾億美元損失幾億美元大型事故大型事故近期國內大型事故近期國內大型事故2007年年11月月8日，吉林松原石油化工股份有限公司在建干氣綜日，吉林松原石油化工股份有限公司在建干氣綜合利用裝置利用導熱油脫除管道系統內殘留水分過程中導熱油合利用裝置利用導熱油脫除管道系統內殘留水分過程中導熱油泄漏著火，造成泄漏著火，造成4人死亡。人死亡。2007年年11月月27日，江蘇聯化科技有限公司（以下簡稱聯化公司）日，江蘇聯化科技有限公司（以下簡稱聯化公司）重氮鹽生產過程中發生爆炸，造成重氮鹽生產過程中發生爆炸，造成8人死亡、人死亡、5人受傷（其中人受傷（其中2

51、人重傷），直接經濟損失約人重傷），直接經濟損失約400萬元。萬元。2007年年11月月28日，浙江湖州菱化實業股份有限公司亞磷酸二甲日，浙江湖州菱化實業股份有限公司亞磷酸二甲酯生產過程中發生爆炸，造成酯生產過程中發生爆炸，造成3人死亡。人死亡。 國家安全生產監督管理總局文件，安監總危化國家安全生產監督管理總局文件，安監總危化2007251號。號。“國家安全監管總局關于江蘇聯化科技有限公司國家安全監管總局關于江蘇聯化科技有限公司”11.27“爆炸等事故的通報爆炸等事故的通報”事故發生簡要經過事故發生簡要經過 重氮化工藝過程是在重氮化釜中，先用硫酸和亞硝重氮化工藝過程是在重氮化釜中，先用硫酸和亞硝

52、酸鈉反應制得亞硝酰硫酸，再加入酸鈉反應制得亞硝酰硫酸，再加入6溴溴2，4二硝二硝基苯胺制得重氮液，供下一工序使用。基苯胺制得重氮液，供下一工序使用。11月月27日日6時時30分，聯化公司分，聯化公司5車間當班車間當班4名操作人員接名操作人員接班，在上班制得亞硝酰硫酸的基礎上，將重氮化釜溫度班，在上班制得亞硝酰硫酸的基礎上，將重氮化釜溫度降至在降至在25。6時時50分，開始向分，開始向5000升重氮化釜加入升重氮化釜加入6溴溴2,4二二硝基苯胺，先后分三批共加入反應物硝基苯胺，先后分三批共加入反應物1350千克。千克。9時時20分加料結束后，開始分加料結束后，開始打開夾套蒸汽對重氮化釜內打開夾套

53、蒸汽對重氮化釜內物料加熱至物料加熱至37，9時時30分關閉蒸汽閥門保溫。按照工藝要求，保溫溫度分關閉蒸汽閥門保溫。按照工藝要求，保溫溫度控制在控制在352，保溫時間，保溫時間4-6小時。小時。10時許，當班操作人員發現重氮化釜冒出黃煙（氮氧時許，當班操作人員發現重氮化釜冒出黃煙（氮氧化物），化物），重氮化釜數字式溫度儀顯示溫度已達重氮化釜數字式溫度儀顯示溫度已達70，在向車間報告的同時，將重氮化釜夾套切換為冷凍鹽在向車間報告的同時，將重氮化釜夾套切換為冷凍鹽水。水。10時時6分，分，重氮化釜溫度已達重氮化釜溫度已達100，車間負責人向聯，車間負責人向聯化公司報警并要求所有人員立即撤離。化公司報

54、警并要求所有人員立即撤離。10時時9分，聯化公司內部消防車趕到現場，用消防水向分，聯化公司內部消防車趕到現場，用消防水向重氮化釜噴水降溫。重氮化釜噴水降溫。10時時20分，重氮化釜發生爆炸，分，重氮化釜發生爆炸，造成搶險人員造成搶險人員8人死亡人死亡（其中（其中3人當場死亡）、人當場死亡）、5人受傷（其中人受傷（其中2人重傷）。人重傷）。建建筑面積為筑面積為735平方米的平方米的5車間車間B7廠房全部倒塌，主要生廠房全部倒塌，主要生產設備被炸毀。產設備被炸毀。事故原因初步調查分析事故原因初步調查分析 根據事故調查組的初步分析判斷，操作人員根據事故調查組的初步分析判斷，操作人員沒沒有將加熱蒸汽閥

