过程控制系统与仪表全套教案.doc
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第一章绪论
教学目的：
了解基本概念：
过程控制，过程控制发展概况，过程控制分类。
教学重点：
人工控制和自动控制的对比，过程控制系统的性能指标。
教学难点：
定值控制系统的过渡过程及性能指标。
过程控制（Processcontrol）是指连续生产过程的自动控制。
石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的生产过程的控制，都属于过程控制。
连续生产过程的特征是：
生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的传递或转换。
例如室内温度的控制。
图1为人工控制室温。
假设在冬季，室内加温是通过热水加热器，将送风加热后送往恒温室。
为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。
在此人的作用可分为三步：
眼看，脑想，手动。
送风
回风
阀门
图1室温人工控制示意图
恒温室
温度计
眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器可接受的信号。
脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行比较（相减求偏差）,并按偏差值计算出控制量。
手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变开度。
人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。
而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。
图2为室温自动控制，自动化仪表代替了人。
恒温室
送风送风风
1
3
4
M
TC
TT
回水水
热水
2
回风
图2室温自动控制示意图
1—热水加热器；3—控制器；2—传感变送器；4—执行器
过程控制系统的定义：
为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系的自动化仪表、装置及被控对象、工艺设备构成的一个整体。
又称自动控制系统。
在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。
如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调节阀和加热器及房间组成，如图3所示：
给定值
被控变量
干扰f
控制器
变送器
调节阀
加热器及房间
及房间
+
e
实测值
实测实测值值
－
图3室温控制系统组成图
过程控制系统方框图通常用标准名称表示。
如图4所示：
给定值
被控变量
干扰f
控制器
变送器
调节阀
被控对象及房间
+
e
实测值
实测实测值值
－
图4过程控制系统方框图
过程控制系统的主要任务是：
对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
1.1过程控制的特点
1）．控制对象复杂、控制要求多样
2）．控制方案丰富
3）．控制对象大多属于慢过程
4）．大多数工艺要求定值控制
5）．通常使用标准自动化仪表及装置
1.2过程控制的发展概况
过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。
1.2.1过程控制装置与系统的发展过程
1．局部自动化阶段（20世纪50～60年代）
1）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。
2）适用于小规模、局部过程控制。
2．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）
特点：
1）自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。
2）控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。
操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。
3）适用于生产规模较大的多回路控制系统。
3．集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）
计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。
用一台计算机可取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（DDC，DirectDigitalControl）。
但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。
因此，DDC系统并未得到广泛应用。
80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。
基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS，DistributedControlSystem）。
DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。
得到广泛应用。
随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。
控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）。
FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。
而用开放的、标准化的通信网络——现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息集中管理。
1.2.2过程控制策略与算法发展
伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展历程。
以经典控制理论为基础的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、Smith预估控制及选择性控制等控制策略。
随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。
现代自动控制技术的主要特点：
1）、功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和规模越来越大。
2）、技术密集化、系统集成化，是控制技术、通讯技术、计算机技术相结合的产物。
3）、系统的智能化程度日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。
常见的自动化仪表生产企业：
西安仪表厂、四川仪表厂、上海仪表公司、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell、Foxboro等公司。
1.3过程控制系统分类及其性能指标
1.3.1过程控制系统的分类
过程控制系统有多种分类方法。
按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。
但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。
1.按设定值的形式分类
1）定值控制系统——设定值恒定不变。
2）随动控制系统——设定值随时可能变化。
3）程序控制系统——设定值按预定的时间程序变化。
2.按系统的结构特点分类
1）反馈控制系统（闭环控制系统）
将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。
如图5所示：
给定值
被控变量
干扰f
控制器
变送器
调节阀
被控对象及房间
+
e
实测值
实测实测值值
－
图5反馈控制系统方框图
反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式
2）前馈控制系统（开环控制系统）
控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。
如图6所示：
执行器
被控对象
变送器
干扰f
测量值
控制器
被控变量
图6开环控制系统原理框图
3）复合控制系统
前馈与反馈相结合，优势互补。
如图7所示
加法器
执行器
被控对象
变送器1
控制器2
变送器2
给定值
+
——
e
控制器1
干扰f
实测值
图7前馈-反馈复合控制系统原理框图
1.3.2过程控制系统的性能指标
当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。
