过程控制系统

概念

定义

• 以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控量的自动控制

控制仪表

• 接收检测仪表的测量信号，控制生产过程正常进展的仪表
• 实现某一物理参数的自动控制需要以下装置：
  • 反应被控参数变化的传感器
  • 将测量信号标准化的变送器
  • 设定被控参数正常值的定值器
  • 比较被控参数变化并进行控制运算的控制器
  • 实现控制命令的执行器及改变调节参数的控制阀

过程控制系统组成

• 被控对象：简称对象，也称被控过程，其中所有需要进行自动控制的参数，成为被控量或被控参数。被控量往往是被控对象的输出量。
• 检测元件和变送器：由传感器检测被控参数的变化，当其输出不是电学量或是电学量但非标准信号时，再通过变送器转化成标准信号。传感器或变送器输出的就是被控量的测定值。
• 控制器：偏差信号作用于控制器，产生控制信号，控制执行机构动作。
• 执行器：接收控制信号，直接推动被控对象，使控制量发生变化。
• 控制阀：通过电或者气动驱动器驱动控制阀门，以改变输入对象的操作量，使被控量收到控制。
• 干扰：对系统施加控制作用，使得被控量产生任何变化的作用量均称作干扰或扰动。分为外干扰和内干扰。
• 控制参数：即调节介质，如储水槽液位控制系统的给水量。
• 测量值：被控量经过检测变送后的值。
• 偏差量：被控量的给定值和实际值之差，但通常把给定值和测量值之差称作偏差。

过程控制系统类型

反馈控制系统

• 偏差是控制的依据，控制系统要达到减小或消除误差的目的
• 被控量反馈到系统输入端，使得系统形成一个闭合回路，故也称为闭环系统
• 反馈信号可能有多个

前馈控制系统

• 扰动是控制的依据
• 没有被控量的反馈信息，因此它是开环系统
• 前馈控制可以及时消除扰动对被控量的影响，但是开环系统无法检查控制效果，所以生产中不能单独使用

复合控制系统

• 能及时迅速克服主要扰动对被控量的影响
• 能检查控制的效果
• 大大提高系统控制质量

按定值信号的特点分

• 定值控制系统
  • 设定值是固定不变的闭环控制系统
  • 可克服扰动的影响，使被控量保持在工艺要求的数值
• 随动控制系统
  • 设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统
  • 可以一定的精度跟随设定值的变化而变化
• 顺序控制系统
  • 设定值是按一定的时间程序变化的
  • 可以一定的精度跟随设定值的变化而变化

过程控制系统的特点

• 控制方案的多样性
• 对象存在滞后：被控参数往往不能立即反映出来
• 对象存在非线性：对象特性往往是随负荷而变的，不同负荷下的动态特性有明显的差别
• 控制系统比较复杂：过程控制涉猎范围广，工作机理复杂，难以求出精确的数学模型

被控对象动态特性的特点

• 单调不震荡（像二阶系统过阻尼阶跃响应）
• 具有延迟性和大的时间常数
• 具有纯时间滞后
• 具有自平衡和非自平衡性（自衡、无自衡）
• 非线性

典型被控过程

• 纯滞后过程：输入量改变后，输出量不会立即改变，而是要经过一段时间才反映出来
• 纯滞后时间：输入量变化后，看不到系统对其作出响应的这段时间 $t$
• 自衡：输入发生变化时，无需外加任何控制作用，系统能自发趋于新平衡态
• 无自衡：输入变化后，过程无法自发趋于新平衡态，如单容过程（也有自衡的）、多容过程
• • 典型数学模型：
    • 一阶惯性环节 $\frac{1}{Ts+1}$
    • 二阶惯性环节 $\frac{1}{(T_{1}s+1)(T_{2}s+1)}$
    • 一阶惯性环节+纯滞后 $\frac{e^{-\tau s}}{Ts+1}$
    • 二阶惯性环节+纯滞后 $\frac{e^{-\tau s}}{(T_{1}s+1)(T_{2}s+1)}$

过控性能指标

• 稳态或静态：被控量不再随时间变化的平衡态
• 动态或瞬态：系统未处于平衡态
• 控制过程就是克服和消除干扰的过程，一个控制过程的优劣，在于收到外来扰动或给定值发生变化后，经过控制器的作用，能否平稳、迅速、准确地回复（或趋近）到给定值
  

调节时间

• 调节时间、过渡过程时间 $t_s$
• 表示过程控制系统过渡过程的快慢，是衡量快速性的指标
• 和自控相同

余差

• 余差、静态偏差 $e$
• 一般要求余差不超过预定值或为 0
• 其实就是自控的稳态误差

衰减比、衰减率

• 衰减比 $n$ ：相邻的同向波峰值之比

  • $n=\frac{B_1}{B_2}$
  • 衰减比越大系统越稳定
  • 适宜的值：
    • 随动系统 $n=10:1$
    • 定值系统 $n=4:1$

• 衰减率 $\psi$ ：每经过一个周期，波动峰值衰减的百分数

  • $\psi =\frac{B_1-B_2}{B_1}=1-\frac{1}{n}$
  • 一般取值：
    • 随动系统 $\psi =0.9$ ，对应 $n=10:1$
    • 定值系统 $\psi =0.75$ ，对应 $n=4:1$

最大偏差

• 最大偏差 $A$
• 指被控参数第一个波的峰值与给定值的差 $A=y(t_p)-r(t)$
• 超调量 $\sigma =\frac{y(t_p)-y(\mathrm{\infty })}{y(\mathrm{\infty })}\times 100\mathrm{\%}$
• 不允许最大偏差大，持续时间长