55、門關到位有將加熱蒸汽閥門關到位，造成重氮化反應釜在保，造成重氮化反應釜在保溫過程中被繼續加熱，重氮化釜內重氮鹽劇烈分解，溫過程中被繼續加熱，重氮化釜內重氮鹽劇烈分解，發生化學爆炸，是這起爆炸事故的發生化學爆炸，是這起爆炸事故的直接原因直接原因。 在重氮化反應保溫時，操作人員未能及時發現在重氮化反應保溫時，操作人員未能及時發現重氮化釜內溫度升高，及時調整控制；重氮化釜內溫度升高，及時調整控制；裝置自動化裝置自動化水平低，重氮化反應系統沒有裝備自動化控制系統水平低，重氮化反應系統沒有裝備自動化控制系統和自動緊急停車系統和自動緊急停車系統；重氮化釜崗位操作規程不完重氮化釜崗位操作規程不完善，沒有制定

56、針對性應急措施，應急指揮和救援處善，沒有制定針對性應急措施，應急指揮和救援處置不當，是這起爆炸事故的置不當，是這起爆炸事故的重要原因重要原因。 2007年年4月月18日日7時時45分，分，遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限責任公司生產車間，一個裝有責任公司生產車間，一個裝有約約30噸鋼水的鋼包在吊運至鑄噸鋼水的鋼包在吊運至鑄錠臺車上方錠臺車上方2-3米高度時，突然米高度時，突然發生滑落傾覆，鋼包倒向車間發生滑落傾覆，鋼包倒向車間交接班室，鋼水涌入室內，致交接班室，鋼水涌入室內，致使正在交接班室內開班前會的使正在交接班室內開班前會的32名職工當場死亡，另有名職工當場死亡，另有6

57、名名爐前作業人員受傷，其中爐前作業人員受傷，其中2人人重傷。重傷。國家安全生產監督管理總局文件，安監總管一國家安全生產監督管理總局文件，安監總管一200783號。號。“國家安全監管總局關于遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限責任公司國家安全監管總局關于遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限責任公司“418”鋼水包傾覆特別重大事故的通報鋼水包傾覆特別重大事故的通報 ”事故的直接原因：事故的直接原因：煉鋼車間吊運鋼水包的起重機主鉤在下降作業時，控制回路煉鋼車間吊運鋼水包的起重機主鉤在下降作業時，控制回路中的一個中的一個聯鎖常閉輔助觸點銹蝕斷開聯鎖常閉輔助觸點銹蝕斷開，致使驅動電動機失電；電，致使驅動電動機失電；電氣系統

58、設計缺陷，制動器未能自動抱閘，導致鋼水包失控下墜；氣系統設計缺陷，制動器未能自動抱閘，導致鋼水包失控下墜；制動器制動力矩嚴重不足，未能有效阻止鋼水包繼續失控下墜，制動器制動力矩嚴重不足，未能有效阻止鋼水包繼續失控下墜，鋼水包撞擊澆注臺車后落地傾覆，鋼水涌向被錯誤選定為班前會鋼水包撞擊澆注臺車后落地傾覆，鋼水涌向被錯誤選定為班前會地點的工具間。地點的工具間。來自操作人員的抱怨來自操作人員的抱怨 實時信息不夠精確實時信息不夠精確 (例如例如 缺少真實的警報命令缺少真實的警報命令)； 由于容錯能力不強引起由于容錯能力不強引起的過多警報；的過多警報； 不能充分預料過程擾動；不能充分預料過程擾動； 缺少

59、實時的，徹底的分缺少實時的，徹底的分析析 (基于癥狀的報警基于癥狀的報警)； 缺少設備失誤與過程偏缺少設備失誤與過程偏差之間的區別；差之間的區別； 各種信息和控制系統元各種信息和控制系統元素之間的綜合薄弱；素之間的綜合薄弱； 觀察相關的過程數據的觀察相關的過程數據的能力有限；能力有限； 缺少足夠的測量，跟蹤缺少足夠的測量，跟蹤和取得非正常情況的以往和取得非正常情況的以往記錄的工具；記錄的工具； 程序或者操作指示有限程序或者操作指示有限或者受時間限制；或者受時間限制； 工廠各單元之間或者內工廠各單元之間或者內部的通訊笨重且分散。部的通訊笨重且分散。需要實現智能控制！需要實現智能控制！過程安全和過

60、程控制過程安全和過程控制l 過程工業的初始關注。過程工業的初始關注。l 公眾對潛在危機的加倍關注，更嚴格的法公眾對潛在危機的加倍關注，更嚴格的法律要求，以及現代工業工廠的更加復雜性。律要求，以及現代工業工廠的更加復雜性。過程安全的總體看法過程安全的總體看法從整個過程的各個階段考慮過程安全：從整個過程的各個階段考慮過程安全： 初級過程設計。初級過程設計。 在 設 計 的 最 后 一 步 ， 應 用在 設 計 的 最 后 一 步 ， 應 用 危 險 和 可 操 作 性危 險 和 可 操 作 性(HAZOP)研究故障模式和故障樹分析。研究故障模式和故障樹分析。 工廠開始操作以后，為了工廠開始操作以后