为此，要有评价控制系统的性能指标。
控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。
t
0
y
1.3.2.1稳态与动态
1、稳态
被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态）。
当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节也都处于稳定状态。
但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了
静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
静态
静态
动态
t
y
0
2、动态
被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。
当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。
动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
静态
静态
动态
t
y
0
1.3.2.2控制系统的过渡过程
控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。
静态
静态
动态
t
y
0
系统的过渡响应受内部和外部两种因素的影响。
1、内部因素：
系统特性
系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。
2、外部因素：
输入信号
在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。
生产中，出现的干扰信号是随机的。
但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。
A
t
f（t）
t
f（t）
时域分析时经常使用阶跃信号。
v阶跃信号变化突然，对被控变量的影响最大。
如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。
v阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
如图，输入信号在t=0时，阶跃上升幅度为A，其后保持。
表达为f（t）=Ae（t）
A
t
f（t）
在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：
①单调衰减过程
被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。
②振荡衰减过程
被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。
①
t
0
θa
③等幅振荡过程
被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。
④振荡发散过程
被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。
③
θa
0
t
④
t
0
θa
aaa
过渡过程的分类
1）稳定的过渡过程
单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。
被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。
衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。
单调过程的过渡过程较长，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。
2）不稳定的过渡过程
发散振荡过程中，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。
3）临界过渡过程
处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。
只是某些简易的控制系统（如位式控制），只能达到这种效果。
1.3.2.3控制系统的性能指标
对控制系统的性能评价，是根据工艺对控制过程和结果的要求来衡量的。
控制系统的过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。
最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃信号，观察其阶跃响应的品质。
其中阶跃响应分：
给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。
二者阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的性能指标是一致的。
（a）干扰阶跃响应
t
0
y
（b）给定阶跃响应
y
0
t
干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别：
（a）干扰阶跃响应
t
0
y
（b）给定阶跃响应
0
t
y
控制性能指标有单项指标和综合指标两类
单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，偏差积分性能指标则是一种综合性指标。
由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。
1.系统阶跃响应的单项性能指标
单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。
1）衰减比n和衰减率ψ
设第一个波振幅为y1、第二个波振幅为y3
图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
y
r
y1
y3
C
y（∞）
Tp
TS
T
t
衰减比n和衰减率ψ是表示系统稳定程度的指标。
n大于1，则系统是稳定的。
随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。
试验证明：
衰减比在4:
1到10:
1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。
衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：
n=4:
1~10:
1就相当于ψ=75%～90%
2）最大动态偏差A和超调量σ
最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。
即:
A=ymax-r
最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。
有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度，σ的定义是第一个波振幅与最终稳态值y（∞）之比。
即
3）余差C
过渡过程结束后，被控参数的稳态值y（∞）与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。
是衡量控制系统稳态准确性的指标。
C=y（∞）-r
4）调节时间Ts和振荡频率ω
Ts是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。
当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5%（或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。
调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。
过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率
f=1/T
另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。
也是衡量控制系统快速性的指标。
例：
某换热器的温度控制系统给定值为200℃。
在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。
试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。
解：
最大偏差A=230-200=30℃
余差C=205-200=5℃
衰减比n=y1:
y3=25:
5=5:
1
振荡周期T=20–5=15（min
设被控变量进入稳态值的土2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205×（±2％）＝±4.1℃
在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。
曲线进入时间点Ts=22min
控制系统的单项品质指标小结
1）稳定性衰减比n=4:
1~10:
1最佳
2）准确性余差C小好
最大偏差A小好
3）快速性过渡时间Ts短好
振荡周期T短好
各品质指标之间既有联系、又有矛盾。
例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。
因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。
2.系统阶跃响应的综合性能指标——偏差积分
单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。
而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。
偏差积分的原始定义：
IE=∫e（t）dt
偏差的定义存在分歧：
e（t）=y（t）-y（∞）不能表达余差
e（t）=y（t）-y（r）如有余差则积分无穷大
y
r
C
y（∞）
t
y
r
C
y（∞）
t
偏差积分指标有以下几种形式：
①偏差积分IE（IntegralofError）
缺点：
不能保证系统是衰减振荡。
图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
y
r
y1
y3
C
y（∞）
Tp
TS
T
t
②绝对偏差积分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）
这种方法实现了排除正负，偏差抵消的可能。
③平方偏差积分ISE（IntegralofSquaredError）
这种方法对偏差幅度敏感
④时间与绝对偏差乘积积分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）
这种处理方法对调节时间敏感
1.3.2.4影响控制系统过渡过程品质的主要因素
控制系统的过渡响应品质指标主要取决于系统结构和系统中各环节的特性。
从第二章开始，将分别讨论控制系统各环节的特性、各种系统结构的特性及设计方法。
本章小结：
过程控制的基本概念，重点是过程控制系统的分类及性能指标。
第2章检测仪表
教学目的：
了解基本概念：
检测仪表的基本技术指标，四大参数的检测方法及常见仪表。
教学重点：
热电阻、热电偶的测温原理，压力、流量、物位的检测。
教学难点：
热电偶的工作原理和冷端温度补偿。
要控制一个工艺指标，首先必须实时检测生产过程中的有关参数。
例如温度、压力、流量、液位等。
用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的变送器。
检测仪表种类繁多，但目的都是快速、准确地测量某种物理量。
因此，对于检测仪表的性能有一套通用的评价指标。
2.1检测仪表的基本技术指标
1.绝对误差
检测仪表的指示值X与被测量真值Xt之间存在的差值称为绝对误差Δ表示为：
Δ=X－Xt
由于真值是无法得到的理论值。
实际计算时，可用精确度较高的标准表所测得的标准值X0代替真值Xt，表示为：
Δ=X－X0
仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差中最大的绝对误差称为最大绝对误差Δmax。
2．基本误差
基本误差是一种简化的相对误差，又称引用误差或相对百分误差。
定义为：
其中：
仪表量程=测量上限－测量下限
仪表的基本误差表明了仪表在规定的工作条件下测量时，允许出现的最大误差。
3．精确度（精度）
为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。
如0.5级，1.0级，1.5级等。
仪表精度的确定方法：
将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。
例如:
某台仪表的基本误差为±1.0％，则确认该表的精确度等级符合1.0级。
如果某台仪表的基本误差为±1.3％，则该表的精确度等级符合1.5级。
例1某台测温仪表的测量范围为－100～700℃，校验该表时测得其最大绝对误差为＋5℃，试确定该仪表的精度等级。
解：
该仪表的基本误差为：
将δ去掉“+”与“%”号，其数值为0.625。
由于国家规定的仪表精度等级中没有0.625级，该仪表的误差介于0.5级～1.0级之间，超过了0.5仪表所允许的最大绝对误差，故这台测温仪表的精度等级为1.0级。
例2某台测压仪表的测压范围为0～8MPa。
根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过±0.05MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？
解：
根据工艺要求，仪表的允许基本误差为：
去掉“±”和“％”号后，0.625介于0.5～1.0之间。
若选精度为1.0级的仪表，其允许的最大绝对误差为±0.08MPa。
超过了工艺允许的数值。
故：
应选择0.5级的表。
目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。
精度等级数值越小，表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。
0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多为0.5级以下。
仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板上。
如
4、灵敏度和分辨率
灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示：
其中，S－仪表灵敏度；ΔY－仪表指针位移的距离（或转角）；ΔX－引起ΔY的被测参数变化量。
灵敏限表示指针式仪表在量程起点处，能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值。
对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限。
分辨率表示仪表显示值的精细程度。
如一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千分之一。
数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。
分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。
如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为0.1℃，即该表的分辨力为0.1℃。
5、变差
在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。
变差=
量程
正反行程最大差值
×100%
∆ymax
y
xminxmax
O
x
xmax
造成变差的原因是传动机构间存在的间隙和摩擦力;弹性元件的弹性滞后等。
6、响应时间
当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。
这段时间称为响应时间。
响应时间的计算：
从输入一个阶跃信号开始，到仪表的输出信号（即指示值）变化到新稳态值的95％所用的时间。
即下图中的tp
t
x
y
tp
0
以上是检测仪表常用的性能指标。
2.2温度检测及仪表
温度是表征物体冷热程度的物理量。
是工业生产中最普遍而重要的操作参数。
2.2.1温度检测方法
一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。
有接触式测温和非接触式测温。
接触式测温——通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。
非接触式测温——通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。
接触式测温仪表有：
1、膨胀式温度计，是指基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的温度计，他有液体和固体两种。
液体膨胀式温度计，利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。
固体膨胀式温度计，用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。
受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲
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